新型冠状病毒在进化过程中的突变、重组和插入

作者：张馨予

2020年3月2日，加州大学洛杉矶分校程根宏、中国CDC谭文杰、苏州系统医学研究所蒋太交、中国CDC武桂珍等合作在预印版平台bioRxiv发表文章Mutations, Recombination and Insertion in the Evolution of 2019-nCoV，提供了一个对于新冠状病毒传播和进化路径的全面的展示。

背景：新型冠状病毒（SARS-COV-2）的传播速度远远超过了导致非典型肺炎的冠状病毒（SARS冠状病毒）和导致中东呼吸综合征的冠状病毒（MERS-CoV）。然而，该病毒的传染和分子进化机制仍然有待研究。

方法：我们收集并分析了包含11株新收集于中国病人的病毒序列在内的120条新冠状病毒基因组序列。通过对这些序列进行综合分析，我们追踪了多个继承性单核苷酸多态性位点（SNPs），并确定了新冠状病毒与其他冠状病毒之间的简化关系。

结果：在对新冠状病毒的120个基因组序列进行系统分析后，我们发现了两个具有不同SNPs标记的遗传亚群的共流行，这一发现可用于追踪新冠状病毒在不同地区和国家的传播途径。尽管新冠状病毒、人SARS病毒和蝙蝠SARS病毒在基因组结构上具有高度同源性，但它们通过受体结合区的潜在重组，进化成具有不同受体进入特性的两个不同群体。此外，新冠状病毒在spike蛋白的S1和S2结构域之间有一个独特的4个氨基酸插入，这创造了一个潜在的furin或TMPRSS2裂解位点。

结论：我们的研究提供了一个对于新冠状病毒传播和进化路径的全面的展示。我们的结果暗示新型冠状病毒可能通过受体结合区重组和furin或TMPRSS2裂解位点插入增加其感染性。

新型冠状病毒（2019 nCoV或SARS-COV-2）已经出现并流行于人群众。这一源自中国武汉的疫情始于2019年12月，截至2020年2月23日，全球已确诊病例超过77000例，死亡人数超过2400人。目前的病毒已扩散至韩国、日本、泰国、新加坡、越南、台湾、尼泊尔和美国等29个国家或地区。武汉地区的一系列肺炎病例均与该病毒有关，表现为发热、干咳和呼吸困难。大多数患者没有明显的上呼吸道症状，提示靶细胞位于下呼吸道。目前也已有相关研究从下呼吸道表皮细胞中分离并鉴定出该病毒。

冠状病毒是包膜、单股正链RNA病毒，它们在适应新物种的过程中，通常会发生受体结合域（RBD）的快速突变和重组。对新型冠状病毒的系统发生分析表明，它是一种新的β冠状病毒，隶属于B系（亚属：sarbecovirus），同属于该系的还包括严重急性呼吸综合征冠状病毒（SARS冠状病毒）。目前的新型冠状病毒基因组与2013年在中国云南首次分离的Bat/SARS/RaTG13/云南株在遗传关系上最为相似。近期的一些研究暗示穿山甲可能是新型冠状病毒的中间宿主。

最近，这种新的冠状病毒被证实使用了与SARS冠状病毒相同的细胞进入受体ACE2。冠状病毒（coronavirus，CoV）能够改变嗜性或受体靶向性在不同宿主之间传播。这些特征是由棘突表面糖蛋白受体结合域（RBD）的变化介导的。与其他已知的包膜病毒相似，冠状病毒通过这种棘突蛋白与宿主细胞膜融合而引发感染。它们的棘突蛋白由分别负责宿主受体识别和膜融合的S1和S2亚基组成。新型冠状病毒最近被证实使用人ACE2作为受体。

尽管新型冠状病毒的病死率较低，症状较SARS轻，但新型冠状病毒的传播率似乎更高。导致新型冠状病毒如此快速传播和扩散的分子机制目前仍未被揭示。在这里，我们分析了120组新型冠状病毒的基因组序列，以确定病毒的进化和分化。我们的研究表明，新型冠状病毒可能通过受体结合区重组和furin或TMPRSS2裂解位点插入增加其感染性。

第一例人与人之间的感染发生在2019年12月中旬，迄今为止，确诊病例总数和确诊死亡人数在较短时间内超过SARS病毒导致的疫情规模1个数量级。为了将新型冠状病毒的病理特性与特异性毒力因子联系起来，我们将流行病学信息与从WHO获得的序列数据进行了比较。我们比较了新型冠状病毒的感染率与近年来爆发的β冠状病毒包括2002年11月的SARS和2012年9月的MERS感染率（图1A）。新型冠状病毒的传播速度似乎比SARS和MERS快得多。到目前为止，已确诊的新型冠状病毒病例比2002年SARS爆发的病例还要多。

冠状病毒序列在过去18年中频繁、一致地被公开，其中包括2002年SARS爆发期间从不同国家分离的SARS株、主要在中国报告的散发性冠状病毒株、从沙特阿拉伯和阿拉伯联合酋长国等中东国家分离的MERS株（图1B）。为了进一步了解β冠状病毒的进化和追踪新型冠状病毒的突变，我们收集了11个来自武汉等多个中国城市新发现患者的新型冠状病毒全长基因组序列并进行了测序（图1C）。系统发育分析表明，这11株序列与其他新型冠状病毒在进化树中能够聚集在一起，与bat-CoV-RaTG13株的同源性高于人类SARS、MERS和其他冠状病毒（图S1A）。在氨基酸水平上，它们只在与人类和蝙蝠SARS中相应氨基酸序列相同的一致序列的位置上有少量随机替换（图S1B）。

新型冠状病毒在进化过程中的突变、重组和插入