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新冠最早测序者:去年12月前病毒或已在人群中“隐秘传播”

来源:环球时报    发布时间:2020-03-30   平平

早在2019年12月之前,新冠病毒可能已经在人群“隐秘传播”(cryptic spread)阶段发生了一些关键突变。也就是说,这种新型病毒在人群中出现的时间可能比设想的更早,甚至不一定最早出现在武汉。

上述推测结论来自两位病毒学专家:澳大利亚悉尼大学玛丽·巴希尔传染病和生物安全研究所的爱德华·霍尔姆斯(Edward C. Holmes)教授,以及中国疾控中心(CDC)传染病预防控制所研究员、复旦大学附属上海市公共卫生临床中心兼职教授张永振。当地时间3月26日,这两位“老搭档”联合在顶级学术期刊《细胞》(CELL)上发表了一篇评论“A Genomic Perspective on the Origin and Emergence of SARS-CoV-2”。

霍尔姆斯为这篇文章的通讯作者。官网简历显示,他擅长研究传染病的进化和出现,特别是RNA病毒跨越物种界限在人类和其他动物中出现的机制。他同时也是中国疾控中心的客座教授,以及复旦大学的名誉客座教授。值得一提的是,张永振和霍尔姆斯长期保持着学术合作,其合作团队在《自然》等学术期刊上发表多项成果。他们两人在多年前还到访过这场疫情的假设起源地之一——武汉华南海鲜市场。

在此次疫情尚不为外界警觉时,即2019年12月26日,张永振、霍尔姆斯等人获得了武汉中心医院一名患者的病毒样本。1月5日凌晨,研究团队从样本中检测出一种新型SARS样冠状病毒,通过高通量测序获得了该病毒的全基因组序列(GenBank:MN908947),并立即报告了相关部门。1月11日,研究团队在病毒学网站(virological.org)发布了所获得的新型冠状病毒全基因组序列,系全球最早公布该病毒序列的团队。

张永振、霍尔姆斯此次在《细胞》的这篇评论文章中,将他们对这场新疫情致病病原体的鉴定,这种新冠状病毒和其他冠状病毒的比较,以及这种人畜共患病何时在人群中悄然出现等问题,均进行了描述和分析。

他们代表了参与新冠病毒初始基因组测序工作的最早一批科学家,试图厘清其起源脉络。

一种新的病毒出现:为何传播更快?

此次疫情临床病例开始出现后,张永振等人即试图确定致病病原体的基因组序列。他们的研究对象来自2019年12月26日入住武汉中心医院的一名患者,当时已经发病6天。该患者出现发热、胸闷、咳嗽、疼痛和虚弱,伴有肺部异常提示肺炎,这些症状随后在COVID-19中很常见。

作者们在2020年1月5日获得一个完整的病毒基因组。初步分析表明,该病毒与SARS样病毒(冠状病毒科)密切相关。他们立即将这一结果报告给了相关部门,并在同一天向NCBI/GenBank提交了基因组序列(Wuhan-Hu-1毒株)。随后,在爱丁堡大学Andrew Rambaut博士的帮助下,作者们于2020年1月11日在开放获取病毒学网站(http:// virological.org/)上公布了该病毒的基因组序列。随后,中国疾控中心在公众访问GISAID数据库(https://www.gisaid.org/)发布了新冠病毒基因组序列,以及相关的流行病学数据。

截至作者们撰写这篇文章,已经有近200个新冠病毒基因组公开可用,“代表了该病毒在中国及其它地区的基因组多样性,并提供了一个可自由获取的全球资源。”这些新冠病毒基因组序列数据的发布对诊断测试、疫苗和抗病毒药物的开发来说都至关重要。

作者们提到,尽管回顾性分析已经确认在中国湖北武汉有患者早在2019年12月1日就出现了症状,但第一例新型肺炎(COVID-19)报告是在2019年12月下旬。

新冠病毒感染者的病例数量正在迅速增长并在全球范围内蔓延。然而,实际病例数很可能比报告的数字要大很多,因为非常轻微或无症状的感染者常常未被统计进去。作者们提到,这实际上显然意味着与COVID-19相关的病死率(CFR)将低于目前引用的数据。

如果不通过大规模的血清学调查,这些不确定性可能都无法解决,但当前数据很明显,COVID-19的病死率显著高于季节性流感,不过也低于两个密切相关的冠状病毒:2002年-2003年的SARS-CoV,以及自2015年以来一直存在(主要集中在阿拉伯半岛)的MERS-CoV。

然而,也有证据表明,新冠病毒比SARS-CoV和MERS-CoV更具传染性,个体在无症状或处于有症状前的潜伏期即可传播病毒。

最早的基因组序列数据清楚地表明,新冠病毒是β冠状病毒属成员,属于其中一个亚属Sarbecovirus属。初步分析显示,新冠病毒与SARS-CoV在核苷酸水平上的相似度为79%。不过,新冠病毒和SARS-CoV在刺突蛋白(S蛋白,与宿主细胞受体相互作用的关键表面糖蛋白)上仅表现出72%的核苷酸序列相似性。

