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研之有物》各國驚爆新冠病毒變種!中研院持續追蹤病毒變異

COVID-19 疫情自 2019 年底爆發,隨著時間流逝,疫情不但沒有趨緩,多國甚至掀起二波感染潮。在一年的時間裡,新冠病毒沒有被壓制,突變種還像雨後春筍般現身。日前疫情重災區英國更出現了傳染力更高的新變種病毒。究竟是什麼原因讓新冠病毒變化得如此快速?

追蹤新冠病毒突變

新型冠狀病毒(SARS-CoV-2)足跡遍布全球,在傳播過程中一再出現新的突變種,讓防疫工作與研究均困難重重。中央研究院廖俊智院長組織研究團隊,根據全球共享流感數據倡議組織 GISAID 資料,分析三十萬筆以上的病毒基因序列樣本資料,將病毒劃分為六大類型,其中「第六型」佔目前流傳病毒類型的 99%。日前,中研院也成立「病毒變異全球即時監測網」分享資料,讓全世界均能即時追蹤病毒變異。

突變,到底怎麼變?

COVID-19 疫情自 2019 年底爆發,隨著時間流逝,疫情不但沒有趨緩,多國甚至掀起二波感染潮。在一年的時間裡,新冠病毒沒有被壓制,突變種還像雨後春筍般現身。日前疫情重災區英國更出現了傳染力更高的新變種病毒。究竟是什麼原因讓新冠病毒變化得如此快速?

新冠病毒在穿透式電子顯微鏡下現形,可見病毒表現突起的棘冠。因新冠病毒是 RNA 病毒,突變速度快。中研院團隊將目前新冠病毒變異分為六大類型,目前全球流傳的幾乎都是第六類型病毒,未來團隊將持續追蹤病毒變異。(路透社)

生物學中的突變(mutation)一詞,指的是細胞核裡的遺傳物質發生改變,可能是 DNA 最基本單位─核苷酸(nucleotide)發生一個或好幾個的缺失、重複或插入等變化。造成 DNA 突變的原因很多,像是 DNA 受到化學物質、紫外線、輻射或病毒影響,或僅僅只是細胞分裂、DNA 複製的過程發生失誤。

細胞全年無休,不停複製、分裂,DNA 受損或是複製出錯其實並不少見。但就像人類工廠對於商品會有瑕疵檢測、修復的 SOP,細胞對 DNA 突變也有相對應的修正機制。即使 DNA 序列異動後嚴重到無法修復,如果突變發生在無意義片段,或是單一核苷酸,大多成為沒有帶來任何影響的「中性突變」。

但,如果突變發生在會影響蛋白質製造的核苷酸片段(基因),就可能對生物有所影響。一般來說,這種基因突變的機率約莫是十萬分之一。

這次的疫情元凶新冠病毒是 RNA 病毒,比起 DNA 病毒或是一般細菌,更加容易突變。

RNA 病毒突變,比你想得容易!

「新冠病毒的遺傳物質是單股的 RNA (ribonucleic acid),RNA 結構不太穩定。」本次研究團隊的楊欣洲研究員幫讀者劃重點。相較於遺傳物質為 DNA 的病毒,RNA 病毒在複製遺傳物質 (RNA) 的過程,更加容易突變,如需要年年選株的流感病毒即為 RNA 病毒。

新冠病毒雖然有校對酶、突變速度比流感病毒稍慢,但突變速度仍高。

面對新冠病毒不斷冒出的變種,中研院研究團隊從最常見的突變 — 單一核苷酸變異(single-nucleotide variantion, SNV)著手研究。研究人員結合病毒變異分析與分類樹分析兩種方法,著手分析從全球共享流感數據倡議組織(GISAID)取得的 1932 株病毒基因序列樣本。

病毒變異發生位置與頻率方面,則以中研院統計科學研究所陳君厚所長的統計矩陣視覺化,解析新冠病毒近三萬個核苷酸的 RNA 序列中,各個核苷酸變異之間的關聯;另一方面,使用一種統計分類樹和四種親緣關係樹,來瞭解各病毒株之間的距離與親緣關係。「各國上傳的病毒株樣本資料都會附註收樣時間,也多少輔助親緣樹評判定演化前後關係的參考。」楊欣洲補充。

