英德团队“基因考古”溯源新冠病毒 找到始祖基因组

                       
新冠疫情肆虐近百天，但病毒的“来去”依然充满神秘。一支擅长揭秘人类起源的团队尝试用绘制史前人类运动轨迹的数学网络算法来一窥新冠病毒的演变及其传播路径。

当地时间4月8日，英国剑桥大学、德国明斯特大学法医研究所等研究人员在《美国国家科学院院刊》（PNAS）报告了一个包含160个SARS-CoV-2基因组的系统发育网络。总体来说，该网络符合疫情的持续发展，显示了始祖病毒基因组以及它们新突变的子代基因组（RNA病毒易于发生突变及重组），鉴定出新冠病毒三种主要类型A、B和C,A型和来自中华菊头蝠冠状病毒RaTG13最接近，被认为是始祖基因组。

其中A和C通常在东亚以外的地区出现，而B主要在中国和其他东亚地区发现。研究团队认为，与在蝙蝠体内发现的冠状病毒最接近的A型新冠病毒，即出现在武汉的始祖基因组，并不是这座城市的主要病毒类型。武汉的主要病毒为B型，它主要分布在武汉并蔓延至东亚各地。

然而，B型从中国传播出去之前，也就是长达一个月的时间间隔和伴随的突变率作用，并没有让它发生明显的突变现象。“在这个初始阶段，我们似乎在东亚看到了比其他地方更慢的突变率。”

研究团队使用了从2019年12月24日至2020年3月4日从全球各地采集的新冠病毒基因组数据。据悉，该团队从2月份开始追踪新冠病毒的基因组进化。其中，中国以外的基因组数据大多来自当地首批患者。

“病毒有太多的快速突变，很难精确地追踪到SARS-CoV-2系谱。”论文通讯作者及第一作者PeterForster说，“我们使用了数学网络算法，这些技术此前主要用来通过DNA来绘制史前人类的运动轨迹。这是第一次使用它们来追踪冠状病毒的感染途径。”

作者们认为，该系统发育网络重建了新冠患者的感染途径，可以用来追踪未知的感染源。

该项研究的通讯作者为现年83岁的Colin Renfrew和53岁的Peter Forster。ColinRenfrew是国际考古学界泰斗，为英国国家学术院院士、美国国家科学院外籍院士，他是剑桥大学前迪斯尼考古学教授和麦克唐纳考古研究所创建理事，现为麦克唐纳考古研究所的高级研究员。PeterForster则是一位研究史前人类起源和祖先的遗传学家，除了考古遗传学，他还发表了关于史前语言的重建和传播以及法医遗传学领域的著作，系德国国立科学院利奥波第那科学院院士、剑桥大学麦克唐纳考古研究所教授。Forster同时为论文的第一作者。

<strong style="color:rgb(51, 51, 51); font-family:hiragino sans gb,microsoft yahei,sans-serif; font-weight:700; letter-spacing:0.5px">鉴定出三种主要新冠病毒类型

2020年3月初，全球流感信息共享平台GISAID（https://www.gisaid.org/）共包含了自2019年12月以来，来自世界各地的临床医生和研究人员提供的253个新冠病毒的完整和部分的基因组。为了解新冠病毒在人体内的进化，并帮助追踪感染途径和设计预防策略，研究团队研究得出了一个包含160个基本完整的新冠病毒基因组的系统发育网络。



包含160个SARS-CoV-2基因组的系统发育网络。点A是包括RaTG13在内的根基因簇。圆的面积与分类型数目成正比，连接处的每个缺口表示突变核苷酸位置。

鉴于中华菊头蝠冠状病毒RaTG13（中科院武汉病毒所石正丽研究员团队2013年在中国云南采集）和新冠病毒在核苷酸序列水平上相似性为96.2%，研究团队使用RaTG13作为一个外群，作为分析网络的根，归到A类基因组中。

A型有两个亚簇，由同义突变T29095C来区分。在T等位基因亚簇中，4名中国患者（来自中国南部沿海省份广东）携带始祖基因组，而3名日本患者和2名美国患者的基因组和来自中国的相比出现一些突变。这些美国患者曾有武汉旅行史。

A型中的C等位基因亚簇则具有相对较长的突变分支，包括来自武汉的5名患者（其中2个属于始祖基因组），以及另外8个来自中国和邻近国家、地区的东亚地区患者。值得注意的是，C等位基因亚簇中近一半（15/33）的类型是在东亚以外的地区发现的，主要在美国和澳大利亚。

研究团队发现，与在蝙蝠体内发现的冠状病毒最接近的A型新冠病毒，即出现在武汉的始祖基因组，并不是这座城市的主要病毒类型。武汉的主要病毒为B型，它主要分布在武汉并蔓延至东亚各地。