作者们提到,2013年在中国云南采集的中华菊头蝠样本RaTG13和新冠病毒在核苷酸序列水平上相似性为96%。尽管存在这种序列相似性,但新冠病毒和RaTG13在许多关键的基因组特征上存在差异,其中最重要的一点是,新冠病毒包含了S蛋白S1和S2亚基交界处的一个多碱基(furin)酶切位点插入(PRRA残基)。

这种插入可能增加病毒的传染性,但在其他相关的β冠状病毒并不存在。类似的多碱基插入在其他人类冠状病毒中存在,包括HCoV-HKU1,以及在禽流感病毒的高致病性毒株中也存在。

此外,新冠病毒和RaTG13的受体结合域(RBD)也只有85%的相似性,并且在6个关键氨基酸残基中只有一个是相同的。序列和结构的比较表明,新冠病毒的RBD非常适合与人类ACE2受体结合,SARS-CoV也利用了该受体。

值得注意的是,由霍尔姆斯参与的另一项最近发表在预印本网站bioRxiv上的研究显示,中国科学院西双版纳热带植物园去年在云南的马来菊头蝠中采集到的粪便样本中新发现了一种蝙蝠冠状病毒(RmYN02)。RmYN02中也观察到S1/S2裂解位点PAA氨基酸的独立插入。

作者们认为,这些插入事件反映了正在进行的冠状病毒的自然进化。虽然RmYN02在S蛋白上与新冠病毒有相当大的差异(序列相似性大约72%),但在最长编码基因去1ab上亲缘关系最接近(核苷酸序列相似性大约97%)。

张永振等人表示,虽然SARS-CoV和MERS-CoV都与新冠病毒密切相关,并且都有蝙蝠宿主,但是这些病毒之间的生物学差异是惊人的。“如上所述,新冠病毒的传染性明显更强,导致它与SARS-CoV和MERS-CoV的流行病学动态非常不同。”

在SARS-CoV和MERS-CoV两种病毒中,病例数相对缓慢上升,MERS-CoV至今还没有能够完全适应在人类中传播:大多数病例都是由于病毒来源于阿拉伯半岛上的骆驼,并只有零星的人际传播。“相比之下,新冠病毒在当地和全球范围内的显著传播却让人大吃一惊。确定支持这种传播性的病毒学特征显然是一个优先事项。”

武汉华南海鲜市场的起源不确定性:几年前探访过市场

此前的观察显示,第一批报告的COVID-19病例和武汉的华南海鲜野生动物市场有关联。值得一提的是,张永振、霍尔姆斯等人曾在2014年亲身探访过该市场,霍尔姆斯提供的一张照片显示,当时该市场即出售野生动物。

新冠最早测序者:去年12月前病毒或已在人群中“隐秘传播”

该照片由Edward C. Holmes提供,拍摄于2014年10月,当时两位作者一起参观了市场。

他们在文章中提到,在此次疫情暴发的时候那里仍然可以买到多种哺乳动物。然而,由于并非所有的早期案例都与市场有关,新冠病毒出现的故事可能比最初推测的更为复杂。

中国疾控中心此前获得了来自该市场“环境样本”(比如物体表面)的基因组序列。系统发育分析表明,它们与从武汉最早的病人身上采集的病毒密切相关。

张永振等人表示,虽然这再次表明,华南海鲜市场在病毒出现中发挥了重要作用,但很难明确这些环境样本中的病毒来自该市场的动物还是当时已在无意中传播的人。“不幸的是,随着市场的关闭,目前明显缺乏直接的动物样本,这可能意味着很难、甚至不可能准确地识别出任何动物宿主。”

他们将COVID-19的出现和迅速传播称为“一场‘完美’的流行病学风暴”。这种具有相对高毒力的呼吸道病原体,具有跨越物种界限的不寻常本领。“事实上,流行病学建模表明,新冠病毒在武汉封城之前就已经在中国广泛传播。”

蝙蝠无疑是多种冠状病毒的重要宿主物种。尽管如此,蝙蝠在新冠病毒人畜共患病起源中的确切作用仍未确定。特别是,与新冠病毒关系最密切的蝙蝠病毒是从距离武汉1500多公里的云南省的动物身上取样获得。而来自湖北省的蝙蝠冠状病毒相对较少,其中已经测序的一些病毒与新冠病毒在系统发育树中位置相对较远。

作者们写道:由此得出的简单推论是,我们对蝙蝠病毒采样的时候对某些地理位置有强烈的偏见。这需要在今后的研究中加以纠正。

此外,尽管96%-97%的序列相似性听起来像上述一些蝙蝠病毒和新冠病毒密切相关,但事实上这可能代表了20多年的序列进化。因此,几乎可以肯定的是,更多的采样将确定更多的与新冠病毒关系更近的蝙蝠病毒。

