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JV:新冠病毒的突变可预测!


     

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内布拉斯加州研究小组将SARS-CoV-2的早期进化与其最近的近亲β冠状病毒进行比较后发现,SARS-CoV-2的突变在基因和结构上基本上发生在相同的位置。

研究人员说,SARS-CoV-2与其前身(包括人类感染的SARS-CoV-1和MERS-CoV)之间的突变相似性,可能有助于预测导致新冠病毒的病毒将如何继续进化。

内布拉斯加州复杂生物系统项目的博士生Katherine LaTourrette说,“一次只研究一种病毒的问题是,你会因祸得福。通过看这幅大图,我们能够预测SARS-CoV-2的突变性质。

“这涉及到以下问题——疫苗会长期有效吗?哪些变体会悄悄溜走?我们需要加强针吗?接种过疫苗的人会第二次被感染吗?”

病毒的遗传密码决定了它感染细胞并引导细胞大量复制自身的能力。这些密码由基本化合物或核苷酸组成,每当这些核苷酸相互增加、减少或交换时,就会发生突变。很多突变几乎没有效果,就像试图通过更改一个字符来破解一个复杂的密码很可能会失败一样。

但如果有足够的机会,病毒最终会发生一个或多个突变,这些突变会改变其结构关节或氨基酸的组装,足以帮助它更好地入侵细胞和复制——这些优势有助于它与其他菌株竞争。在某些情况下,一种新毒株还可以逃避现有疫苗引发的免疫反应,这就需要开发新的疫苗来抵御它。

当SARS-CoV-2大流行爆发时,LaTourrette和她的顾问Hernan Garcia-Ruiz正忙于比较入侵另一个生物王国——植物的病毒的突变模式。为此,研究人员分析了某一属所有病毒基因组平行位置的测序DNA片段。他们专门寻找单点突变:只有一个核苷酸发生了变化的片段。通过对它们的定位,该团队正在猜测是否在相关的植物病毒中出现了某些突变,然后追踪这些突变到病毒中功能氨基酸的变化。

“很多时候,研究人员研究的是一种特定的植物病毒,”LaTourrette说。“他们真的很了解。但我们的问题是:总的来说,这个属在做什么?我们知道变异不是随机的。它积累在基因组的特定区域,这些区域(有时)是一致的整个属。这些区域对宿主适应很重要——基本上,这些区域需要不断变化以便与宿主共同进化。

“所以当COVID-19发生时,我们想,我们可以下载(β冠状病毒)序列,然后将它们通过试管运行,看看变异在哪里发生。”

当他们这样做时,LaTourrette和她的同事们发现β冠状病毒的刺突蛋白,通过与表面的受体结合来关键地进入宿主细胞,刺突在所有已知的β冠状病毒中迅速变异,包括SARS-CoV-2。

研究人员发现,尽管这种“超可变”刺突蛋白只占SARS-CoV-2基因组的17%,但到目前为止,它已经积累了大约50%的病毒突变。这些突变出现在基因组的相同区域,甚至是刺突蛋白的相同亚单位,就像迄今为止在其他任何一种β冠状病毒中出现的那样。

LaTourrette说:“我们所有的分析都表明,这确实是变化发生的地方。当我们观察它时,我们观察什么变体并不重要——刺突蛋白是关键。”

与其他病毒学家的结论一样,该团队还得出结论,SARS-CoV-2刺突蛋白是无序的——当它的氨基酸组装成相同的一般结构时,这种结构有LaTourrette所说的“一些回旋余地”,可以转变成略微不同的结构。这是个坏消息,她说,考虑到它结构上的灵活性可能也给了它一些功能上的回旋余地。

LaTourrette说:“人与人之间的细胞受体可能略有不同。所以你必须有一个(刺突蛋白)受体来适应这些微小的变化。如果它是有序的,而且不能转移,那么它可能就不会感染所有人。但有了这种灵活性,它是一种更好的病毒。

“基本上,这个区域是高度可变的,它是灵活的。所以这是双重打击。”

LaTourrette说,这些特性将继续使SARS-CoV-2成为一个强大的敌人,在可预见的未来,需要保持警惕才能击退它。但是了解它的优势,以及其他β冠状病毒的进化历史,可以作为对未来的合理预测,有助于病毒学家和疫苗学家制定相应的策略。

随着SARS-CoV-2的进化,疫苗可能必须继续针对这种独特的刺突蛋白,但查阅β冠状病毒的突变模式可以帮助研究人员预测该蛋白的哪些结构域最可能和最不可能发生突变。这将使移动目标更容易被击中。

“如果你在向飞镖投掷时闭上眼睛,它可以飞到任何地方,”她说。“但通过观察其他(β冠状病毒)物种,你就知道它可能在哪里着陆。而你更有可能击中靶心。”

虽然LaTourrette主要研究植物王国,但她说,在实验品短缺的情况下,能把自己的工作适应于如此紧迫的目的,证明是令人欣慰的。

LaTourrette说:“对我们来说,从植物到冠状病毒的转变是一种非常积极的方式,表明你可以利用你的科学和知识,并将其应用于造福社会。在过去一年半的时间里,我们已经看到了一些非常好的例子,它们都在做出这样的转变。

“尽管这是一个非常困难的时期,有很多困难,我认为看到科学家们聚在一起,能够一起为一项事业做出贡献是非常积极的。”

原文:Genome-Wide Variation in Betacoronaviruses


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