傳播力勝過SARS，需要擔心新冠病毒變異嗎？_風聞

返朴-返朴官方账号-关注返朴（ID：fanpu2019）,阅读更多！2020-02-25 14:19

2020-02-25

新型冠狀病毒從哪裏來？為何如此難以防控？會在感染者之間交叉傳播，變異成更厲害的病毒嗎？本文從病毒演化、毒力變化的角度給出了回答。

撰文 | 李慶超（山東師範大學）

2019年底暴發的新型冠狀病毒肺炎（Novel coronavirus pneumonia，NCP）是中國自2003年SARS以來最嚴重的新發病毒傳染病疫情，它不僅嚴重威脅着國民的生命安全，也對我國的經濟、社會發展造成了極大的影響，引起了社會各界的高度重視。我們不禁要問，新型冠狀病毒（Novel Coronavirus，2019-nCoV，國際病毒分類委員會(ICTV)將新型冠狀病毒命名為SARS-CoV-2，目前學界尚有爭議，中國專家呼籲命名為HCoV-19，我們暫用大家所熟悉的新型冠狀病毒這一名稱）是怎麼來的，接下來疫情會如何發展，為了避免新的疫情發生，我們應當做些什麼？知己知彼百戰百勝，回答這些問題，我們就要了解新發病毒從何而來，感染人體後會如何演化發展，病毒的演化給防治病毒帶來哪些挑戰等一系列問題。接下來，我們從演化的角度認識一下病毒。

在討論病毒演化之前，我們先做一個澄清，“Evolution”一般翻譯為“進化”，其實更準確地説，應該翻譯為“演化”。“進化”一詞毫無疑問是帶有主觀褒義色彩的，它暗示了從簡單到複雜、從低級到高級等等思考或判斷，認為演化一定是沿着某一“光明的未來”前進的。事實上，演化是沒有主觀意願、沒有價值判斷、沒有智慧設計的中性過程，它的概念是“連續幾代生物種羣遺傳特性的變化”，這種變化經歷自然選擇，從而表現為某一特定結果：適者生存。適應性（adaptation）理論上可以用適應度（fitness）來衡量，適應度是指某個羣體內某種基因型機體存活並將其基因傳遞至下一代的相對能力（與其他基因型相比的比較優勢) 。適合度越大，存活和生殖機會越高。而什麼是“適者”取決於自然選擇的具體條件。通常情況下，人們習慣使用“進化”一詞也是沒有問題的。

病毒的起源及演化研究

病毒演化是病毒研究的重要領域。

由於病毒本身是一類細胞內專性寄生的生物，因此對病毒演化起源的討論主要集中在病毒與細胞生物起源之間的關係上，主要有三個假説**[1****]**（見圖1）：

1）優先假説：病毒獨立、且先於細胞生物起源。

2）退化假説：病毒起源於細胞生物，是某些細胞生物退化而來。

3）逃逸假説：病毒是某些細胞生物的一部分，脱離細胞後形成獨立的複製元件。

最近比較新的觀點還有協同演化假説和嵌合起源假説，均是以上三種假説的改良或結合**[1****]**。鑑於病毒具有多樣不同的基因組種類和顆粒結構，不同的病毒可能具有不同的演化起源，比如RNA病毒可能獨立演化而來，而DNA病毒可能起源於細胞生物。

圖1. 病毒起源的三種假説**[1****]**。

病毒演化研究主要是通過病毒的基因組序列分析進行的，基因組結構類似或序列具有同源性，則病毒具有親緣關係，序列越接近，親緣關係越近，複製週期、宿主範圍、致病性、免疫原性則往往越相似。從大的時間尺度來講，由於病毒與細胞生物之間存在廣泛的遺傳信息交流，病毒在細胞生物演化中發揮巨大的作用**[3****]，病毒演化研究能幫助我們認識病毒圈“virosphere”這一生命圈中極具多樣性的遺傳信息庫[2****]**，且有利於研究重要的病毒，特別是致病病毒的演化發展。從較短的時間尺度來看，病毒序列差異性及其演變是流行性感冒（流感病毒）、艾滋病（AIDS）和肝炎（例如HBV、HCV）等病毒性疾病流行病學研究的重要方面，同時也是疫苗設計、病毒耐藥性研究的理論基礎。

病毒變異

病毒演化過程中遺傳特性的差異是由病毒變異提供的。

病毒變異的研究，重頭戲是致病病毒抗原性變化。“病毒抗原變異“有兩個專有概念，分別為抗原漂移（antigenic drift）和抗原漂變（antigenic shift），前者是指較為細微的變化，而後者是指抗原性的巨大變化。

