新冠待解|突變是病毒的“天性”,這會成為疫苗“剋星”嗎?
2021年01月04日18:38

原標題:新冠待解|突變是病毒的“天性”,這會成為疫苗“剋星”嗎?

人類和新冠病毒(SARS-CoV-2)較量一年之後,全球重啟的“殺手鐧”——疫苗終於來了。但與此同時,英國率先報的新冠病毒變異毒株B.1.1.7譜系(英國將其命名為“VOC 202012/01”)開始席捲歐洲,並向全球蔓延。這多少衝淡了疫苗帶來的喜悅。人們不禁擔憂:難道病毒再度快我們一步?

“從現在的情況來看,B.1.1.7對我們在研的的抗體藥物和疫苗不會產生負面影響,所以我們暫時可以鬆一口氣。”清華大學醫學院和萬科公共衛生與健康學院張林琦教授在接受澎湃新聞(www.thepaper.cn)記者採訪時如是表示。

上海複旦大學附屬華山醫院感染科主任張文宏也表示“在疫苗出來之前就發生對疫苗無效的變異可能性不大。”

張文宏解釋稱,沒有自然選擇就沒有病毒進化。同樣,沒有疫苗的壓力,也基本不能自然篩選出對疫苗無效的病毒變異株。目前疫苗會產生針對S蛋白許多區域的抗體,一個單一的突變(比如之前出現的D614G突變,和這次出現的N501Y突變)降低疫苗的效力可能性不大。

這也是目前科學界的主流觀點。當地時間2020年12月31日晚,世衛組織(WHO)正式通報了新冠病毒自出現以來的主要變異情況,包括四種變體。其中提到,2020年12月14日,英國向世衛組織報告了一種被命名為VOC 202012/01的新冠病毒變體,最初出現在英格蘭東南部。初步的流行病學研究表明,該變體具有更強的傳播力,但其導致的疾病嚴重程度(以住院時間和28天死亡率評估)及再感染情況並沒有變化,大多數診斷工具不受影響。

不過,道高一尺,魔高一丈,隨著疫苗的大面積接種,新冠病毒可能會在中和抗體的壓力之下突變,從而逃脫免疫。複旦大學病原微生物研究所所長薑世勃接受澎湃新聞(www.thepaper.cn)採訪時表示,“新冠病毒作為一種RNA病毒,較易發生變異,大規模接種COVID-19疫苗可能進一步對病毒施加選擇壓力,使其進化為疫苗耐藥毒株。”

全球首個揭示新冠病毒全病毒三維精細結構及核糖核蛋白復合物的分子組裝。圖片來源:浙江大學醫學院附屬第一醫院傳染病診治國家重點實驗室李蘭娟院士等人論文“Molecular architecture of the SARS-CoV-2 virus”。

變異:RNA病毒“天性”

截至2020年12月30日,世衛組織六個區域中已有五個區域的其他31個國家和地區發現了新冠B.1.1.7變體。

新冠病毒是β冠狀病毒屬成員,屬於其中一個亞屬Sarbecovirus屬,其基因組序列是具有29903個堿基的正鏈RNA(ss-RNA)。

病毒依賴於宿主實現其增殖與傳播。病毒首先入侵宿主細胞,在被感染細胞內實現病毒基因組的複製,進而產生病毒基因組的大量拷貝,用於生成新的子代病毒,再對新的宿主細胞進行感染。

根據美國病毒學家、諾貝爾生理學或醫學獎得主David Baltimore提出的病毒分類,包括新冠病毒在內的冠狀病毒屬於正鏈RNA病毒,也就是說病毒的基因組RNA可以直接作為mRNA進行病毒蛋白質的翻譯合成,病毒基因組先合成出負鏈RNA,再以其為模板合成出子代的正鏈基因組RNA。

