冠狀病毒的變異程度有上限嗎?

北京時間2月23日消息,據國外媒體報道,冠狀病毒的變異程度有上限嗎?專家指出,它們的變異似乎是無窮無盡的……盡管世界各國的科研專家都在競相研製新冠病毒接種疫苗,但是冠狀病毒仍在變異之中,也在發生基因變化。包括SARS在內,病毒本身發生變異也都是正常現象,但病毒的變異程度以及人類致病性有一定限度嗎?或者冠狀病毒會無限期地繼續進化嗎?

冠狀病毒的變異程度有上限嗎?

美國哥倫比亞大學微生物學、免疫學教授文森特·拉卡內洛說:「病毒變異是有一定限度的,但我們並不知道為什麼會這樣,可能出現的基因突變數量比宇宙所有原子數量更多,很大一部分基因組都可以被替換。」

冠狀病毒的基因序列是由4個不同化學基對或分子構成,達到29881個生化字母長度,這些生化字母提供9860個氨基酸指令,這些氨基酸是病毒蛋白質的基本組成部分,當這些化學基對發生變化時,氨基酸也相應地發生變化,從而影響病毒蛋白質的形狀,反過來蛋白質形狀的變化也會影響病毒功能,例如:病毒如何與人類細胞結合在一起。

拉卡內洛說:「之前對其他RNA病毒的研究,例如:SARS病毒有一條單鏈RNA作為它們的遺傳物質,發現這些病毒一半以上的基對可以被改變。」從數學角度上講,這意味着如果某個病毒擁有10000個基對,就會存在4^5000個基因序列的可能性。

考慮到可見宇宙中存在4^135個原子,將該公式套用於類似SARS的病毒,那麼它的基因序列可能有4^14941種組合方式,這僅是計算基礎生化字母的變化,一種化學物質取代另一種,拉卡內洛說:「基因組中還有其他的突變,例如:缺失或者插入,這將進一步增大基因序列可能性數量。」

但是這些突變中的大多數都是無關緊要的,而且其中很大一部分會立即被淘汰,拉卡內洛說:「有些突變是致命的,所以我們從未見過,但許多突變是中立的,它們只是不斷累積,重要的突變通常發生在冠狀病毒的刺突蛋白上,這是它用於捕獲人類細胞表面ACE2受體的武器。刺突自身是由1273個氨基酸組成,這些氨基酸由3831個化學基對編碼,因此依據相同的數學邏輯,刺突蛋白的編碼有4^1916種變化方式,幾乎是無限的,盡管如此,這些突變中存在許多冗餘,編碼的是相同的氨基酸。」

此外,美國康奈爾大學微生物學和免疫學教授約翰·摩爾稱,並不是每個突變都能被識別為「變異」,一些突變是悄然發生的,被識別並命名的變異通常具有顯著特性,例如:更容易傳染給人類,或者疫苗對其無效。

強有力的監測機制可以幫助科學家通過對感染人群的隨機抽樣,掃描發現病毒基因的變化,一旦他們發現了潛在的重要突變,例如:這些突變出現在基因組的哪里,他們就可以將這些突變插入刺突蛋白和ACE2受體相互作用的計算機模型中,從而預測該突變將如何表現,但為了最終理解這種突變如何改變病毒的行為,他們必須對病毒或者蛋白質做實驗。

之前的突變

第一個SARS病毒變種是2020年春季發現的,當時武漢首次檢測到原始病毒被一種叫做D614G的新變種所取代,依據摩爾參與撰寫的《美國醫學會雜志》所提及的觀點,該新變種可能出現在歐洲,摩爾說,直到2020年夏季末,科學家才發現這種病毒變異可能增強了它們的復制傳播能力。

雖然新型冠狀病毒的變異程度不像艾滋病毒或者流感病毒那麼嚴重,但摩爾指出,將該病毒植入1億人體內,就會發生變異。2020年8月,英國出現另一種叫做B.1.1.7的新冠病毒變種,同年11月該病毒變種擴散速度加快。早期研究表明,新冠病毒變異的主要突變N501Y,再次出現傳播能力增強,但應用於新冠病毒D614G突變和其他之前的冠狀病毒菌株的抗體對N501Y有效。

