突变,适应和病毒基因组 – 大众入门科普
Bill Hanage and Xueting Qiu
Center for Communicable Disease Dynamics (CCDD), Harvard T. H. Chan School of Public Health
近期,新型冠状病毒正在中国中部蔓延,同时全球很多国家存在输出病例。尽管已经证实人与人之间的传播,但围绕冠状病毒的传播速度和与疾病相关的死亡率仍存在很大的不确定性。现在一些权威人士表示,冠状病毒“很可能”被宣布为大流行 (pandemic)。面对这些不断变化的各种新闻和信息,以及未经证实和令人恐慌的报道,我们很能理解公众的焦虑。
最近的新闻报道都在猜测,新型冠状病毒正在“变异”和“进化”(更准确的说法,应该是演化)为更厉害的毒株,使人们越来越担心这场疾病爆发可能带来比现在更严重的威胁。但目前没有证据支持这种情形。为了能够更好的分辨信息的准确性,以下内容旨在帮助公众了解,科学家在研究病毒序列时是想了解什么,以及这些基因数据可以告诉我们什么和不能告诉我们什么。
病毒“稳定”吗?这意味着什么?
这个问题本身有误导性。到目前为止,已经测序的新型冠状病毒基因组彼此非常相似。但这并不意味着它们“稳定”,而是意味着疾病爆发从起始到目前时间还很短(对于病毒积累变异是相对很短的时间)。通过基因分化树对现有的测序的病毒基因组分析,推算出其起源于11月底或12月初左右。这对病毒演化来说,是比较短的一段时间。随着时间的推移和突变的持续发生,我们可以预期在病毒基因组之间发现更多的差异。但是,这种差异是随着病毒群体的增长而自然累积起来的,并不能说明疾病爆发趋势是在变好还是在变坏。
不要害怕病毒突变
对于一个特定病原体,突变始终以相对恒定的速率在发生。突变是病毒繁殖过程中其基因组复制过程的自然结果。在这里,突变是指病毒复制基因组时发生的随机错误,导致新合成的基因组会略有不同。新的含有突变的基因组有可能比旧的基因组更好地传播,或者更糟,或几乎相同。只通过基因组数据,我们无法读出病毒的生物学和行为特性。
为什么某些冠状病毒基因组的突变多于其他基因组?
这可能意味着它们与现有的其它冠状病毒的关系更远一些,尽管某些基因组可能只是偶然性地拥有更多的突变。而且有些所谓的突变还有可能是实验室测序错误导致的。目前,冠状病毒基因组只有少数突变,因此测序中的任何错误都会对变异率的准确估计产生较大的影响。同时,目前上报的基因组数据使用了不同的测序技术,其中一些技术本身就会比其他技术有更高的测序错误率。总体来说,目前的数据中还存在很多噪音干扰分分析,而要更全面地了解不同病毒株之间的遗传关系,就需要更具代表性的病毒种群样本。
病毒演化
每个突变对病毒的影响都不相同。有些变异对病毒的影响很小甚至可以忽略不计,而另一些变异则可改变病毒蛋白,可能使病毒变得更具适应性或减少其适应性。科学家称这种可以改变病毒蛋白的变异为非同义突变。随着时间的推移,如果我们看到其中一些非同义突变在病毒群体中越来越普遍,我们可能会说这是病毒适应的迹象。但是,目前尚无足够的数据来判断这种病毒是否正在变得在人类中更易传播或更具毒性。
实际上,我们甚至可以预期在短期内非同义突变会增加。这是因为绝大多数此类突变对病毒功能有破坏性,但破坏力并没有大到可以立刻将其彻底杀死。由于受损病毒们目前并没有太多的生存竞争压力(因为更适应的病毒变体并不多),这种受损的变体需要一定的时间才能在群体中消失。
我们能知道新型冠状病毒的来源吗?它是与其他病毒的合成体吗?
我们可以通过基因组比较分析,来比较不同病毒株或者不同病毒种是否相似。相似程度高的基因组之间的关系更加密切一些。目前研究发现新型冠状病毒与SARS病毒以及蝙蝠中流行的一些病毒密切相关。多数证据指向新型冠状病毒是自然演化的结果,而非是与其它病毒的合成体。
最近有些报告称,新型冠状病毒基因组的某些很短的片段(比如6-8个氨基酸)与其近亲的差异更大,但与其它不太相关的病毒种更相似。然而这种报告和发现并没有任何意义。因为即使没有方法上的错误(原本的报告中存在方法上的错误),你几乎可以在任何基因组(包括你自己的基因组)中找到与病毒相似的短DNA片段!这完全可能仅仅是因为偶然性。有统计方法可以验证此类问题,但这些报告因为急于分享结果而并没有适当地应用它们。所以,一些早期的不合理的报告已撤回,但在撤回之前,它们导致了相当大的公众误解。
病毒会演化得更加危险吗?
病毒演化是为了能够繁殖和保存更多的后代。而传播性强有利于维持后代。是否病毒变得更加危险或者更致病,取决于发展为疾病是否更有助于病毒传播。目前我们还不能对此作出评估,但我们应该注意,该病毒目前似乎正在非常有效地传播,至少在湖北省是这样的情况。病毒的未来发展可能使它变得更具毒性(利用宿主并快速传播),或变得更弱(感染时间长,允许宿主进行更多接触),但在现阶段我们无法判断。所以要对那些对任何一个趋势过于自信的人的言论保持谨慎。
病毒基因组能告诉我们病毒的传播性吗?
单个或少数的基因组不能揭露病毒的传播性。但是,如果在一段相对较长的时间内,收集一个具有代表性的较大的基因组样本,我们可以估计病毒种群增长的速度,或者病毒群是否是在缩小,例如在实行隔离或其他干预措施之后。但我们目前还没有足够的数据来做适当的估计,不过我们已经很接近了。
(左图:如果病毒变得更具毒性,导致严重的疾病,这样导致它易被诊断隔离治疗,就会减少它传播的机会;右图:如果病毒减弱毒性,只导致轻微的症状,就会有更多的传播机会。图片来自于 the University of California Museum of Paleontology’s Understanding Evolution,http://evolution.berkeley.edu)
猜疑,在疾病爆发中起什么作用?
我们非常理解,这是一个令人恐慌的时期。因为我们缺乏信息,这对科学家和公众都是如此。但是,我们应该记住,即使我们有很多事情不知道,但我们应该知道并非所有的可能性都同等合理。在没有确凿证据的情况下进行猜疑是不好的,非同寻常的说法更应要求由卓越可靠的证据来支撑 – 多大的锤子敲多大的钟。但一些新闻报道不负责任地随意发布为考证的消息,而在社交媒体上也有自称 “专家”的评论员引起喧嚣。所以,在这个时候,我们更应该保持冷静。我们也需要更快地学习,不是通过猜疑,而是通过收集更多数据,以严谨的方法对其进行分析,并依赖可靠的信息源来解读疾病爆发的情形。
- 新型冠状病毒序列的系统分化树和位点突
- 通过病毒基因分析得出的情形报告
- Andrew Rambaut 通过在 virological.org上的博客定期更新他的分析。这是他最近对56个基因组进行的基因分化动力学分析的链接。