他们强调,在未来新冠病毒溯源过程中的一个关键的问题是,来源于蝙蝠或任何其他动物物种的病毒,是否包含在新冠病毒中发现的关键的RBD突变和相同的弗林酶切位点插入。

除了蝙蝠之外,科学家也要重视中间宿主的作用。尽管蝙蝠可能是这种病毒的宿主,但它们与人类之间普遍的生态隔离使得其他哺乳动物作为“中间宿主”或“放大宿主”成为可能。在中间宿主中,新冠病毒能够获得部分或全部有效的人类传播所需的突变。在SARS和MERS事件中,果子狸和骆驼分别扮演这样的角色。

他们认为,为了确定中间宿主可能是什么,有必要对来自华南海鲜市场或生活在接近人群的动物进行更广泛的采样。

香港大学公共卫生学院新发传染病国家重点实验室管轶教授、广西医科大学胡艳玲教授的团队最近的研究成果显示,他们在走私到中国南部(广东和广西)的马来亚穿山甲中发现了与新冠病毒密切相关的病毒。“它们携带着一种和新冠病毒相关的病毒,这强烈表明,更多样的β冠状病毒存在于大自然的多种哺乳动物中,但尚未取样发现。”张永振等人表示。

新冠病毒或有过一段在人群中的“隐秘传播”阶段

值得注意的是,作者们在文章中提及,基于他们过于研究冠状病毒的经验,除了在动物宿主中发生演化外,早在2019年12月之前,病毒可能已经在人群“隐秘传播”(cryptic spread)阶段发生了一些关键突变。

具体来说,这种新型病毒在人群中出现的时间可能比设想的更早,甚至不一定是最早出现在武汉,但由于无症状感染现象而未被检测到。病毒在人传人过程中逐步演化出了关键突变,可能包括上述的RBD和弗林酶切位点插入,从而变得完全适应于人类。“直到发生了更多的肺炎病例,我们才能够通过常规监测系统发现COVID-19。”

他们认为,对呼吸道感染的回顾性血清学或宏基因组学研究将有助于确定这种情况是否正确,尽管这样的早期病例可能永远不会被发现。

另一个备受关注的问题是,新冠病毒是否是重组病毒,这种重组是否可能促进了其出现。例如,有证据表明新冠病毒、RaTG13和广东穿山甲之间存在重组,而RmYN02的基因组也同样受到重组的广泛影响。

然而,他们认为,试图确定重组事件的确切模式和基因组起源是困难的,特别是因为许多重组区域可能很小,而且随着对更多与新冠病毒相关的病毒取样,它们很可能还会发生改变。“为了解决这些问题,有必要再次对动物种群中的病毒多样性进行更广泛的采样。”

张永振等人还讨论新冠病毒目前的基因演化。新冠病毒是一种RNA病毒,相对容易发生突变,很明显病毒基因组未来会出现更多的突变,这也会帮助追踪新冠病毒的传播。“然而,随着疫情的增长,我们的序列样本量相对于病例总数可能会非常小,以至于很难追踪明确的人际传播链。”

另外,尽管冠状病毒的突变率可能比其他RNA病毒要低,但它们的长期核苷酸替换率与其他RNA病毒相同。这表明,较低的突变率在一定程度上由病毒在宿主体内的高复制率弥补了。

虽然没有证据表明这种变异的能力将导致任何表型的激进变化,例如传播性和毒力。但是,他们认为监视病毒传播过程中任何表型的变化显然是重要的。

作者们还推测,COVID-19病例数和病死率的任何下降更可能是由于人群免疫力的提高,而不是病毒的突变。

作者们最后总结道,目前,已有四种地方性的冠状病毒株在人群中流行,即229E、HKU1、NL63、OC43。“新冠病毒似乎不可避免地将成为人类中第五种地方性冠状病毒,并且目前正在一个完全易感人群中传播。”所谓的地方性疾病,指的是局限于某些特定地区内相对稳定,并长期性经常发生的疾病。

冠状病毒显然具有跨越物种界限和适应新宿主的能力,尽管与其他一些RNA病毒相比,冠状病毒为什么会有这种能力尚不清楚。“这让我们能更直接地预测,未来会出现更多的冠状病毒。”

他们提醒,至关重要的是,对动物冠状病毒的监测应不仅限于蝙蝠,因为中间宿主的作用可能非常重要,它为病毒在人类中出现提供了更直接的途径。

另外,考虑到野生动物中病毒巨大的多样性及其正在发生的进化,降低未来暴发风险的最简单和最经济有效的方法或许是,尽可能地限制接触动物病原体。

“虽然我们与动物世界的亲密关系意味着我们无法建立牢不可破的壁垒,但对非法野生动物贸易采取更强有力的行动,并将所有哺乳动物(或许还有禽类)野生动物从市场中清除出去,将提供一个重要的缓冲。”张永振等人表示。

澎湃新闻记者 贺梨萍

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