对于B型，93个B型基因组中，除了19个以外，其余均在武汉（n=22）、中国东部其他地区（n=31）和邻近亚洲国家、地区（n=21）取样。在东亚以外，在美国和加拿大的病毒基因组中发现了10个B型，墨西哥发现了1个，法国发现了4个，德国发现了2个，意大利和澳大利亚各发现了1个。

B型由A型突变而来，主要发生了两个突变：同义突变T8782C和非同义突变C28144T。论文中提到，B型在突变分支长度方面是惊人的，但始祖B型均来自东亚人（26/26），亚洲以外的每一个B型基因组（19/19）都发生了各自的突变。

值得主要的是，B型从中国传播出去之前，也就是长达一个月的时间间隔和伴随的突变率作用，并没有让它发生这种突变现象。“在这个初始阶段，我们似乎在东亚看到了比其他地方更慢的突变率。”

研究团队认为，B型病毒主要暴发在东亚的可能源于一种“始祖效应”，当一种病毒从一个小的、孤立的感染群体中形成一种新类型时，就会出现遗传瓶颈。

另一个值得考虑的解释是，来自武汉的始祖B型病毒在免疫或环境上适应了东亚人口的一大部分，可能需要突变来克服抗力才能从东亚传播出去。

C型是B型的后代，与B型的区别在于非同义突变G26144T，它将甘氨酸转变为缬氨酸。在数据集中，C型是主要的欧洲类型（n=11），在法国、意大利、瑞典和英国以及美国加利福尼亚和巴西都有代表。

研究团队发现，有趣的是，C型在中国大陆的样本中不存在，但在新加坡很明显（n=5），在中国香港、中国台湾和韩国也有发现。

<strong style="color:rgb(51, 51, 51); font-family:hiragino sans gb,microsoft yahei,sans-serif; font-weight:700; letter-spacing:0.5px">重建未知感染途径

值得注意的是，作者们认为，系统发育网络的一个实际应用是重建未知的感染途径，并提示公共卫生风险。该团队的基因网络技术也准确地追踪了已建立的感染途径，他们通过分析回顾一些病例的感染史作为这项研究应用的例证。

在2020年2月25日，巴西首例感染新冠的患者是在从意大利返回后报告感染。研究团队的网络算法反映了这一点，即在C型中，一个意大利人和他的巴西病毒基因组发生了突变关联。



巴西患者的病毒位于系统发育网络C簇中。这名巴西患者在确诊前曾去过意大利，该网络显示意大利人和巴西人的病毒基因组之间存在突变联系。

在另一个病例中，一名来自安大略省的男子从武汉前往广东，然后返回加拿大，返回后他发病，并于2020年1月27日被确诊为COVID-19。在系统发育网络中，他的病毒基因组分支来自于一个重建的始祖节点，在佛山和深圳（均在广东省）有衍生的病毒变体，这与他的旅行历史符合。他的病毒基因组现在与其他感染的北美人（一名加拿大人和两名加利福尼亚人）的基因组共同存在，这些人显然有一个共同的病毒谱系。



安大略省患者的病毒位于系统发育网络B簇中。该患者从中国中部的武汉旅行到中国南部的广东，然后返回加拿大，在那里他病倒，并于1月27日被确诊为COVID-19。他的病毒基因组来自一个重建的始祖节点，除了安大略省患者外，该重建的始祖节点在佛山和深圳（都在广东省）都有衍生的病毒变体，这与他的旅行历史相符。他的病毒基因组现在与其他受感染的北美人(一个加拿大人和两个加利福尼亚人)的基因组共存。

研究团队还列举分析了系统发育网络中单个墨西哥病毒基因组的病例，该病例于2020年2月28日被诊断出，曾前往意大利。研究团队此次得出的网络不仅证实墨西哥患者病毒的意大利起源，还显示该意大利患者病毒源自2020年1月27日第一例德国确认感染者。该感染者为慕尼黑的伟巴斯特员工，而这名德国感染者接触过一名中国同事，该名中国同事在前往德国前曾和来自武汉的父母接触。

研究团队提到，这段从武汉到墨西哥的病毒路径持续了一个月，通过系统发育网络中的10个突变记录了下来。



该墨西哥患者的病毒位于系统发生网络B簇中。该墨西哥患者在确诊前曾到访意大利，该网络显示意大利人和墨西哥人的病毒基因组之间有6个突变的突变距离。意大利患者病毒与慕尼黑患者病毒的区别仅在于一个突变。这名慕尼黑患者被认为是德国第一例感染病例。

研究团队表示，“在COVID-19的进化路径被大量突变所掩盖之前，我们详细描述的病毒网络是一种流行病早期阶段的‘快照’。”他们认为，这些系统发育方法可以应用于最新的冠状病毒基因组测序，以帮助预测未来全球疾病传播和激增的热点区域。