事實上，病毒變異可能發生在病毒基因組的任何位置，其影響的表型也不侷限於抗原性。從病毒整個基因組上來説，病毒變異可以分為1）鹼基突變（mutation），包括單鹼基或小片段的插入或缺失；2）重組（recombination），即同一種病毒不同病毒株間基因組分子的大片段交換；3）重排（reassortment），即分節段基因組病毒的基因分子重新組合。這三種病毒變異的發生機制是完全不同的。鹼基突變是病毒基因組複製酶的錯誤複製導致的，重組是分子間重組交換或模板轉移導致的，而重排則是病毒包裝過程中分節段基因組選擇分配導致的。將病毒基因組比喻為一本書，複製酶相當於抄寫員，鹼基突變類似於在抄寫過程中，抄寫員走神，抄錯了字符；重組相當於抄寫員抄寫過程中寫到一半換了一本書，一本書上半部分是《西遊記》，下半部分是《紅樓夢》；而重排則類似於將1~4冊《哈利波特》與5~7冊《納尼亞傳奇》裝在一起。從這個類比中大家不難看出，鹼基突變是所有病毒基因組複製中都可以出現的一種變異形式，它的發生頻率主要取決於抄寫員病毒基因組複製酶的保真性，對於RNA病毒來説，其RNA複製酶不具備校對活性，因此RNA病毒的突變率是最高的，DNA病毒的複製酶具有校對活性，因此突變率較低。而重組和重排則是在特定條件下才能發生的，如同抄寫員面對兩種以上的書，同一細胞裏面感染了兩種或以上親緣關係相近的病毒，才有可能發生重組和重排。

需要指出的是，對於鹼基突變來説，由於它是病毒基因組複製酶的錯誤複製導致的，這種錯誤是隨機發生的，因此病毒的突變可以發生在任何位點上。那麼我們在檢測病毒序列的時候，是否可以看到突變在整個基因組中隨機分佈呢？

病毒的突變不能影響病毒複製所必需的蛋白質的編碼以及RNA或DNA元件序列，因此，大量的突變往往是有害的，這些含有有害突變的病毒不能複製自身，從而被淘汰了。有害突變之外，剩餘的突變還有相當一部分屬於“同義突變”，即突變前後對病毒沒有影響。最終，只有少數突變對病毒適應性具有正面作用，被富集和固定下來。由於病毒基因組一般較短、信息冗餘度很低，囿於病毒自身生存複製需求、宿主先天性免疫和適應性免疫壓力的篩選，病毒基因組的突變位點大部分集中在病毒基因組的某些區域，因此我們能夠檢測到的病毒突變在基因組上的分佈是不均勻的。

具體到冠狀病毒來説，在病毒刺突膜粒（spike peplomers，S）基因上的某些高變區，可以檢測到更多的突變，這些突變往往影響了病毒對宿主受體的親和力，以及病毒的免疫原性（引發機體免疫保護反應的性能），有可能導致病毒獲得感染新宿主的能力、逃逸適應性免疫保護的能力等新的能力。本次暴發的新型冠狀病毒的S蛋白存在與其他蝙蝠冠狀病毒所不同的四個關鍵氨基酸點突變，與SARS-CoV具有相似的受體結合能力，導致其獲得了感染人的能力**[11****]**。

圖2. 生物基因組與其變異頻率的關係：基因組越短，其變異能力越強，基因組越大，對保真性要求越高。病毒屬於快速演化的一類生物，為了降低保真性成本以及積累有益突變，突變率往往很高，其基因組遠小於細胞生物**[4****]**。

**病毒演化的“加速器”：**人類與野生動物遭遇及宿主躍遷

新發病毒一般來自於野生動物，當人與野生動物的生存邊界被打破後，兩者之間產生本不該發生的接觸，給病毒創造了感染人的機會。

動物病毒與原宿主之間都經歷了長期的共同演化過程，一般不會造成嚴重的疾病或死亡，且大多數動物病毒不能感染人，但是少數的動物病毒感染人之後可以造成嚴重的疾病和高致死率。目前發生過的冠狀病毒造成嚴重感染有：嚴重急性呼吸綜合徵（Severe acute respiratory syndrome，SARS）、中東呼吸綜合徵（Middle East Respiratory Syndrome，MERS）和2019年新型冠狀病毒肺炎，包括HIV、埃博拉病毒以及三種冠狀病毒在內的新發病毒病都是可以感染人和動物的人畜共患病（zoonosis）。因此野生動物是新發病毒的重要來源。

