疫情暴發前，新冠病毒到底身處何處？

9.1

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新冠病毒的起源是一個科學難題，病毒的基因組突變特征為追溯其進化歷程提供了新證據 | 圖源：pixabay.com

撰文｜魏昌碩 郇慶

為什么新冠病毒的起源會存在科學爭議？

新冠病毒是有記錄以來與人類交手的第七種冠狀病毒 [1] 。冠狀病毒是危害人類健康的老對手，為什么偏偏新冠病毒的起源存在科學爭議呢？新冠病毒的幾個 “親戚”，同屬于β屬冠狀病毒的非典病毒 （SARS-CoV） 和中東呼吸綜合征病毒 （MERS-CoV） 它們的起源過程是如何確定的？同樣的方法為什么不適用于新冠病毒呢？

對于非典病毒和中東呼吸綜合征病毒，在這兩次疫情的暴發初期，科學家們分別在果子貍和駱駝中分離出與他們序列相似度超過99%的同源病毒，隨后，又進一步在蝙蝠中發現了相關的冠狀病毒 [2,3,4] 。這些證據顯示，蝙蝠是冠狀病毒的自然宿主，而果子貍和駱駝則分別是非典病毒和中東呼吸綜合征病毒的中間宿主，兩種病毒均起源于自然界。

然而，對于新冠病毒，科學家們尚未從野生動物中分離到與其序列足夠相似的病毒。目前已報道的最為相近的病毒是從菊頭蝠中測序得到的蝙蝠冠狀病毒RaTG13，與新冠病毒序列的相似度僅為96% [5] 。據科學家推測，新冠病毒與RaTG13的進化分歧大約發生在1969年，到2019年疫情暴發，新冠病毒在這50年之中積累了500多個突變 [6,7] 。這500多個突變就如同一道鴻溝，橫亙在新冠病毒溯源的道路上，讓新冠的起源成為一個科學難題（圖1） 。

圖1新冠病毒的起源是一個科學難題。圖源：參考資料[9]

新冠病毒的基因組突變特征，或可幫助追溯其進化歷程

雖然目前還沒有找到序列與新冠病毒足夠相似的冠狀病毒，但是已有的冠狀病毒基因組序列中，是否隱藏著新冠病毒進化的蛛絲馬跡？這些信息是否可以用來追溯其起源歷程呢？

我們先來想象這樣一種場景，假設我們想知道某個人曾經在哪個地區生活過，遺憾的是，這個人的履歷信息是一片空白，因此我們并沒有直接證據來判斷他的經歷。但是由于每個地區都有自己的獨特的方言，在這一地區生活過的人或多或少帶有一些口音。因此，這個人的口音就可以成為判斷其生活經歷的重要證據。

新冠病毒的現有序列數據中會不會有這種 “口音” 信息呢？科學家們把目光轉移到了在疫情暴發前新冠病毒基因組上發生的500多個突變上。組成新冠病毒基因組序列的堿基共有4種，分別是A、U、C、G。每一種堿基都可以突變成另外3種，因此在病毒基因組上，共有4×3=12種突變類型。當病毒在宿主細胞中擴增時，12種突變類型的發生頻率不盡相同，因此病毒基因組上檢測到的12種突變類型數目的相對比例，就組成了病毒的突變頻譜。

中科院遺傳發育所的研究者利用一種全新的方法鑒定了新冠病毒在細胞中擴增時產生的新生突變頻譜，發現病毒突變頻譜特征（后文簡稱為 “突變特征”）幾乎完全決定于病毒擴增所處的細胞環境。舉個例子，細胞代謝過程不可避免地會產生活性氧，其氧化性會誘發G>U突變。當新冠病毒在活性氧濃度較高的靈長類動物細胞中進化時，會產生較多的G>U突變 （圖2） [8,9] ，而在活性氧濃度較低的其它一些物種 （例如蝙蝠） 進化時，就不會產生過多的G>U突變。也就是說，活性氧 （以及其他可能會誘發產生突變的物質） 會形成的細胞類型特異的突變特征，這就成為了病毒的 “口音”。

圖2新冠病毒及其它RNA病毒的新生突變頻譜（左起：脊髓灰質炎病毒、埃博拉病毒、新冠病毒）。圖源：參考資料[9]

新冠病毒在疫情暴發前積累的突變特征，與野生蝙蝠細胞環境一致

這些突變特征似乎可以對科學家們 “說出” 病毒的經歷。如果新冠病毒起源于自然界，那么它在疫情暴發前積累的突變特征（上文提到的500多個突變包含的信息）就會和某一自然宿主的細胞環境相吻合。如果新冠病毒源于人工改造，那么其突變特征可能會和自然過程產生的特征大相徑庭。

有了理論上的支持，科學家們就開始正式探索 “破案”。為此，他們構建了非典病毒、中東呼吸綜合征病毒、新冠病毒以及與它們相關的冠狀病毒的進化樹，這些病毒分離于病人、蝙蝠、駱駝、果子貍、穿山甲和刺猬 （圖3） 。

