病毒变异|湾语前沿-科学百问

发布时间:

据不完全统计,自新冠病毒原始毒株大流行至今,全球范围已出现上千种变异毒株。迄今为止,有5种变种新冠病毒被世界卫生组织认定为值得关注的种类:Alpha毒株(2020年9月,发现于英国)、Beta毒株(2020年9月,发现于南非)、Gamma毒株(2020年11月,发现于巴西)、Delta毒株(2020年10月,发现于印度)、Omicron毒株(2021年11月,发现于南非)。其突变速度之快、种类之多令人惊异。作为地球上最简单的生命形式之一,病毒为何有着如此强悍的变化能力?病毒变异的终点在哪里?带着这些问题,我们请教了深圳湾实验室传染病研究所特聘研究员刘洋,作逐一解答。
(正文1911字,阅读预计需6分钟)
湾豆:一种病毒从原始株变异为突变株,期间一般发生了怎样的变化?
刘洋:病毒在复制的过程中,由于复制酶的保真性,不可避免的会在基因组中引入各类的突变(碱基单点突变、交换、插入和缺失);这些突变本身没有任何指向性,完全是随机的。因此在病毒感染人体后,其子代病毒会分别携带各种不同的突变,形成一个复杂的混合种群。和自然界中的其它生物一样,病毒维持其生存和延续也需要面对各种环境压力,比如宿主免疫系统的识别和杀伤。病毒在复制过程中获得的突变,大部分是不影响其生存能力的无义突变,有些甚至是有害的。但是,其中有些突变会让病毒更加适应当前的环境,如增强病毒的增殖,或让病毒获得逃逸宿主免疫系统的杀伤的能力。携带这些“有益”突变的病毒就在和其它“兄弟姐妹”的竞争过程中占据优势,更容易产生子代病毒,在病毒种群中的比例不断提升,最终替代原始的毒株,成为在一定地域里占统治地位的毒株,完成病毒种的适应性进化。

湾豆:区分病毒不同类型变异株的主要依据是什么?
刘洋:区分病毒变异株的主要依据是该变异株上是否携带可以在自然界中稳定存续的突变组合。病毒上会随机出现大量的突变,这些突变中的大多数是无义的,会在病毒流行的过程中逐渐被淘汰。而某些突变组合可以稳定长期存在,这些突变组合在病毒上具有相当的保守性;携带这些突变组合的病毒在自然界中的某一个区域内的数量会逐步提升,并在该区域内成为主导流行的毒株。这样的毒株可以被定义为一个新的变异株。

湾豆:外界环境因素对病毒变异会产生哪些影响?
刘洋:外界环境因素对病毒的影响很大,对病毒来说,除了感染的宿主的内环境外,其它的变量因素均可以被定义为外界环境,包括空气、水等自然环境,也包括宿主的种群密度、分布和遗传特异性等生物因素。病毒整个生命周期中的每一个环节中的因素,都可以对病毒的存续造成影响。比如,新冠病毒传播需要通过空气飞沫,能增强病毒在空气环境中稳定性、更广泛的温度适应性的突变都会增强病毒的传播能力。而更加耐热的病毒颗粒,则会在气候炎热地区具有更强的环境适应性。对于蚊媒病毒而言,它所偏好的蚊虫媒介的生活环境的嗜性,也会很大程度上决定病毒的分布区域。总体来说,外界的环境对病毒变异主要提供的是一种选择的压力,迫使病毒向适应当前环境的方向变异进化。环境中的物理和化学因素,比如温度,紫外线、重金属元素等,也会对病毒的核酸造成一定的破坏,增加病毒在感染宿主后,当代个体发生突变的概率,但相对于病毒极短的增殖周期和庞大的子代病毒数量所引入的大量随机突变,纯外界理化因素对病毒种群变异的影响很低。

湾豆:自2021年Omicron出现以来,新冠病毒暂未出现值得关注的新型变异株,可能原因是什么?
刘洋:任何一个新冠变异毒株从出现到流行成为一个值得关注的新变异毒株,都需要足够的时间和空间。Omicron前出现的新冠毒株的传播能力比Omicron株相对较弱,不同的变异毒株可以在世界范围内的不同地域内同步并行演化。比如Alpha毒株在英国被首次发现,刚开始其主要在欧洲传播,Beta毒株在南非,Gamma毒株在巴西,Delta毒株在印度;它们都起始于相对独立的区域,其发现和流行时间有着很多的交集,它们在各自的地域范围内都有着充足的时间和空间来完成进化。并且,这些毒株暴发流行时各国政府执行着较为严格的防控策略,也使得它们难以迅速向全球扩散。Omicron毒株的传播能力非常强,其首次出现时全球应对新冠疫情已经处于“长时间紧绷而过度疲惫”的状态;当时,多国政府已经放开了边境的严格管控,导致Omicron毒株被监测到时,已经侵入到全球各地。Omicron毒株本身对人的致病性相对较弱,也让多国政府的防控策略偏向保守,无形中促进了该毒株的传播扩散。Omicron毒株在非常短的时间内占据了全球几乎所有新冠感染“生态位”,也客观压制其它新冠毒株的流行。正是由于Omicron病毒的强势,导致目前出现的新冠变种几乎都是Omicron自身的亚型,暂时未有颠覆性的新毒株出现。

湾豆:病毒变异是否存在理论上的终点,病毒与宿主共存后,可能会对宿主存在怎样的影响?
刘洋:遗传进化是生命体永恒的话题,病毒也不除外。理论上,病毒和宿主相互适应,只可能达到一个暂时的平衡点,而不是终点。病毒和宿主共存后,它对宿主的相对致病性会较弱,不影响宿主的生命和基本生理活动;能够让病毒获得更长的传播和扩散窗口,更有利于病毒自身在自然界中的延续。但是,病毒的进化变异本身也是一个非常复杂的过程,一个偶发性变化就可能打破原有的平衡。流感病毒和人类长期共存,大多情况下不对人造成大的伤害。但在历史上也出现过多次由于偶发性的随机突变,或者病毒的跨物种适应性进化,造成病毒毒力剧增,并保留了其高传播能力,造成大流行和大量人口死亡。但最终,病毒也不会将宿主赶尽杀绝,在一段时间适应性进化后会达到新的平衡。病毒和宿主的相互适应和变化,将随着物种自身的存续而永恒存在。

来源 | 刘洋课题组