無論是理論分析還是分子流行病學檢測，種種跡象表明，蝙蝠是病毒的存儲庫**[5, 6****]。一項研究表明，蝙蝠中的冠狀病毒攜帶率為8.6%，遠遠高於非人靈長類的0.12%和齧齒類動物的0.32%，且蝙蝠中冠狀病毒的種類也多達91種[7****]。蝙蝠之所以成為理想的“病毒庫”，是因為其具有較長的壽命、較大的活動範圍、羣居習性以及特殊的免疫系統等特徵，使其能夠接觸廣泛的病毒源並且能夠長期攜帶病毒。而冠狀病毒可以通過果子狸、單峯駱駝、穿山甲（穿山甲是否為中間宿主，目前存在爭議，穿山甲攜帶的冠狀病毒與2019-nCoV差異較大[14****]）等中間宿主傳播給人。目前已知與2019-nCoV親緣關係最近的是菊頭蝠體內發現的RaTG13病毒，與2019-nCoV相似度96%以上，只有近1100個核苷酸的差異，根據病毒之間核苷酸的差異和其他冠狀病毒的假定突變率得出的估計，這兩種病毒在25到65年前有一個共同的祖先。因此，RaTG13病毒突變為2019-nCoV可能需要幾十年的時間，但是由於兩者之間存在不同的蛋白酶切位點，推測RaTG13也不是2019-nCoV的直接祖先[15****]。另外，目前認為2019-nCoV不是通過重組產生的新病毒[16****]**。因此，2019-nCoV的直接來源尚需進一步研究。

圖3. 冠狀病毒的種內及種間傳播：三次冠狀病毒爆發均指向蝙蝠這一自然宿主，及作為野味或者與人密切接觸的中間宿主。實線為已證實的傳播途徑，虛線為疑似傳播途徑。改編自參考文獻[8]。

某些病毒的宿主範圍本身就不是特別專一，本身就能夠機會性地感染人；而野生動物攜帶的病毒在不斷演化的過程中也可能發生跨物種傳播，獲得傳染人的能力——雖然這種可能性概率極低，但不可忽略。另一方面，冠狀病毒的重組突變發生機制雖不明確，但是序列分析發現，冠狀病毒之間確實發生過重組。因此説，存在於野生動物中的冠狀病毒是有可能通過重組的方式獲得新的遺傳特性的。我們假設，這些病毒存在於深山老林的野生動物身上，遠離人類社會，本是不會引起人類感染的。而環境破壞後，在捕殺、販賣或宰殺、食用野生動物的過程中，人與野生動物的生存邊界被打破，造成的兩者之間本不該發生的接觸，給病毒發生宿主躍遷、傳播人創造了條件。因此，我國出現的兩次冠狀病毒感染都發生在野味交易市場及其消費鏈條之上，而禽流感和豬皰疹病毒感染則容易發生在活禽市場、養殖場等高危場所或獸醫等高危人羣中。

動物宿主在病毒演化中起着關鍵作用，最著名的例子當屬流感病毒的演化：不同的流行性感冒病毒可以感染不同的動物，而有些動物可以被多種流感病毒所感染。

流感病毒含有8個RNA片段的分節段基因組，如果細胞感染了兩種不同的流感病毒，則兩種病毒的RNA都會在細胞核中複製。當新的病毒顆粒在質膜上組裝時，在原有的兩套基因組中隨機選擇8條進行組合而產生新的病毒基因組。從兩個親本遺傳RNA產生的新病毒稱為重配子，這個過程就是重排。哺乳動物流感和禽流感病毒之間RNA片段的重排交換能夠引起流感大流行，例如，2009年H1N1流行毒株是禽、人和豬三種流感病毒的重配體。而在這個過程中，起關鍵作用的就是豬——雞、鴨可以感染來自野鳥的禽流感，並傳染給豬，豬也可以感染人的流感病毒，豬同時感染兩種或兩種以上流感病毒，並在體內發生基因重排，就會產生能感染人的強毒力流感病毒。因此，豬成為流感病毒的混合器，加速了病毒演化過程。

圖4. 流感病毒在豬體內重排並造成人類大流行：禽流感、豬流感及人流感病毒均能感染豬，豬在同時感染兩種以上的流感病毒後，重排產生新的流感大流行毒株**[9****]**。