圖3非典病毒、中東呼吸綜合征病毒、新冠病毒以及相關冠狀病毒的進化樹。圖源：參考資料[9]

科學家們鑒定了病毒進化歷程上不同時期發生的突變，發現在不同宿主環境中進化的冠狀病毒帶有各自鮮明的突變特征。例如在人類細胞中擴增的病毒的突變特征顯著區別于蝙蝠細胞中擴增的病毒，而且宿主物種的進化關系越近，病毒的突變特征越相似 （圖4） 。

圖4新冠病毒在1969-2019年間的突變特征與野生菊頭蝠細胞環境高度相符。圖源：參考資料[9]

在疫情暴發前的這段時期內，研究人員關注的新冠病毒積累的突變特征 （圖4紅 色B 0 點） 與野生菊頭蝠細胞環境 （橙色橢圓） 一致，提示著新冠病毒在這段時期內所處的細胞環境與野生蝙蝠的細胞環境高度相似，這為新冠病毒的自然起源提供了公開透明和實證性的數據支持 [9] 。

蝙蝠與人之間是否可能存在中間宿主？

在疫情暴發前積累的突變特征，顯示新冠病毒在這一階段的進化歷程與在野生蝙蝠中的進化過程高度一致，暗示著新冠病毒從蝙蝠直接傳給了人。因為如果有較長時間的中間宿主，那這500多個突變應該會混雜有兩個宿主的突變特征，檢測到的突變特征不會完全和蝙蝠細胞環境一致。

但是，中間宿主的可能性可以被完全排除嗎？

回到 “口音” 的例子，由于 “口音” 的形成取決于一個人在這個地區生活的時長，如果這個人在一個地區生活時間過短，他可能無法形成可識別的口音。基于突變特征進行溯源也有類似的局限性，該方法可能無法檢測到病毒存在較短時間的宿主。

在上述研究中，中東呼吸綜合征病毒在傳給人之前的宿主 （駱駝） 確實可以利用突變特征檢測到，但被認為是非典病毒中間宿主的果子貍并未在非典病毒的突變特征中留下明顯的痕跡 （圖4） 。因此，該研究無法排除新冠病毒在從蝙蝠傳染給人之前曾在某個中間宿主中短暫停留的可能性。

同一時間，中山大學的科學家使用了類似的思路分析了新冠病毒的突變，他們的結論同樣支持新冠病毒的自然起源 [10] 。總之，利用病毒基因組上的突變特征追溯病毒的進化歷程，可以揭示病毒基因組進化的基本規律，目前的數據表明新冠病毒極有可能起源于自然界。

歌德說過，“十全十美是上天的尺度，而要達到十全十美的這種愿望，則是人類的尺度”。科研探索也是一樣，完美的科研論證也許并不存在，科學家總是在不斷的探索中不斷的揚棄，但正是這樣的過程中，人類更接近了自然科學的真相。新冠病毒起源，依然值得更多的努力去探索，相信不久的將來，真相一定會水落石出。

參考資料（上下滑動可瀏覽）

1. Zhu, N., Zhang, D., Wang, W., et al. (2020). A novel coronavirus from patients with pneumonia in China, 2019. N Engl J Med 382, 727-733.

2. Guan, Y., Zheng, B.J., He, Y.Q., et al. (2003). Isolation and characterization of viruses related to the SARS coronavirus from animals in southern China. Science 302, 276-278.

3. Alagaili, A.N., Briese, T., Mishra, N., et al. (2014). Middle East respiratory syndrome coronavirus infection in dromedary camels in Saudi Arabia. mBio 5, e00884-00814.

4. Cui, J., Li, F., and Shi, Z.L. (2019). Origin and evolution of pathogenic coronaviruses. Nat Rev Microbiol 17, 181-192.

5. Zhou, P., Yang, X.L., Wang, X.G., et al. (2020). A pneumonia outbreak associated with a new coronavirus of probable bat origin. Nature 579, 270-273.

6. Lytras, S., Hughes, J., Martin, D., et al. (2021). Exploring the natural origins of SARS-CoV-2 in the light of recombination. bioRxiv 10.1101/2021.1101.1122.427830.

7. Boni, M.F., Lemey, P., Jiang, X., et al. (2020). Evolutionary origins of the SARS-CoV-2 sarbecovirus lineage responsible for the COVID-19 pandemic. Nat Microbiol 5, 1408-1417.

8. Panchin, A.Y., and Panchin, Y.V. (2020). Excessive G-U transversions in novel allele variants in SARS-CoV-2 genomes. PeerJ 8, e9648.

9. Shan, K.-J., Wei, C., Wang, Y., Huan, Q., and Qian, W. (2021). Host-specific asymmetric accumulation of mutation types reveals that the origin of SARS-CoV-2 is consistent with a natural process. The Innovation 2, 100159

10. Deng, S., Xing, K., and He, X. (2021). Mutation signatures inform the natural host of SARS-CoV-2. bioRxiv 2021.07.05.451089.

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