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D614G变异增强了COVID-19病毒的传染性

2020-07-10 08:01

来源：澎湃新闻·澎湃号·湃客

原创 CellPress细胞科学来自专辑Cell Press新冠资源中心

生命科学

Life science

2020年1月31日，Cell Press新型冠状病毒中英双语资源中心正式开放。您可以在该资源中心页面上查找到COVID-19相关论文的投稿政策，以及Cell Press旗下期刊已发表的有关疫情和病毒的论文。网站正在不断更新中，所有内容都可以免费阅读，点击查看。

最新在中心上线的发表在Cell Press细胞出版社旗下期刊Cell上的研究论文，名为“Tracking changes in SARS-CoV-2 Spike: evidence that D614G increases infectivity of the COVID-19 virus”，研究表明携带刺突蛋白氨基酸变异D614G的SARS-CoV-2变体已成为全球大流行中最为普遍的形式。D614G变异增强了COVID-19病毒的传染性，在针对变体频率的动态追踪显示，G614在国家、地区和城市等多个地理级别上呈现出周期性增长模式。该研究支持针对刺突蛋白突变的持续监测，以帮助免疫干预措施的发展。

Cell Press细胞出版社微信公众号对该论文进行了解读，旨在与广大科研人员分享该研究成果以及一些未来的展望，点击“阅读原文”或识别下图二维码阅读英文原文。

*以下中文内容仅供参考，请以英文原文为准。

摘要

携带刺突蛋白氨基酸变异D614G的SARS-CoV-2变体已成为全球大流行中最为普遍的形式。针对变体频率的动态追踪显示，G614在国家、地区和城市等多个地理级别上呈现出周期性增长模式。在G614变体出现之前，原始D614形式在地方流行病中占主导地位，此时这种优势变体的转变就已经出现了。该模式的一致性具有显著的统计学意义，表明G614变体可能具有适应性优势。我们发现，G614变体可作为假病毒粒子进行增殖，从而达到更高的病毒滴度。在受感染的个体中，G614与较低的RT-PCR循环阈值相关，提示上呼吸道的病毒载量升高，尽管G614与疾病的严重程度并不具有相关关系。这些发现所阐明的变化对我们理解病毒的作用机制至关重要，且该研究支持针对刺突蛋白突变的持续监测，以帮助免疫干预措施的发展。

简介

冠状病毒具有遗传校对机制（Sevajol et al., 2014; Smith et al., 2013），而且SARS-CoV-2的序列相对保守（Fauver et al., 2020）。然而，自然选择可以作用于罕见但有利的突变。以此类推，抗原漂移会导致流感病毒的突变在流感季节逐渐积累，并且免疫抗性突变与适应性环境之间复杂的相互作用会使人群逐渐产生抗体抗性（Wu et al., 2020c），因此每隔几个季度就需要开发新的流感疫苗。流感季节越长，选择压力的发生几率就越大（Boni et al., 2006）。尽管SARS-CoV-2显示出某种季节性减弱的迹象（Sehra et al., 2020），但是，即使人们已经开发出了相应的疫苗，病毒大流行的持久性也可能使人群开始免疫突变。抗原漂移常见于普通感冒冠状病毒OC43（Ren et al., 2015; Vijgen et al., 2005）和229E（Chibo and Birch, 2006），以及SARS-CoV-1（Ren et al., 2015; Vijgen et al., 2005）。虽然目前尚无证据表明SARS-CoV-2存在抗原漂移，但随着广泛的人际传播，SARS-CoV-2也可能获得具有适应性优势和免疫抗性的突变。通过识别可能与病毒适应性或抗原特征相关的进化转变，我们现在就能开始着手应对这种风险，这对于确保疫苗和免疫治疗干预措施在进入临床时的有效性非常重要。

为了满足针对SARS-CoV-2的有效疫苗和抗体疗法开发的迫切需要，目前有90多种疫苗和50多种抗体治疗正处于探索过程中（Cohen, 2020; Yu et al., 2020）。大多数以介导宿主细胞结合和进入的三聚体刺突蛋白作为靶点，这也是中和抗体的主要靶点（Chen et al., 2020; Yuan et al., 2020）。抗体针对SARS-CoV-1刺突的反应非常复杂。在一些出现了快速且强烈的中和抗体反应的患者中，这些反应的早期减弱与疾病严重程度和死亡风险的增加相关（Ho et al., 2005; Liu et al., 2006; Temperton et al., 2005; Zhang et al., 2006）。部分抗SARS-CoV-1 刺突蛋白的抗体可以在体外诱发感染的抗体依赖性增强（ADE）反应，并在动物模型中加重疾病（Jaume et al., 2011; Wan et al., 2020; Wang et al., 2014; Yip et al., 2016)。

当前大多数SARS-CoV-2免疫原和检测试剂均参考了在武汉发现的刺突蛋白序列，即武汉参考序列（Wang et al., 2020），并且基于早期大流行性感染，人们已经发现了第一代抗体疗法，并使用武汉参考序列蛋白进行评估。然而，当病毒通过人传人传播时，参考序列的变化可能会改变病毒表型和/或免疫干预措施的效果。因此，我们通过设计生物信息学工具来制定一种“早期预警”策略，以评估大流行期间刺突蛋白的进化，同时使研究者能够发现突变的表型意义，随着疫苗和抗体疗法的发展而生成适当的抗体广度评估分析。