病毒的毒力及演化方向

病毒進入感染新宿主後，會優化毒力，增強適應性。

我們可以從兩個維度來看病毒的危害性：一，傳播率（Transmission rate）；二，毒力（virulence）或致死率（Mortality）。在長期演化過程中，毒力和病毒傳播能力之間存在權衡關係。毒性強的病毒對其宿主造成很大損害，併產生大量病毒後代，傳播能力也很強。但是，如果宿主的疾病限制了宿主的活動性，使其不能與新宿主接觸，則該病毒實際上不能有效地感染新宿主，反而具有相對較低的演化適應性。相反，毒性較低的病毒可能感染更多的宿主，因為這些宿主狀態足夠好，可以與許多其他潛在的宿主接觸，但是其毒力必須要能夠產生足夠多的子代病毒並傳播給新宿主。

圖5. 毒力與傳播率的權衡關係：過高的毒力導致宿主無法接觸新的潛在宿主，限制了其傳播能力；而毒力適中的病毒雖然產生較少的病毒，但因其宿主活動性不受限，可以感染更多新宿主，從而獲得更高的適應性**[18****]**。

毒力（virulence）是一個比較籠統的概念，指的是微生物感染宿主和對宿主造成損傷的能力，是由病原體、宿主和環境因素共同決定的複雜特徵。單從病毒方面考慮，病毒的毒力可籠統地定義為其致病率或致死率。自然選擇發生在病毒的宿主身上，以及病毒傳播的過程中，衡量病毒演化的標準是病毒的適應度，而不是毒力。對毒力演化的直接解釋是，自然選擇會“優化”毒力水平，使病原體適應度最大化。

適應度可以籠統地表示為基本傳染數（R0）。在流行病學上，基本傳染數R0（Basic reproduction number）是指在沒有外力介入，同時所有人都沒有免疫力的情況下，一個感染到某種傳染病的人，會把疾病傳染給其他多少個人的平均數（R0<1，病毒逐漸消亡；R0=1，病毒局部流行；R0>1，病毒流行擴散）。

圖6. 基本傳染數R0：R0<1，病毒逐漸消亡；R0=1，病毒局部流行；R0>1，病毒流行擴散。來源：電影《傳染病》劇照

病毒生存演化的方向應當是通過“優化”毒力“追求”更高的適應性，即R0的最大化，而所謂毒力的“優化”，可能是毒力增強，也可能是毒力減弱。對於某個病毒而言，自然選擇到底是增加還是減少病原體的毒力，具體取決於宿主、病毒和環境之間的特定組合。因此，病毒的演化不必然帶來病毒毒力的增強，但毋庸置疑的是，毒力增強的病毒演化事件更易引起人們的注意**[10****]**：

1. 口服脊髓灰質炎疫苗（OPV）：OPV是脊髓灰質炎病毒的減毒形式，偶爾會恢復為強毒形式並引起脊髓灰質炎暴發。

2. 西尼羅病毒：1999年，西尼羅病毒 NS3蛋白T239P突變產生對鴉科動物的高致死率毒株。

3. 雞馬立克氏病病毒：1960年代第一代雞馬立克氏病疫苗只能對野生病毒感染提供部分的保護效果，減輕疾病症狀。疫苗使用大約十年後，出現了毒力更強的野生毒株，人們不得不研發第二代疫苗，而改用新疫苗後，在更短的時間內再次出現了新的強毒力野生毒株。

4. 寨卡病毒：2007年前僅在亞非地區發現輕微感染病例，而2013年南美暴發了具有神經毒性的寨卡病毒，研究發現其由亞洲寨卡病毒演化而來，S139N位點突變可能與其毒力增強有關。

5. 埃博拉病毒：埃博拉病毒A82V突變點可能通過提高對人NPC1受體的結合來增加對人的感染力，且與病例數增加和死亡率增加具有很強的關聯。但目前的動物實驗研究尚未證實這一點。

6. 兔粘液瘤病毒：強毒力粘液瘤病毒曾被用來抑制歐洲及澳洲的野兔氾濫，該病毒在早期引起大量野兔死亡，倖存的野兔對病毒具有一定的抵抗能力，病毒表現為弱毒力，但是在病毒演化過程中反覆出現強毒力的病毒株，平均毒力表現為緩慢上升的趨勢。