14 個印記,快速分類六大病毒

研究結果顯示,目前世界上的病毒株可以被分成六大型,每一型都有一組自己獨特的單一核苷酸變異(SNV)位點,這樣的 SNV 位點印記共有 14 個。研究團隊在六千株、三萬多株以及三十萬株等,幾次擴大樣本數的病毒分析中都能得到重複的驗證。

上圖為新冠病毒六大型的突變位點,每一橫條代表某一型的 RNA 序列,向下的區塊為突變的單一核苷酸變異 (SNV) 位點所座落的基因。目前世界上的病毒株可以被分成六大型,每一型都有一組自己獨特的 SNV 位點,這樣的 SNV 位點印記共有 14 個。(圖│楊欣洲)

「未來不用再看完整病毒基因體,只要針對新樣本檢查這 14 個 SNV 印記,就可以在幾分鐘內將新病毒株分類歸檔。」楊欣洲指出。原本的分析方法是將病毒株樣本的 RNA 全部定序,但各國處理的標準操作程序不一、技術也存在些許落差,即使取得各國定序結果,因為提供的病毒全基因體長度不盡相同,也得再花費一番功夫比對。然而,當病毒基因序列樣本快速增加,病毒分類研究耗時耗力至幾乎難以執行。

但搭配分類樹與矩陣視覺化的新技術,讓病毒分析變得非常簡單方便。研究團隊還進一步開發出病毒株定型的快速演算法,即使有大量病毒株要定型也能在幾分鐘內完成,未來面對其他種類病毒的分型時也可以派上用場。

中研院團隊僅用 14 個 SNV 印記,用一對一序列排比(Pairwise Alignment)和文字探勘(Text Mining)兩種方法,幾乎只要幾分鐘就能完成分類,且正確率分別是百分之 100 與 98 以上。

第六型病毒大解析

今年四月,研究團隊定義出病毒六大型時,原先是以病毒株發生的地理位置命名,稱作亞洲一、亞洲二、歐洲一、歐洲二、美洲、大洋洲/亞洲型。但隨著病毒株在全世界各地快速交流傳播,很快就不再適用以地理位置區分,最後以Type I ~ VI 命名。

進一步分析發現,第一到第五型的病毒,除了有各自獨特的一組 SNV 位點印記外,在病毒外觀、致病力、傳染力方面還沒有觀察到顯著的差異。但第六型的病毒就不太一樣了。病毒樣本數據資料顯示,六種型的病毒在國際間交流競爭後,目前在世界各地均是由第六型勝出,成為主要的優勢型。

所謂的第六型,是將 SNV 位點分析結果與新型冠狀病毒株的參考序列(MN908947)相比,如果在 C241T、C3037T、C14408T、A23403G 四個核苷酸位點都發生變異,即歸類在第六型。楊欣洲認為,第六型成為全球優勢型,而非僅在少數地區盛行這個現象,透露出這四個 SNV 很可能為病毒株帶來較好的適應能力。

中央研究院根據全球共享流感數據倡議組織(GISAID)資料,分析二十萬筆以上的病毒基因序列樣本資料。發現病毒可歸類為六大類型。其中「第六型」(藍色線段) 自 2020 年 2、3 月開始在各國急速竄升,4 月雄霸一方,佔目前流傳病毒類型的 99%。(圖│Tracking SARS-CoV-2 Variation)

事實上,今年八月一篇發表在生物權威期刊《細胞》(Cell)的論文指出,新冠病毒的核苷酸位點 A23403G 變異,導致病毒刺突 S 蛋白上、第 614 位置的胺基酸由原本的天門冬胺酸(aspartic acid)變為甘胺酸(glycine)後,會強化病毒的感染能力。但楊欣洲表示,單靠一個 A23403G 變異其實無法解釋:為什麼第六型能夠逐漸成為數量最多的一型,而是需要四個突變一齊到位。