全球共享流感数据倡议组织（GISAID）的数据库（www.gisaid.org; Elbe and Buckland-Merrett, 2017; Shu and McCauley, 2017）和 Nextstrain（nextstrain.org;（Hadfield et al., 2018））在处理SARS-CoV-2全球采样的系统发育分析方面能力非常强。然而，SARS-CoV-2的遗传多样性较低，几乎不会出现新发突变，在这种情况下，使用趋同演化来识别正向选择的系统发育方法（Crispell et al., 2019）在统计能力方面十分有限。鉴于种种问题，我们通过确定在不同地理位置中流行率周期性增长的变体，开发了一种反映潜在正向选择的替代指标。如果在不同的地理区域中反复观察到某一变体的相对频率升高，那么这一变体就成为了被赋予选择优势的候选者。

我们开发了一条生物信息学分析流程，可以通过监视GISAID数据来发现在许多地理区域中频率增加的刺突蛋白氨基酸序列突变体。至2020年4月上旬，很明显刺突蛋白 D614G突变表现出了相对频率升高的特点，而G614自此成为了大流行的主要形式。我们目前提供的实验证据表明，G614变异与病毒传染性增强相关；我们的临床证据表明，G614变异还与病毒载量升高相关。我们将继续监视刺突蛋白的其他突变，以了解各种变体在区域和全球范围内的频率变化，并在公开网站（cov.lanl.gov）上提供定期更新。

讨论

在武汉参考菌株中，刺突D614G的氨基酸变异是由位于23,403位的腺嘌呤核糖核苷酸突变为鸟嘌呤核糖核苷酸（A to G）引起的。我们的数据显示，在短短一个月的过程中，携带D614G刺突蛋白突变的变体成为了SARS-CoV-2的在全球范围内传播的优势形式。在Nextstrain上对SARS-CoV-2变体进行的系统发育追踪揭示了病毒进化和地理关系的复杂网络（nextstrain.org;（Hadfield et al., 2018））；携带G614变体的人群在旅行过程中使其分散至全球，很可能会将G614变体引入或再次引入不同的地方。当G614首次出现时，D614仍然是许多地方的大流行形式。导致D614G氨基酸变化的突变在传播时是一种序列保守的单倍型，由四个位点的突变所组成，而且这四个突变总是能同时追踪到。在D614和G614共同存在的不同人群中，G614频率增加的模式十分显著，这表明G614可能处于正向选择的优势位。我们还发现，G614与人类患者上呼吸道中较高的病毒载量相关，并且在多种假型分析中，G614还与较高传染性相关。

GISAID数据为研究提供了机会，让我们可以在不同的时间和地理环境中研究SARS-CoV-2变体之间的关系，从而追踪G614频率的增加，并以此作为反映潜在正向选择的早期指标。我们在3月初进行了首次刺突蛋白变异分析，D614G突变是该分析中确定的唯一符合我们阈值标准的位点。当时，G614形式在全球范围内十分少见，但在欧洲逐渐盛行。从D614到G614的过渡异步发生在世界各地，从欧洲开始，随后是北美和大洋洲，之后到亚洲。在欧洲、北美和澳大利亚和亚洲中，我们详细分解了图1B中所示的关系。在地方流行病暴发期间，即使在G614引入人群中时D614明显占主导地位，G614变体的频率也会增加。G614的增长通常在全国居家隔离条例实施后继续呈上升趋势，并且在某些情况下超过了两周的病毒最长潜伏期。

G614变体在我们的早期检测框架中脱颖而出，原因有几个。首先是其频率增长在跨地理区域的一致性，这是高度显著的非随机结果。其次，如果两种变异形式的传播可能性相同，在D614流行占优势的情况下，G614形式会被引入人群，而且D614变体也会在这些地方持续存在。但是与之相反，我们发现即使在两种变体同时存在的情况下，G614的频率也会增加。第三，在实施全国居家隔离条例后，旅行者的连续传播病毒的可能性大大减少，但G614的频率也往往会持续增长。

我们的全球跟踪数据显示，刺突蛋白G614变体比D614的传播速度更快。我们对此的解释是该病毒可能具有更强的传染性，这一假说符合我们在体外观察到的G614 刺突蛋白假型病毒具有更强的传染性；而且，G614变体与更高的患者Ct值相关，表明这些患者体内的病毒载量可能更高。有趣的是，我们未发现G614对疾病严重程度产生影响的证据。然而，有研究报道了各国之间死亡率的比较结果，发现G614变异与较高的死亡率之间存在关联，但由于不同国家的检测和照护的可及性水平不同，这种分析可能十分复杂（Becerra-Flores and Cardozo, 2020）。

尽管G614变体具有较高的传染性，可以充分说明其快速扩散和持久存在的原因，但也应当考虑其他因素，包括流行病学因素，因为病毒传播的结果还取决于感染的对象，流行病学的影响也可能导致基因型频率发生变化，类似于进化压力的作用。刺突蛋白G614变异可能会使免疫应答的结果发生变化。G614变体对多克隆恢复期血清的抗体中和反应敏感，这对免疫干预的展开来说意义重大，但是需要确定D614和G614形式的SARS-CoV-2是否对疫苗诱导的抗体中和反应或因两种形式的病毒感染而产生的抗体中和反应表现出不同的敏感性。同样，如果G614变体确实比D614形式更具感染性，则与D614形式相比，其疫苗或抗体治疗可能需要达到更高的抗体水平。

追踪刺突蛋白基因中的突变一直是我们的主要研究重点，因为这与目前正在开发的基于疫苗和抗体的治疗策略紧密相关。这种干预措施需要数月至数年的时间才能完全建立。为了提高效率及治疗的可用性，在研发过程中应考虑当时的病毒变异。为此，我们建立了一条数据分析管线，以探索SARS-CoV-2序列上有意义的潜在突变。可通过GISAID获得的数据每天都会进行分析更新，使实验人员可以利用最新的数据进行疫苗研发或评估抗体反应的试剂和实验设计。G614变体迅速成为了全球大流行的主导形式，这表明我们需要持续地保持警惕。