中疾控等重磅研究揭示新冠病毒演变:突变如何显著增强传染力

关键词:病毒,2019,研究,冠状
2020-03-03 22:32:01    澎湃新闻

当地时间3月2日,中国医学科学院北京协和医院、中国疾控中心、加州大学洛杉矶分校、匹兹堡大学、湖南大学五家合作单位的研究人员共同在生物科学预印本网站bioRxiv在线发表了一项针对新冠病毒演化过程中的突变、重组和插入的重磅研究(“Mutations, Recombination and Insertion in the Evolution of 2019-nCoV”)。

研究通过分析病毒的突变,解释新冠病毒为何传染性能得到显著增强

团队还进一步估计,大多数人类新冠病毒(2019-nCoV)和蝙蝠RaTG13病毒蛋白之间的差异发生在2005年至2012年之间 ,而人类SARS病毒和蝙蝠SARS样冠状病毒之间的差异发生在1990至2002年之间

而除了点突变外,他们认为还有潜在的证据表明重组也是2019-nCoV进化的机制。他们的结果表明,2019-nCoV的S蛋白可能从穿山甲冠状病毒衍生出来,而不是蝙蝠冠状病毒RaTG13。而在2019- nCoV 的进化过程中,RaTG13样冠状病毒和穿山甲样冠状病毒病毒株之间可能发生了重组

该论文通讯作者为中国疾控中心病毒病预防控制所党委书记武桂珍,中国疾控中心病毒病预防控制所研究员谭文杰,中国医学科学院生物医学大数据中心主任、苏州系统医学研究所所长助理蒋太交,加州大学洛杉矶分校微生物与免疫遗传学系教授程根宏。

研究团队收集并分析了120个2019-nCoV基因组序列,包括11个来自中国患者的新基因组。他们发现,尽管2019-nCoV、人和蝙蝠SARS-CoV(严重急性呼吸综合征冠状病毒)在整体基因组结构中具有高度同源性,但它们通过受体结合域中(RBD)的潜在重组,演变成具有不同受体进入特性的两组病毒。

研究团队发现,2019-nCoV在刺突蛋白(S蛋白)的S1和S2结构域之间存在独特的四个氨基酸插入(PRRA),它可能是一个弗林(Fruin)或TMPRSS2(跨膜丝氨酸蛋白酶2)酶切位点。而此前的研究表明,冠状病毒可能发生蛋白酶裂解,从而触发病毒-细胞膜之间的融合。这种启动和触发融合机制的灵活性极大地调节了不同冠状病毒的致病性和趋向性。

研究团队提出,RBD的潜在重组,以及独特的弗林蛋白酶切位点的存在,可以解释新冠病毒传染性的显著增加。

当前,2019-nCoV在全球已经导致超过77000人感染、2400人死亡(截至论文提交),其基因组在系统发育上与蝙蝠SARS病毒RaTG13株最相似,该病毒株于2013年在中国云南被首次分离。

研究人员表示,截至目前已经有很多针对新冠病毒的研究,但导致这种病毒感染和分子进化的机制仍不清楚,这项研究揭示了乙类冠状病毒的进化、特异性、以及增强感染力的可能机制,为2019-nCoV的进化和传播提供了全面的见解。

他们认为,利用从不同地点、不同时间点的患者身上分离到的2019-nCoV毒株进一步追踪基因组突变,将为理解这种快速传播病毒的分子进化提供思路。

2019-nCoV传播中发生的突变

研究团队将2019-nCoV的感染率与最近暴发的β冠状病毒,即2002年的SARS病毒和2012年的MERS(中东呼吸综合征)病毒的感染率进行了比较。

中疾控等重磅研究揭示新冠病毒演变:突变如何显著增强传染力

与SARS和MERS相比,2019-nCoV的传播速度要快得多。迄今为止,已确认的2019-nCoV病例比2002年整个SARS暴发期间的病例要多。

在过去的18年中,科学家发表了很多冠状病毒的基因序列,其中包括2002年SARS暴发期间从不同国家分离出的SARS病毒株,从沙特阿拉伯和阿拉伯联合酋长国等中东国家也分离出很多MERS病毒株。

研究团队这次从包括武汉在内的多个中国城市的新患者中收集并测序了11条全长2019-nCoV基因组序列。

系统发育分析表明,与人类SARS、MERS和其他冠状病毒相比,这11个新的2019-nCoV病毒株与其他2019-nCoV病毒株类似,它们与蝙蝠冠状病毒RaTG13病毒株同源性更高。

在氨基酸水平上,它们只在与人类和蝙蝠SARS中相应氨基酸序列相同的一致序列位置上有少量随机突变。

为了鉴定新的遗传突变,研究人员使用新冠病毒株EPI_ISL_402125作为根,为GIAID(全球共享禽流感数据倡议组织)中的所有120个新冠病毒的可用完整基因组构建了系统树(更新至2020年2月18日)。

研究团队发现,根据核苷酸位置8517和27641,2019-nCoV病毒株可分为两个主要类别。

中疾控等重磅研究揭示新冠病毒演变:突变如何显著增强传染力

120个2019-nCoV全长基因组的序列比对,包括11个新的基因组(以星号突出显示),G1和G2分别用红色和蓝色标记

第1组(G1)的所有病毒株在8517的位置有胸腺嘧啶,在27641位置有胞嘧啶,这与SARS中相应的核苷酸表现相同;而第2组(G2)则相反,在8517有胞嘧啶,在27641则有胸腺嘧啶。

以上两组病毒的流行病学数据显示,最早的G1病毒株(EPI_ISL_406801)于2020年1月5日在武汉被收集,而最早的G2株则于2019年12月24日在武汉被分离得到。

上述两组基因群在同一城市中的存在表明它们是共循环的,但是在疫情暴发早期它们的进化是趋同的。在每个组中,研究人员还观察到了多个病毒株的其他共有突变。

基于这些潜在的可遗传突变以及识别时间和位置,研究人员生成了一个“突变树”图,以跟踪单个共享突变并显示不同分离株之间的关系。

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例如,今年1月10日至1月15日在广东省识别出的5个病毒株属于上述第1组病毒,它们在核苷酸位置28578上均有相同的突变,这表明它们可能是由同一人传播的。类似的病毒可能传播给了1月29-1月31日在日本发现的3例病例,它们的病毒在2397核苷酸位置有额外突变,这一类似病毒可能也传播给了1月22日在美国发现的1例病例,这例病例的病毒在10818核苷酸位置有一个额外突变。

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