一图读懂:新冠毒株三年演化史

近日饶毅就新冠病毒是否一定会越变越弱发出质疑!当前放开的趋势下,新冠病毒如何如何进化关系到了每一个人的健康!

RNA病毒是迅速发展的病原体,可以在相对较短的时间内积累大量的遗传多样性。这主要是由于它们的高核苷酸突变率。随着感染人数爆发性增加,新冠病毒快速发展出了许多不同的株系。探明病毒的谱系发生历史,对不同的毒株进行分型,结合流行病学及临床数据揭示新冠病毒的变异规律,对疫情的防控尤为重要。

在过去三年中,世界各地的科学家完成了一千多万条高质量的新冠病毒(SARS-CoV-2)基因组序列。SARS-CoV-2完整基因组的数量超过了所有其他病毒完整基因组的总数。这些基因组极好地记录了SARS-CoV-2在人类宿主中的进化历程,是研究病毒突变特征和进化规律的最好材料。

随着新冠病毒基因组序列迅速积累,人们检测到并发表了成千上万的基因组变异,出现了许多值得进一步标记的亚型,大量相似的病毒序列对SARS-CoV-2基因组系统发育的可靠推断提出了重大挑战,急需对这些新出现的变异进行梳理与描述,更加精细化地展示新冠病毒在人群中的演变轨迹。近日,霍华德·休斯医学研究所Jesse D. Bloom研究组在bioRxiv平台上发表了一篇名为“Evolution of the SARS-CoV-2 mutational spectrum”的研究文章,研究人员分析了SARS-CoV-2的突变谱,发现奥密克戎正在回到更类似于蝙蝠冠状病毒的突变谱。通过观察其他冠状病毒的进化,或许可以发现新冠病毒的进化趋势!

SARS-CoV-2的不同分支具有不同的突变谱

之前对SARS-CoV-2突变率的分析通常关注所有核苷酸突变。然而,病毒基因组中的许多位点都受到强大的功能选择,因此这些位点的突变模式代表了突变和选择的共同作用。因此,作者的分析只集中在四倍简并位点(如果密码子的第三个位点无论是哪种核苷酸,均编码同样的氨基酸,则称这个位点为四倍简并位点)。较多的基因对数存在4倍简并位点,说明基因组多样性较多,可能此刻发生了物种分化或者基因组复制。SARS-CoV-2基因组有约4,240个这样的位点(不同病毒进化枝的确切数量略有不同),作者将分析限于这些位点有至少5,000个突变的进化枝。

在中性进化下,位点特异性同义 (dS) 和非同义 (dN) 取代率ω(即 dN/dS)被期望为1。病毒不同分支的四倍简并位点突变谱有明显差异。差异最大的是奥密克戎分支与其他所有分支之间的差异,但Delta分支也表现出独特的模式。奥密克戎和其他分支之间的最大差异是G→T突变率降低了大约1倍,Delta的C→T突变率也明显降低。发生率较低的其他一些类型的突变也在进化枝之间显示出显著差异,作者证实了之前的发现,发生率最高的两种突变类型是C→T转换和G→T颠换。

一图读懂:新冠毒株三年演化史

突变谱具有G→T突变以外的系统发育信号

比较各分支之间的系统发育距离和相对突变率的差异,结果表明,相对突变率确实与各分支之间的系统发育距离显著相关。即使排除了G→T突变,或者仅分析了奥密克戎或非奥密克戎分支,相关性仍然显著。这些结果表明,突变谱的演变不仅仅是G→T突变发生频率的变化。

在奥密克戎中观察到的G→T突变比例减少,可能是由于这一谱系的G→T突变绝对比例降低了1倍,如果所有其他突变率保持近似恒定,这意味着总体奥密克戎突变率比非奥密克戎谱系的突变率低约7%。也可能出现更复杂的情况,例如奥密克戎中所有非G→T突变类型的发生率增加,或者不同突变类型的代偿性增加和减少,从而使总体发生率保持不变。在非G→T突变的突变谱中存在的系统发育信号提示,多种突变类型的发生率可能随时间发生变化,但这些变化并不一定意味着SARS-CoV-2总体突变率发生可检测的变化

SARS-CoV-2的突变谱与其他Sarbecovirus的突变谱越来越相似

一图读懂:新冠毒株三年演化史

总结与展望

阐明新冠病毒的突变谱变化趋势对疫情防控和疫苗研发具有重大意义,以流感为例,世界卫生组织每年都要在世界各地开展流感监测,预测下一流行季的病毒型别,以指导疫苗生产企业选择疫苗病毒株,并支持各国制定预防和控制战略,本研究发现新冠病毒具有重新回归其他Sarbecovirus冠状病毒突变谱的趋势,对加强国家、区域和全球新冠应对能力(包括诊断、抗病毒药物易感性监测、疫苗研发)具有重要意义。

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