新冠病毒的武器——突变与进化

在这场包括人类在内的动物与新型冠状病毒（SARS-CoV-2）之间的博弈里，人类采取了隔离、研发药物和疫苗等策略，而新冠病毒也在不断积累和孵育它们专属的武器——突变与“进化”。

从2020年12月开始，新冠病毒的变异程度似乎更上一层台阶，在英国东南部被鉴定出的新冠病毒变异毒株 B.1.1.7 表现出更快的传播速度。传染病学教授 Jeremy Farrar 在《科学》（Science）的报道中提到：“因为病毒的不断进化，一个难以预测的阶段即将到来。”

英国新冠疫情在变异毒株出现后传播速度明显加快 | JOHNS HOPKINS UNIVERSITY CSSE COVID-19 DATA

病毒为什么会突变？生物的遗传物质包含着巨大的信息量，例如人类一套遗传信息由大约30亿个碱基对（base pair，遗传信息的基本单位）排列组合构成。相比之下，新冠病毒要小得多，只有3万个碱基对左右。

尽管数量庞大，这些碱基对在复制的过程中，也还是在蛋白酶的帮助下一个一个合成的。即便有精密的“校对仪器”和严谨的“审核团队”，冗杂的复制过程难免会出现一些错误，例如放错了一个碱基、多或少合成了一段等等；再加上来自外界的辐射或有害化学物质的影响，就形成了大家有所耳闻的突变和变异。

病毒突变率的定义和原因 | Sanjuán, R., Domingo-Calap, P., 2016

但是不同之处在于，由细胞构成的生命中，脱氧核糖核酸（DeoxyriboNucleic Acid，DNA）是主要的遗传信息载体；而病毒的世界里却存在例外，核糖核酸（RiboNucleic Acid，RNA）或蛋白质（Protein）也可能肩负相同的职责。

相比于由两条链互相配对形成的 DNA，新冠病毒的单链 RNA 基因组，产生突变或变异的概率更高。

不同类型病毒突变率比较 | Sanjuán, R., Domingo-Calap, P., 2016.

一年多的时间在人类看来不算太久，可对病毒而言就截然不同。新冠病毒大量的复制和繁殖，意味着数不胜数的变异在悄然发生，其中发生在关键基因上的“有利”变化，则可能让它们更加强大。

变异的新冠病毒会变强？冠状病毒主要感染禽类和其他哺乳动物，但有一些越过了其他哺乳动物—人类之间的屏障，逐渐发展为人畜共患的传染病；而从其他动物到人之间的跃迁背后，正是变异和进化在“作祟”。

此前已经确定的、可感染人类的冠状病毒有6种：HCoV-229E、HCoV-OC43、SARS-CoV、HCoV-NL63、HCoV-HKU1 和 MERS-CoV；在过去的这段时间里又增加了一种——新型冠状病毒（SARS-CoV-2）。

电子显微镜下染色后的新冠病毒 | NIAID

冠状病毒的基因组主要编码四种结构蛋白：刺突蛋白（S），核衣壳蛋白（N），膜蛋白（M）和包膜蛋白（E）；这些蛋白质在形成病毒颗粒的结构时起到至关重要的作用，有些也会参与复制周期等其他方面。

新冠病毒的主要结构 | SPQR10

其中，很大程度上，决定冠状病毒是否能够感染人类、甚至进一步“人传人”的是刺突蛋白（S蛋白）。

以 SARS 冠状病毒为例，其 S 蛋白的受体结合域中，仅仅几个突变（N479L 和 T487S）就足以显着增加与人细胞表面受体（ACE2）的亲和力。

在论文或新闻中出现的突变类型格式为“突变前的氨基酸代号-位置编号-突变后的氨基酸代号”，每一种氨基酸都有一个对应的字母，而数字是指在这个蛋白质/多肽的氨基酸链上的位置。例如 N479L 是指在这个蛋白质上，第479个氨基酸由天冬酰胺（N）突变为亮氨酸（L）。而中东呼吸综合征冠状病毒（MERS-CoV）不仅仅需要突变帮助它结合人细胞表面的受体（DPP4），还需要 S 蛋白中另外两个突变（S746R 和 N762A）的帮助，使其能够被来自人的蛋白酶切割激活，从而让病毒进入人细胞。

这一次在英国被发现的新冠病毒变异毒株 B.1.1.7，也包含了 S 蛋白上的关键氨基酸突变——N501Y。结合目前英国新冠疫情的增长情况来看，这一变异毒株在进入呼吸道等器官的细胞、感染人类的能力上可能增强了。

新冠病毒 S 蛋白第501位氨基酸的变异情况 | emmahodcroft/ncov_cluster

只不过包括 B.1.1.7 在内的各种变异类型，具体是如何加强其传染能力、会不会由突变提升致病性或临床症状的严重程度，以及针对这些病毒蛋白研发的疫苗会不会失效等问题，还需要更多实验室内或临床上的数据和细节才能够得出结论。

博弈的终点会怎样？对于人类而言，要在进化和选择的过程中发生结构或生理上的变化需要数万年；但对于小小的病毒来说，过去一年多的时间里，就足够发生不少改变。

而在这场博弈当中，新冠病毒正在经历被人类影响的自然选择，这也是为什么大多数时候人类只会发现更危险的变异株。因为那些具备无关紧要或其他功能的突变，在人类隔离、治疗和疫苗的选择压力下会慢慢消失。

所以，这场博弈的终点就取决于人类能否用正确、有效的隔离阻断病毒的传播，药物和疫苗研发的速度能否赶上病毒变异的脚步。

也就是人类的决心和智慧。

参考资料

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