值得一提的是,病毒聚合酶(polymerase)在病毒基因組複製和轉錄中起核心作用,RNA病毒則利用RNA依賴性RNA聚合酶(RdRp)複製和轉錄其基因組。而RNA容易突變的原因即在於RdRp不具有核酸酶校對活性,因此其基因組在複製過程中核苷酸的錯配率就比較高。

近日在北京舉行的2020未來科學大獎周“病毒與人類健康”主題論壇上,中國醫學科學院-北京協和醫學院副院長王健偉針對病毒的變異也作出類似解釋,“這個聚合酶沒有校錯的能力,所以它會產生很多的錯誤,使得病毒存在多樣性。”

在前後兩任中科院武漢病毒研究所所長胡誌紅、陳新文主編的《普通病毒學》一書中,病毒的突變率通常定義為在病毒的每個複製週期中,病毒子代基因組中產生核苷酸突變的平均數。他們提到,與其他生物體相比較,病毒具有很高的突變率。一般來說,RNA病毒每10^3-10^7個核苷酸中就會出現一個錯誤堿基,而DNA病毒突變率相對較低,沒10^9-10^10個核苷酸會發生一次這樣的錯誤。

實際上,作為RNA(核糖核酸)病毒中的一種,人們對新冠病毒的突變無需感到驚訝,“它自己在複製過程中的複製機器就沒有像人類基因複製那麼準確,這是RNA病毒的一種‘天性’。”張林琦表示。

值得注意的是,和新冠病毒一樣,愛滋病毒(HIV)也屬於RNA病毒,但其屬於RNA病毒中突變率更高的逆轉錄病毒。正因如此,在此次COVID-19大流行中,出於對病毒突變的高度敏感性,全球知名的愛滋病毒研究團隊更早監測起新冠病毒在發生什麼變化。

知名的美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室(Los Alamos National Laboratory)在疫情發生後不久即開始追蹤新冠病毒的突變。洛斯阿拉莫斯國家實驗室的計算生物學家Bette Korber,此前主要研究愛滋病病毒的分子生物學和種群遺傳學,為獲得有效的愛滋病毒疫苗作出了重大貢獻。在COVID-19疫情後不久,她即率領團隊和其他實驗室合作,2020年4月,這支研究團隊率先在預印本平台bioRxiv發表研究,報告早在2個月之前即發現D614G突變病毒(刺突蛋白上第614位氨基酸由天冬氨酸(D)變成了甘氨酸(G)),該毒株最終席捲全球。

Korber等人最終於2020年7月經同行評議正式發表在頂級學術期刊《細胞》(Cell)上的研究顯示,攜帶S蛋白D614G的SARS-CoV-2突變株已成為全球大流行中最普遍的形式,相比突變前,更高的病毒載量提示D614G突變病毒和患者上呼吸道病毒核酸水平較高相關。但論文同時指出,“我們發現D614G和疾病嚴重程度之間沒有顯著關聯。”

這次新發現的B.1.1.7突變毒株目前看起來有著類似結論。英國公共衛生部(Public Health England)於2020年12月30日公佈的一項研究顯示,雖然這一突變毒株在英國迅速傳播,但似乎不會導致更嚴重的疾病。英國公共衛生部高級醫學顧問Susan Hopkins進行了這項研究,她說,“這表明這種新的變異不會導致更嚴重的疾病或增加死亡率,但我們正在繼續調查以更好地瞭解這一點。”

但科學家們同樣強調,對新冠病毒的長期監測是一項必不可少的工作。“什麼時候病毒變得完全逃離了這些潛在藥物和疫苗的作用,這還需要長期的觀察。”張林琦對澎湃新聞(www.thepaper.cn)表示。

新冠突變速度約為流感病毒的1/2,愛滋病毒的1/4

除研究新冠病毒在內的新發突發高致病性病毒外,張林琦長期重點研究愛滋病的致病機理,並研發抗病毒藥物、抗體和疫苗。

張林琦對澎湃新聞記者表示,“從現在看,相比愛滋病毒和流感病毒,新冠病毒的突變率是相對比較低的。”有研究顯示,典型的新冠病毒每月在其基因組中只積累兩個單堿基突變,其突變速度約為流感病毒的1/2,愛滋病毒的1/4。

