新冠病毒的武器——突變與進(jìn)化

在這場包括人類在內(nèi)的動物與新型冠狀病毒（SARS-CoV-2）之間的博弈里，人類采取了隔離、研發(fā)藥物和疫苗等策略，而新冠病毒也在不斷積累和孵育它們專屬的武器——突變與“進(jìn)化”。

從2020年12月開始，新冠病毒的變異程度似乎更上一層臺階，在英國東南部被鑒定出的新冠病毒變異毒株 B.1.1.7 表現(xiàn)出更快的傳播速度。傳染病學(xué)教授 Jeremy Farrar 在《科學(xué)》（Science）的報道中提到：“因?yàn)椴《镜牟粩噙M(jìn)化，一個難以預(yù)測的階段即將到來?！?/p>

英國新冠疫情在變異毒株出現(xiàn)后傳播速度明顯加快 | JOHNS HOPKINS UNIVERSITY CSSE COVID-19 DATA

病毒為什么會突變？生物的遺傳物質(zhì)包含著巨大的信息量，例如人類一套遺傳信息由大約30億個堿基對（base pair，遺傳信息的基本單位）排列組合構(gòu)成。相比之下，新冠病毒要小得多，只有3萬個堿基對左右。

盡管數(shù)量龐大，這些堿基對在復(fù)制的過程中，也還是在蛋白酶的幫助下一個一個合成的。即便有精密的“校對儀器”和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)摹皩徍藞F(tuán)隊(duì)”，冗雜的復(fù)制過程難免會出現(xiàn)一些錯誤，例如放錯了一個堿基、多或少合成了一段等等；再加上來自外界的輻射或有害化學(xué)物質(zhì)的影響，就形成了大家有所耳聞的突變和變異。

病毒突變率的定義和原因 | Sanjuán, R., Domingo-Calap, P., 2016

但是不同之處在于，由細(xì)胞構(gòu)成的生命中，脫氧核糖核酸（DeoxyriboNucleic Acid，DNA）是主要的遺傳信息載體；而病毒的世界里卻存在例外，核糖核酸（RiboNucleic Acid，RNA）或蛋白質(zhì)（Protein）也可能肩負(fù)相同的職責(zé)。

相比于由兩條鏈互相配對形成的 DNA，新冠病毒的單鏈 RNA 基因組，產(chǎn)生突變或變異的概率更高。

不同類型病毒突變率比較 | Sanjuán, R., Domingo-Calap, P., 2016.

一年多的時間在人類看來不算太久，可對病毒而言就截然不同。新冠病毒大量的復(fù)制和繁殖，意味著數(shù)不勝數(shù)的變異在悄然發(fā)生，其中發(fā)生在關(guān)鍵基因上的“有利”變化，則可能讓它們更加強(qiáng)大。

變異的新冠病毒會變強(qiáng)？冠狀病毒主要感染禽類和其他哺乳動物，但有一些越過了其他哺乳動物—人類之間的屏障，逐漸發(fā)展為人畜共患的傳染病；而從其他動物到人之間的躍遷背后，正是變異和進(jìn)化在“作祟”。

此前已經(jīng)確定的、可感染人類的冠狀病毒有6種：HCoV-229E、HCoV-OC43、SARS-CoV、HCoV-NL63、HCoV-HKU1 和 MERS-CoV；在過去的這段時間里又增加了一種——新型冠狀病毒（SARS-CoV-2）。

電子顯微鏡下染色后的新冠病毒 | NIAID

冠狀病毒的基因組主要編碼四種結(jié)構(gòu)蛋白：刺突蛋白（S），核衣殼蛋白（N），膜蛋白（M）和包膜蛋白（E）；這些蛋白質(zhì)在形成病毒顆粒的結(jié)構(gòu)時起到至關(guān)重要的作用，有些也會參與復(fù)制周期等其他方面。

新冠病毒的主要結(jié)構(gòu) | SPQR10

其中，很大程度上，決定冠狀病毒是否能夠感染人類、甚至進(jìn)一步“人傳人”的是刺突蛋白（S蛋白）。

以 SARS 冠狀病毒為例，其 S 蛋白的受體結(jié)合域中，僅僅幾個突變（N479L 和 T487S）就足以顯著增加與人細(xì)胞表面受體（ACE2）的親和力。

在論文或新聞中出現(xiàn)的突變類型格式為“突變前的氨基酸代號-位置編號-突變后的氨基酸代號”，每一種氨基酸都有一個對應(yīng)的字母，而數(shù)字是指在這個蛋白質(zhì)/多肽的氨基酸鏈上的位置。例如 N479L 是指在這個蛋白質(zhì)上，第479個氨基酸由天冬酰胺（N）突變?yōu)榱涟彼幔↙）。而中東呼吸綜合征冠狀病毒（MERS-CoV）不僅僅需要突變幫助它結(jié)合人細(xì)胞表面的受體（DPP4），還需要 S 蛋白中另外兩個突變（S746R 和 N762A）的幫助，使其能夠被來自人的蛋白酶切割激活，從而讓病毒進(jìn)入人細(xì)胞。

這一次在英國被發(fā)現(xiàn)的新冠病毒變異毒株 B.1.1.7，也包含了 S 蛋白上的關(guān)鍵氨基酸突變——N501Y。結(jié)合目前英國新冠疫情的增長情況來看，這一變異毒株在進(jìn)入呼吸道等器官的細(xì)胞、感染人類的能力上可能增強(qiáng)了。

新冠病毒 S 蛋白第501位氨基酸的變異情況 | emmahodcroft/ncov_cluster

只不過包括 B.1.1.7 在內(nèi)的各種變異類型，具體是如何加強(qiáng)其傳染能力、會不會由突變提升致病性或臨床癥狀的嚴(yán)重程度，以及針對這些病毒蛋白研發(fā)的疫苗會不會失效等問題，還需要更多實(shí)驗(yàn)室內(nèi)或臨床上的數(shù)據(jù)和細(xì)節(jié)才能夠得出結(jié)論。

博弈的終點(diǎn)會怎樣？對于人類而言，要在進(jìn)化和選擇的過程中發(fā)生結(jié)構(gòu)或生理上的變化需要數(shù)萬年；但對于小小的病毒來說，過去一年多的時間里，就足夠發(fā)生不少改變。

而在這場博弈當(dāng)中，新冠病毒正在經(jīng)歷被人類影響的自然選擇，這也是為什么大多數(shù)時候人類只會發(fā)現(xiàn)更危險的變異株。因?yàn)槟切┚邆錈o關(guān)緊要或其他功能的突變，在人類隔離、治療和疫苗的選擇壓力下會慢慢消失。

所以，這場博弈的終點(diǎn)就取決于人類能否用正確、有效的隔離阻斷病毒的傳播，藥物和疫苗研發(fā)的速度能否趕上病毒變異的腳步。

也就是人類的決心和智慧。

參考資料

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