四個突變到位,病毒生命力大增

原來在研究過程中,團隊曾經發現隔一段時間偶爾會出現 C241T、C3037T、C14408T、A23403G 四個核苷酸位點裡,只有其中幾個位點突變的病毒株。但是只要沒有四個同時突變,這些病毒都傳不久。「就算有 A23403G 但缺乏另外三個變異的話,病毒株還是沒有辦法持續傳播。」楊欣洲強調。當四個 SNV 不齊全的時候,突變對病毒沒有實質影響、甚至不利其傳播。

C241T、C3037T、C14408T、A23403G 四個突變位點齊全後,才會擴充病毒性能,提升第六分型的適應力與傳播力。

此外,其他研究似乎也暗示第六型的四個 SNV 疑似有帶來更多特殊功能。2020 年 11 月,一篇發表在著名學術期刊《科學》(Science)的論文提到,新冠病毒會經由人傳給水貂,且會再回傳給人類。中研院團隊分析論文中的病毒樣本,發現人傳給水貂的病毒約有 22% 屬於第 一型,76% 屬於第 六 型。但分析水貂回傳人類的十八個病毒株後,發現全部都屬於第六型。

「這個結果實在頗耐人尋味。」楊欣洲指出,第六型病毒株適應力與傳播能力增加,很可能與 四個核苷酸變異之間的交互作用有關,背後的生物機制都還有待未來更多的追蹤與研究來解答。

當前疫苗可以應付變種病毒嗎?

不過民眾最關心的,首推目前的疫苗能夠抵抗當前的變種病毒嗎?「跟疫苗研發與疫苗效果直接相關的,是刺突蛋白基因上的變異點:A23403G,也就是突刺 S 蛋白 D614G 突變。」楊欣洲指出,已有初步研究顯示,D614G 變異雖然會提升病毒的適應能力,卻不影響血清抗體對病毒的中和力。而且在這之前科學家們就已經發現這個帶有A23403G 變異的病毒越來越盛行,各疫苗廠於研發過程中大多也都有將這個 SNV 的變異納入研發考量,因此目前第六型的病毒還不致讓疫苗失去防禦力。

病毒變異株雖互有消長,但尚不致影響防疫策略。

楊欣洲也坦白說,新的變異一直在進行,無法排除任何可能性。況且,研究會受到資料庫樣本的限制。 GISAID 目前約有三十萬筆資料,英國上傳大十四萬筆最多,美國居次;中國則宣稱沒有多少新增病例,即使前陣子北京發生二波感染,也就提供三隻病毒株,沒有資料,就沒辦法全面掌握病毒變化。

「現在病毒是以第六型為主,但隨著各國的邊境管制,各地又開始出現新興的子型病毒。像是北京提供的三個樣本,就是第六型的子型。」楊欣洲提醒。2020 年 12 月 21 日,英格蘭公共衛生署(Public Health England)的報告指出,在英國發現新冠病毒變種,並已造成單日新增感染案例暴增。英國立刻通報世界衛生組織此高傳染性的英國變種新冠病毒株,讓世界各國提高警覺,善盡世界公民的職責。

因應病毒的快速變異,中央研究院設置「病毒變異全球即時監測網」,廖俊智院長帶領,統計所研究團隊進行大數據分析,陳伶志資服處長開發網站,中研院病毒與生物化學專家參與討論,即時監測世界各國正在發生的新興病毒變異,發現需要密切注意的變異株時,盡速提供資訊給各個病毒傳播研究與疫苗研發單位,與全球繼續對抗這場世紀大疫。

中研院團隊設立網站,即時監測世界各國正在發生的新興病毒變異,發現需要密切注意的變異株時,盡速提供資訊給各個病毒傳播研究與疫苗研發單位。
(圖│Tracking SARS-CoV-2 Variation)

整理撰文|林承勳

美術設計|林洵安

本文經授權轉載自研之有物 各國驚爆新冠病毒變種!中研院持續追蹤病毒變異

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