倫敦大學學院計算遺傳學家Lucy Van Dorp在2020年9月曾對《自然》雜誌表示,從世界上任何地方收集兩種新冠病毒,在29903個RNA堿基中平均只有10個不同。

在張林琦看來,我們看到病毒突變的原因至少有兩個方面。“一個是它自己在複製過程中的複製機器就沒有像人類基因複製那麼準確,所以它是一種天性,這是RNA病毒的一種天性;另外就是它複製出來的這些突變經過我們人體的選擇之後才能被我們呈現和檢測到。”

實際上,B.1.1.7突變毒株並非首次引發外界關注的新冠病毒突變。上述世衛組織的通報中顯示,2020年1月底至2月初,新冠病毒出現D614G突變,隨後逐漸取代了最初發現的毒株。到2020年6月,該變體成為全球範圍內主要傳播的新冠病毒類型。

SARS-CoV-2 的潛在中間宿主。圖片來源:中科院微生物所。
SARS-CoV-2 的潛在中間宿主。圖片來源:中科院微生物所。

2020年8至9月,丹麥發現一種與水貂相關的新冠病毒變體,被丹麥相關部門命名為“Cluster 5”,具有此前未曾觀察到的變異。根據丹麥進行的初步研究,令人擔憂的是,該變體可能減少自然感染或接種疫苗後所產生的免疫保護的範圍和持續時間,相關評估仍在進行。但目前丹麥僅在9月發現了12例人體感染此變體的病例,該變體似乎並未廣泛傳播。

而在英國報告突變毒株之後,2020年12月18日,南非檢測到一種新冠病毒變體,出現了N501Y突變,南非將其命名為501Y.V2變體,該變體正在南非三個省中迅速傳播。儘管此前英國發現的變異新冠病毒也有N501Y突變,但分析表明其與南非發現的變異新冠病毒是不同的變體。截至2020年12月30日,南非以外已有四個國家發現了該變體。

突變意味著什麼?

突變是一件必然發生的事情,對科學家而言,他們更關心的是新冠病毒的突變對疾病和這場疫情的走向產生什麼影響?科學家總是在嚐試讀懂這些突變,但分析突變影響的速度總是比發現突變的速度慢很多。

著名病毒進化學家、美國斯克里普研究院Kristian Andersen副教授從早期疫情暴發到持續的大流行,就一直在密切關注新冠病毒的基因組。澎湃新聞(www.thepaper.cn)記者2020年11月參加了一場學術會議,他表示實際上新冠病毒個體的變異是比較低的,有部分觀點認為它的演化是比較慢的,“但問題是它可以在宿主之間進行重組,最後導致其演化速度越來越快,我認為從某些方面看它變異是低的,但從另外一些方面看它變異又是高的。”

S蛋白D614G突變被認為是適應性成功的典範,它仍是目前全球大流行的主導毒株。但在Korber等人公佈結論時,仍引發了領域內科學家的廣泛討論,在預印本發表之際,即有質疑者提出,現在就判斷任何一種毒株更具傳染性都為時過早。

一些人甚至提出,D614G突變病毒株之所以傳播得如此之深遠和廣泛,是因為它恰好感染了在大流行最初階段沒有採取措施的地區。或許研究者還需要做更多的工作來確定是否有任何毒株比其他毒株更具傳染性,以及確定病毒的變異速度是否可能超過疫苗的研發速度。

就在Korber等人將研究成果經同行評議後發表在《細胞》時,來自耶魯大學公共衛生學院、哈佛大學公共衛生學院、哥倫比亞梅爾曼公共衛生學院的三位學者也同期在《細胞》雜誌則發表了另一篇文章,對這項研究作出點評。這三位學者提到,Korber等人的新研究是這場爭論的核心。“他們提供了令人信服的數據,表明大流行早期出現病毒S蛋白D614G出現了氨基酸變化,而攜帶G614的病毒現在在世界各地佔據主導地位。”但他們提出,關鍵的問題是:這是否是自然選擇的結果,以及這對COVID-19大流行意味著什麼?