另外,一種更令人擔憂的新冠病毒突變出現在南非,它叫做B.1.351或者N501Y.V2,該病毒變種與英國境內出現的B.1.1.7十分相似,但它在受體與刺突蛋白結合區域出現突變,該區域正是刺突蛋白與人類細胞 ACE2結合的位置,新冠病毒最關鍵的突變是E484K,它改變了受體結合區域(RBD)的形狀,足以使識別早期抗體很難識別的新變異菌株。

之前幾項研究表明,Moderna、輝瑞、諾瓦瓦克斯和強生等公司研製的疫苗仍可以抵禦冠狀病毒變異,但效果不如針對早期病毒變異的疫苗有效。

另一種與B.1.351類似的病毒變種叫做P.1,也出現在巴西境內,由於它與南非新冠病毒變種存在相似性,它的出現令科學家感到擔憂。目前,科學家發現一些B.1.1.7病毒變種也出現突變,甚至E484K也出現突變。

拉卡內洛稱,受體結合區域是一個可能發生突變的區域,它是由223個氨基酸組成,其中22個氨基酸與人類細胞上的ACE2受體發生接觸,這些氨基酸中任何一種都可能發生變化(由於受體結合區域潛在着基因序列突變),並增大其與人類細胞的接觸,從而增強侵入能力。

為什麼病毒會發生突變?

突變有時反映了一種「建立者效應」,病毒發生變異,由於病毒變體碰巧進入了廣泛傳播病毒的人體內,它逐漸具有顯性優勢,但這並不一定意味着突變就存在着優勢。

美國波士頓大學醫學院生物化學助理教授、國家新興傳染病實驗室研究員摩桑·薩伊德說:「但有時相同或者非常相似的突變,例如:N501Y突變會出現在世界不同地區,這通常意味着突變會對病毒帶來一定優勢。」

薩伊德稱,目前冠狀病毒已經非常易於感染人類,所以它未來從突變中獲得任何優勢可能都不會太大,這相當於你的收音機已經開到10分貝音量,如果將音量調到11分貝時,也不會有太大差別。

未來不久人類開始大范圍地注射冠狀病毒疫苗,將會發生什麼呢?薩伊德說:「在這種情況下,疫苗可能刺激病毒產生『逃逸突變』,從而實現阻止中和抗體的能力。」

未來發生的病毒突變

SARS病毒在人類中傳播的時間很短,目前科學家還不能依據模擬或者病毒歷史來預測未來該病毒會出現怎樣的變種,這存在很大的隨機性。

摩爾說:「我們不是發號施令者,我們只是對病毒做出反應,換句話講,病毒突變是在野生環境中發生的,科學家正在研究它們的傳染性、致命性,以及它們對疫苗的『逃逸突變』影響,雖然在病毒發生突變之前領先一步是有益的,例如:基於模擬測試,預測其他突變是否可能出現,但考慮到病毒變異的程度,這可能是不可行的。蛋白質與受體或者抗體的相互作用非常靈活,它們能夠以多種不同的方式耐受病毒突變,最終實現相同的終點,所以你無法預測接下來會發生什麼。」

拉卡內洛指出,科學家可能預測一些非常明顯的病毒突變,例如刺突蛋白上某些氨基酸變化會影響抗體結合,或者刺突受體結合區域的變化會影響病毒粘附和進入人體細胞的入侵能力,盡管科學家無法預測哪些突變會對病毒帶來優勢,但他們知道,病毒傳播得越多,就會出現更多的突變。

較強的選擇壓力,例如使用非常有效的疫苗,可能會減少病毒復制和變異的機會,與此同時,非常微弱的選擇壓力意味着病毒不用必須選擇變異,因此任何變化僅提供微不足道的優勢。

當我們對病毒施加中等水平的選擇壓力時,麻煩就來了,例如:當你沒有強抗體反應時,廣泛使用效果甚微的疫苗,或者延長第一劑和第二劑疫苗之間的時間,就可能成為「病毒新變種的滋生地」。摩爾說:「目前我們已意識到這一點。」

因此,為了防止未來病毒變種,我們需要確保按時對人們接種疫苗,阻止所謂的「逃逸突變」,我們需要阻止病毒擴散傳播,這將增大冠狀病毒產生更多變異的概率。

摩爾指出,由於我們不能提前預測哪些特定的突變會發生,要想比病毒突變落後兩步,而不是20步,唯一的辦法是大幅加強對新變種病毒的監測,這樣科學家們就可以在病毒擴散之前,在實驗室里發現並測試病毒新突變產生的影響。(葉傾城)

來源:cnBeta