震惊：新冠病毒或在人群中潜伏进化了7年

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Nature

6月18日意大利的国家高等卫生研究院在官网发布报告指出，在去年12月米兰和都灵以及今年1月博洛尼亚的废水样本中检测出了新冠病毒的遗传物质。

随后，西班牙也从废水中检测出新冠病毒，时间居然可追溯到去年3月。据新华社6月28日报道，巴塞罗那大学肠道病毒小组的研究人员对当地2018和2019年的废水样本做了检测，结果发现在去年3月12日采集的废水中已有新冠病毒的踪迹，但病毒水平非常低，其他所有样本的检测结果均为阴性。


巴塞罗那在2019年3月12日采集的废水中检测出新冠病毒Sentinel surveillance of SARS-CoV-2 in wastewater anticipates the occurrence of COVID-19 cases.doi: https://doi.org/10.1101/2020.06.13.20129627

领导该研究小组的生物学教授阿尔韦特·博什认为，虽然样本已用尽，不可重复实验，但他们在操作过程中避免了交叉感染的可能性，因此这一研究结果表明世界其他地区很可能也发生了类似情况，即许多新冠病例或因被误诊为流感病例而被掩盖。


目前美国、荷兰等国也在开展这类研究，以期追溯病毒可能的流行时间，并探索废水定点监测在应对流行病中的价值。

而近期一项针对新冠病毒的系统发育分析在S蛋白进化角度提示我们，新冠病毒可能已经在人群中发展进化了至少7年。

作为百年一遇的大流行病，新冠以高传染性“突然”出现。以前的系统发育分析显示，其已知的最接近的进化亲属是一种从蝙蝠中分离出来的病毒(RaTG13)，因此人们普遍认为新冠病毒也是从人畜共患病的祖先病毒进化而来，并通过基因突变[可能是在Spike蛋白受体结合域（RBD）中]后具备感染人类的能力。

那么新型病毒究竟具体是在何时获得识别、结合并首次进入人体细胞的能力的？

加拿大卡尔加里大学（University of Calgary）的研究人员在2020年6月22日发表在预印本服务器bioRxiv*上的一项新研究中讨论了这个问题。


doi: https://doi.org/10.1101/2020.06.22.165787

研究人员使用详细的系统发育分析、祖先序列重建和分子动力学模型来研究新冠病毒Spike-RBD尖峰蛋白的功能进化，以确认Spike-RBD尖峰蛋白变体与ACE2受体亲和力的起源。

结果显示，初步的系统发育分析与之前的研究保持了一致——该病毒与蝙蝠冠状病毒（RaTG13）基因组相似度为96%，与穿山甲-CoV基因组相似度为90%。


新冠病毒与RaTG13基因组（96.0%序列同一性）和穿山甲-CoV基因组（90.0%序列同一性）水平相似

研究对2019年12月30日至2020年3月20日收集的479个新冠病毒序列进行更详细的分析，结果发现16个变体。其中，有11个是发生在5%或更多病例中的错义突变，而且每个变体都有自己的系统发育路线。


新冠病毒基因组变异频率

然后，研究人员试图重建Spike-RBD区域的祖先序列，这样他们就可以确定具体驱动其最近适应人类宿主的重要突变。他们重建了所有感染人类的病毒株的共同祖先Spike-RBD序列，称为N1，将与其最接近的动物病毒RaTG13的共同祖先标记为N0。N1与新冠参考序列中的Spike-RBD相同，而N0的Spike-RBD序列是唯一的，反映了新冠病毒来源的独特性。



Spike-RBD氨基酸序列的祖先序列重建

两者在4个位点上有所不同，分别是t346R、t372A、h/y498Q和n519H，这四个变化将进化的新冠病毒Spike蛋白与和RaTG13的共同祖先区分开来，而这个祖先病毒至少在2013年就已经存在了（其后代RaTG13在那一年被分离出来），这意味着N0和N1之间至少涵盖了7年的分子进化。

N0和当前Spike-RBD序列的功能差异是什么？研究人员从X射线晶体结构入手，对Spike-RBD-hACE2复合物进行了模拟实验，显示当N0变为N1时，该复合物的自由结合能下降。因此，N0变为N1实际上降低了Spike-RBD结合ACE2受体的亲和力。


SARS-CoV-2 Spike-RBD功能进化的特征

这表明，N0株出乎意料地比N1株具有更大的结合亲和力。那么为什么直到最近才作为一个公共卫生问题出现？一种可能是，Spike-RBD虽能与ACE2受体结合，但可能需要其他分子成分帮助获得新的功能后，才能感染人类。第二种可能是，这种病毒可能在过去较长的时间内都能感染人体细胞，但其祖先形式要么导致的临床症状不那么明显，要么其传染性要小得多（只影响少数人），无论哪种情况，都逃脱了公共卫生系统的监测，而西班牙、意大利的污水检测的结果似乎支持这种说法。

这是第一个表明新冠病毒和RaTG13的共同祖先都具有与人类ACE2受体结合能力的研究。这提示新冠Spike-RBD似乎并不是最近才进化出与人类受体蛋白结合的亲和力，这种功能似乎一直是潜伏的，这就表明这种疾病的进化比预期的要复杂。未来在理想情况下，可以构建组合库，并对其进行功能筛选，以便更详细地了解这种病毒最近演变的分子机制。
目前的新冠大流行显示了病毒学的巨大未知性，它继续挑战着人类面对新冠病原体时保持健康的能力。病毒溯源可以让我们认清一种病毒如何在进化过程中逐渐感染人类，为人类预防、对抗病毒感染提供证据，虽然困难重重，但这对人类健康至关重要。