對於最新引發擔憂的B.1.1.7突變毒株,科學界的態度基本和此前類似:密切關注,但謹慎看待突變帶來的影響。

薑世勃在接受澎湃新聞(www.thepaper.cn)記者採訪時表示,由於B.1.1.7譜系包含的突變可能對病毒的傳播性、致病性和/或毒力有一定程度的影響,目前有3個主要的問題需要研究與解決:

第一,確定B.1.1.7是否比野生型新冠病毒有更高的致病性和毒力?目前B.1.1.7在英國的快速傳播是否和其傳播性變化有關?

第二,我們需要檢測這些突變株對已經緊急使用和還在臨床試驗中的疫苗及抗體的敏感性。

第三,全球應密切地監控現在正在發生突變或未來可能會發生的重大突變,提前做好應對準備。

根據愛丁堡大學的Andrew Rambaut、伯明翰大學的Nick Loman、格拉斯哥大學病毒研究中心David L Robertson等10位科學家代表英國COVID-19基因組學聯盟(CoG-UK)在病毒學網站(virological.org)上傳的新突變株序列及相關分析和結論,最早的2個B.1.1.7譜系的基因組樣本於2020年9月20日在肯特郡採集,另一個於2020年9月21日在大倫敦採集。截至2020年12月15日,屬於B.1.1.7譜系的有1623個基因組。在這些基因組中,519人在大倫敦,555人在肯特,545人在包括蘇格蘭和威爾士在內的英國其他地區,還有4人在其他國家。

這10位科學家提到,B.1.1.7譜系是在D614G突變株基礎上發生突變,但其攜帶異常多的病毒基因變化。該毒株有23個特殊的突變,包括14個非同義突變(氨基酸改變)、3個缺失,此外還有6個同義突變(非氨基酸改變)。這是迄今為止首次在一個毒株上出現如此多的變異。

值得一提的是,B.1.1.7譜系的異常大量突變,其中有8個發生在“皇冠”刺突蛋白中,包括69-70缺失、145缺失及N501Y、A570D、D614G、P681H、T716I、S982A、D1118H突變。刺突蛋白負責與受體結合入侵宿主細胞,被比作是最關鍵的入侵“鑰匙”。

B.1.1.7譜系的異常大量突變。

Robertson等人寫道,其中3個突變具有潛在的生物學效應,這些效應之前也也被描述過。第一,N501Y突變是受體結合域(RBD)內6個關鍵接觸殘基之一,已被鑒定為增加與人和鼠ACE2的結合親和力。科學家也據此推測,B.1.1.7毒株傳染性提高70%,極有可能與N501Y突變有關。

第二,69-70缺失,這會導致刺突蛋白69-70位的兩個氨基酸缺失,這一突變是在刺突蛋白N端區域觀察到的缺失之一,在多個RBD相關突變譜系中發現。例如,丹麥水貂突變體中同樣存在69-70缺失。研究發現,這種突變可能有利於病毒逃逸宿主的免疫反應,或有利於病毒逃逸宿主的免疫反應。

第三,P681H突變緊鄰furin裂解位點,這是一個已知的具有生物學意義的位點。此前的研究顯示,新冠病毒的S1/S2 furin裂解位點在其他密切相關的冠狀病毒中並未發現,被認為可促進病毒進入呼吸道上皮細胞並在動物模型中傳播,這也被認為是新冠病毒傳播性更強的關鍵。

瞭解突變信息後不難發現,相比D614G的單堿基突變,B.1.1.7毒株的突變更像是一場多重效應的“大雜燴”,這會不會促使毒株發生系統性變化?