圖7. 兔粘液瘤病毒的演化：強毒力粘液瘤病毒被用於治理兔患，病毒短期內毒力下降，但長時間內平均毒力增加**[10****]**。

冠狀病毒的變異及演化

冠狀病毒具有RNA病毒的中高水平的突變率，且存在重組的可能性，但短期內不是我們所需要關注的重點。

這是因為，冠狀病毒的基因組是單股正鏈RNA，不存在重排的可能性。鹼基突變方面，有研究報道，冠狀病毒的RNA複製酶具有外切核糖核酸酶活性，對病毒基因組複製和亞基因組合成起到一定的糾錯功能**[13****]，但是，研究表明，冠狀病毒鹼基替換率與其他單股RNA病毒相比，處於中到高水平，約為10-4替換/年/位點[8****]，也就是説一年時間內，病毒複製過程中在某一位點發生突變的概率是一萬分之一。此外，序列分析發現，不同的冠狀病毒基因組之間存在重組現象，這種重組既發生在感染人的冠狀病毒之間，也存在於動物冠狀病毒之間[8****]**。

最新的研究報道稱，2019-nCoV的R0為3.77，高於早期2.2的估計值**[12****]，這説明，與SARS-CoV相比，本次暴發的新型冠狀病毒傳播能力更強、潛伏期長、攜帶者症狀不典型，主要通過飛沫傳播，且最近發現還可能通過口-糞途徑傳播，給防疫帶來很大的困難。病毒的傳播方式與其細胞受體在人體的分佈、病毒釋放途徑、病毒在體外的環境抗性和病毒傳播所需最低載量有關。最近有報道討論新型冠狀病毒氣溶膠傳播或者“遠程空氣傳播”的可能性，筆者認為，咳嗽或噴嚏產生的氣溶膠體積較小，病毒載量本身就很小，且氣溶膠極易乾燥，而乾燥會極大地降低冠狀病毒感染力，因此冠狀病毒通過氣溶膠進行遠程傳播的幾率極小，因此在曠野活動或者家庭開窗通風是安全的。需要注意的是，從香港“康美樓”案例來看[17****]**，病毒可能通過排糞管進行跨樓層的傳播，因此要注意下水道系統的密閉性。

由於醫療資源有限，國家建設了一批方艙醫院對感染病患進行救治。不少讀者關心，這種環境是否會促進病毒演化，可能導致疫情加重？

首先，我認為大可不必從冠狀病毒演化這個角度來質疑方艙醫院的安全性，因為病毒的鹼基突變變異方式是一種自然發生的過程，如果沒有誘變劑的存在，其演化速率是不會發生變化的。另外，短期內被感染的病患可能攜帶的是相同的病毒株，不大存在新冠病毒之間發生重組產生新毒株的可能性。筆者認為，應當在方艙醫院內注意除COVID-19之外的其他傳染病的防治工作，避免病人發生多重感染加重病情，並應當注意病人在這種高度密集特殊的環境下產生的心理壓力積累。

結語

COVID-19本身是一種新發病毒病，由於2019-nCoV具有傳播能力強、病毒攜帶者症狀隱秘等特點，給防控造成很大困難，如果要讓2019-nCoV像SARS-CoV一樣銷聲匿跡，恐怕要付出更大的努力。筆者認為，與流行性感冒病毒相比，新型冠狀病毒由於缺乏與人類關係密切的自然病毒宿主，可能不會發展成為一種季節性的流行病。長遠來看，如果無法完全清除2019-nCoV，隨着人們對2019-nCoV的認識不斷加深，治療經驗積累，死亡率大大下降，我們可以將其視作一般的流行感冒，研發藥物或疫苗加以防治。如果今後需要研發COVID-19藥物或者疫苗，病毒變異是必須考慮的問題，因為病毒變異會導致其藥物敏感性的變化，以及抗原性的變化，從而影響藥物治療效果和疫苗保護效果。即便戰勝了2019-nCoV，也不排除另一種新的冠狀病毒引發另一次新發病毒病暴發的可能性。野生動物是新發病毒病的主要來源，其遷徙不定，無法進行管理；而目前環境破壞、森林砍伐、城市化、長途航空旅行增加、動物（包括牲畜）與人羣國際間交流頻繁，導致人與野生動物頻繁接觸和遭遇……這些因素都給傳染病防控帶來了很大的困擾。野生動物攜帶各種病原微生物是正常現象，無論是為了保護野生動物，還是為了保護人類健康，都不應該捕殺和食用野生動物。經歷了SARS和這次新冠狀病毒肺炎疫情後，我們應當吸取教訓，堅決抵制捕殺野生動物，絕不食用野生動物。

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[15] http://virological.org/t/tackling-rumors-of-a-suspicious-origin-of-ncov2019/384

[16] https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1567134820300447

[17] https://baijiahao.baidu.com/s?id=1658238462446722155&wfr=spider&for=pc

[18] http://evolution.berkeley.edu

參考資料

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