前述英國公共衛生部的研究顯示,研究人員將1769名感染了這種新型病毒的人與1769名感染了野生型病毒的人進行了比較。受試者的年齡、性別、居住地和測試時間匹配。有42人被送進醫院,其中16人攜帶新的變種病毒,26人攜帶野生型病毒。12例變異病例和10例比較病例在檢測的四周內死亡。研究認為,B.1.1.7變異毒株和野生型毒株的住院和死亡率的差異均無統計學意義。

研究人員還研究了可能的二次感染, 在初次感染後至少90天,變異組中只有2例二次感染,而比較組中有3例。

不過,研究人員也證實,B.1.1.7突變毒株比野生型更具傳染性。在對英國國家醫療服務體系(NHS Test and Trace)的數據進行的另一項分析中,他們發現,與攜帶這種新型病毒的人接觸過的人中,有15%感染了病毒,相比之下,與攜帶野生型病毒的人接觸過的人中,只有10%感染了病毒。

伯明翰大學的另一項研究也證實了之前的科學建議,即B.1.1.7會導致上呼吸道中病毒載量更高,該研究尚未經同行評閱。該研究發現,在感染了這種新變種的患者中,有35%的測試樣本中病毒載量非常高,而在沒有這種變種的患者中,這一比例為10%。

張林琦對澎湃新聞(www.thepaper.cn)記者表示,這些突變株從現在的情況來看沒有增強致病性的現象,但可能增加了傳播的能力,“我們不能低估潛在的風險,所以對這類病毒進行持續性的監測、基因的分析和毒力的監測。”

疫苗還能終結疫情嗎?

全球的實驗室仍在繼續研究病毒突變對傳播和致病性產生的影響,與此同時,外界需要迫切瞭解的是:現行臨床使用或在研的藥物和疫苗還有效嗎?

Andersen在前述學術會議上即強調,“我們需要意識到,一些疫苗在選擇病毒的時候可能會出現意外。”Andersen當時以水貂來舉例,“病毒傳播到水貂之後,很快就適應並演化。”

在上述學術會議上,澳州墨爾本大學Kanta Subbarao教授也從Andersen談及的病毒變異角度談及疫苗。她當時表示,從流感疫苗來看,選擇毒株很重要,“新冠疫苗目前還是一個挑戰,我們面臨很大的壓力。”她建議,在進行全球病毒監測和全球流感監測的同時,應同時有平行體系來監測冠狀病毒的進化,“然後才能生產出最先進的及時的疫苗。”

但也有學者認為不必過分擔憂。在D614G突變毒株廣泛討論之際,哈佛大學陳曾熙公共衛生學院的Bill Hanage博士就表示,單點突變不太可能產生重大影響。Hanage寫道,重要的是要記住,任何藥物或疫苗都要經過測試,以對抗正在傳播的任何一種病毒。“病毒能這麼早地在所有這些疫苗上找到逃逸突變,那就太幸運了。”

張琳琦對澎湃新聞(www.thepaper.cn)記者表示,“從我們現在有的一些抗體藥物和疫苗誘導出的免疫反應,都對這些突變株維持很高的抗病毒能力,所以大家不用特別的擔心。”但他同時強調,“當然什麼時候病毒變得完全逃離了這些潛在藥物和疫苗的作用,這還需要長期的觀察。”

中國科學院微生物研究所研究員嚴景華在上述2020未來科學大獎周“病毒與人類健康”主題論壇上表示,可能很多人都在關心,病毒很容易變,疫苗現在研發的到底行不行?“至少從目前來講,儘管新冠病毒也是RNA病毒,但現在通過滅活病毒免疫出來的抗體,對於不管是最早的病毒,還是現在在歐洲、美洲流行的病毒,它們都是可以中和的,至少現在是這樣。”

她提到,至於說幾年以後有沒有突變的更多?“可能要等到幾年以後才有結論。”

複旦大學附屬華山醫院感染科主任張文宏則認為現在談變異對疫苗的逃避還為時尚早。他在上述主題論壇上表示,“我個人認為,在疫苗出來之前,血清型出現漂移的概率是比較低的。到目前才有幾個月的時間,沒有任何選擇性壓力、沒有形成人群的免疫之前,這個血清型是不會改變的,這種血清型的改變一定是要人群當中出現了大量的群體免疫之後,才會造成血清型的漂移。”

他還提到,“血清型漂移之後,也未必導致疫苗接種無效。”張文宏強調,“疫苗還沒有出來,我們老是談變異對疫苗的逃避,我覺得毫無意義。”

有科學家也持同樣的觀點,在這個地球上幾乎每個人都易受感染的時候,病毒可能沒有什麼使自己變得更易傳播的進化壓力,因此,即使是潛在有利的突變也可能不會迅速發展。Hanage認為,“就病毒而言,接觸到的每個人都是一塊‘好肉’,沒有比這個更好的選擇了。”

張文宏同時表示,疫苗出來以後,談選擇性壓力下的疫苗漂移,“我覺得這點意義才比較重大。”

但值得注意的是,疫苗也並非脆弱得不堪一擊,就像人體的自然免疫反應一樣,疫苗往往會誘導一系列的抗體。國藥集團中國生物技術股份有限公司董事長楊曉明在前述主題論壇提到這一問題,“現在做出來的疫苗,不同的工業路線都有不同的特點。舉個例子,病毒滅活疫苗,全病毒滅活以後作為抗原做的,抗原相對完善,蛋白重組疫苗,是要選擇高發的、非常有用的表位去做疫苗,還有mRNA疫苗,這些疫苗的工藝路線不一樣,特性各有千秋。”

楊曉明表示,從廣譜覆蓋來講,變異有從基因型上變異的,也有從表型上變異的,到現在我們發現的在國內分析到的病毒,大概不同地區十幾株不同的病毒株都可以中和,“說明目前的變異不足以導致現在做出來的疫苗無效。”

相比疫苗,科學家們更擔心,如果不明智地使用抗體療法,突變可能變得更加常見,因此抗體“雞尾酒”療法可能會減少這種突變幾率。此前,軍事醫學科學院陳薇院士等人也都嚐試在新冠康復患者的血漿漿中分離並鑒定新的單複製抗體(mAbs),以期助力“雞尾酒”療法,避免將來的病毒逃逸突變。

中國疾控中心主任、中科院院士高福團隊也在尋找有效的中和抗體。2020年5月,澎湃新聞(www.thepaper.cn)記者曾報導了高福等人發表的一項研究,他們從一名中國康復患者中分離出四種人源單複製抗體,在體外均顯示中和能力,其中2種抗體尤其具有潛力。

高福等人在論文中同樣寫道,“雞尾酒”抗體應考慮作為一種替代治療策略,以避免潛在的逃逸突變。“隨著新冠疫情的持續蔓延,對病毒RBD蛋白表位的鑒定至關重要,這將為開發疫苗提供有價值的信息。此外,針對錶位的中和抗體的分子特徵有助於小分子或肽藥物/抑製劑的開發。”

張林琦對澎湃新聞(www.thepaper.cn)記者總結其眼下觀點為,“從我們現在的狀態來說,應該戰略上藐視這些突變,但是戰術上一定要重視這些突變,對它的傳播效率、致病性以及我們手中的抗病毒抗體和疫苗的有效性方面,我們要隨時進行評估,也許將來需要進行調整。”

薑世勃也同樣強調,“提前開發出高效、廣譜、安全的抗冠狀病毒疫苗、抗體和藥物是應對病毒突變和新髮冠狀病毒疫情的最佳策略。”

世衛組織方面表示,如果病毒變化很大,病毒變體與疫苗或檢測試劑所針對的病毒已不同,就可能會影響疫苗和診斷試劑效果。世衛組織及其專家網絡正在監測SARS-CoV-2的變化,以便在出現這種情況時採取措施,防止此種變體的傳播。“到目前為止,SARS-CoV-2的變化很小,對目前正在開發的診斷工具、治療方法和疫苗沒有影響。”

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