新型冠狀病毒的分類和進化特點

吳 坤

（華南農業大學動物科學學院，廣東 廣州 510642）

收集和整理引起新型冠狀病毒肺炎(Corona Virus Disease 2019，COVID-19) 的致病病毒的分類資料和最近2～3 年來新型冠狀病毒的變異毒株，并將新型冠狀病毒的重點關注突變體的進化特點進行對比總結。

1 新型冠狀病毒的基本概述

1.1 冠狀病毒的分類冠狀病毒屬于套式病毒目（Nidovirales），冠狀病毒科（Coronaviridae）,冠狀病毒亞科（Coronaviridae），冠狀病毒屬（Coronaviridae），是一類具有囊膜的單股正鏈RNA 病毒，在所有已知RNA 病毒中冠狀病毒基因組是最大的，通常在26-32 kb。其基因組被包裝于由核衣殼蛋白（N）形成的螺旋衣殼中，再被病毒囊膜包裹。

ICTV 根據遺傳學和血清學的差異將冠狀病毒科劃分為α(Alpha)、β(Beta)、γ(Gamma)、δ(Delta)4 個不同屬，不同屬之間無抗原交叉反應。α 和β冠狀病毒屬主要由感染哺乳動物的冠狀病毒組成，γ 屬冠狀病毒主要包括感染禽類的冠狀病毒，而δ 屬即有感染哺乳動物的也有感染鳥類的冠狀病毒。經典冠狀病毒進化樹如圖1 所示。已知的6 種可感染人類的冠狀病毒，其中HCoV-229E、HCoV-NL63 屬于α 冠狀病毒屬， 剩下的HCoV-OC43、HCoV-HKU1、SARS-CoV 和MERS-C oV 是β 冠狀病毒屬。

圖1 一些經典冠狀病毒進化樹

1.2 新型冠狀病毒的分類在已知的6 種可感染人類的冠狀病毒中，前四種冠狀病毒（HCoV-229E、HCoV-NL63、HCoV-OC43、HCoV-HKU1）的致病性較低且臨床癥狀類似于普通感冒，與新型冠狀病毒致病性和感染后病癥相比差別極大；而后兩種病毒（SARS-CoV、MERS-CoV）在致病性、臨床表現等方面與新型冠狀病毒有相似性，均表現為強致病性與臨床癥狀嚴重。新型冠狀病毒在基因測序的結果上表明與SARS-CoV 的全基因組核苷酸序列具有78.7%的同源性，但與MERS-CoV 的全基因組核苷酸序列相似性僅為48.7%。由此看出該病毒在進化上同屬SARS 相關性冠狀病毒種，而和MERS-CoV相比區別較大，屬于不同病毒種。

ICTV 冠狀病毒研究組（CGS）采用基于分層聚類劃分多樣性的方法，評估了該新型冠狀病毒與已建立分類單元中的已知病毒之間的一系列特殊聯系（包括基因組序列的同源性等），正式將SARS-CoV-2 病毒定義為冠狀病毒科、β 冠狀病毒屬、SARS 相關性冠狀病毒種的其中一個分型。

1.3 新型冠狀病毒的基本結構SARS-CoV-2 基因組主要編碼產生四種結構蛋白——S 蛋白（spike glycoprotein）、E 蛋白（envelope protein）、M 蛋白（matrix protein）和N 蛋白（nucleocapsid protein），而該病毒的主要特征是其表面存在的棒狀突起的刺突蛋白即S 蛋白。

SARS-CoV-2 病毒表面的S 蛋白會與宿主細胞膜表面的受體結合并介導病毒侵入細胞。而該病毒在與受體結合后，S 蛋白會在第一個蛋白水解位點（S1/S2）處分解為S1 和S2 兩個亞基，此時S1 亞基的N 端結構域（N-terminal domain，NTD）與C 端結構域（C-terminal domain，CTD）均能作為與宿主細胞膜表面受體結合的受體結合域（receptor-binding domain，RBD）。在人類的感染中，該病毒的結合受體均為血管緊張素轉化酶2（angiotensin converting enzyme2，ACE2）。

2 SARS-CoV-2 的出現與進化

由于SARS-CoV-2 是RNA 單鏈病毒，它本身有不穩定和易突變的特點，在爆發疫情前，該病毒的前身就已經出現。據研究，中國武漢出現的新型冠狀病毒毒株——Wuhan-1 并不是全球新冠疫情感染的直接祖先，Wuhan-1 毒株是在真正的新型冠狀病毒祖先的的基礎上通過三個連續的α 突變（α1、α2、α3）進化而來。從Wuhan-1 號毒株被發現以來，其出現眾多變異，在眾多變異突變株中出現了5 種被WHO 列為VOC（variant of concern，值得關切的變異株），以及多種被列為VOI（Variant of interest，值得關注的變異株）。該病毒變體能查詢的大類至少13 種（α、β、γ、δ、ε、ζ、η、θ、ι、κ、λ、μ、ο），基本用希臘字母命名,其中每個大類的分支一般采用Pango Lineage 法命名。最初的D614G 突變始祖和5 種VOC 的時間線如圖2，以及多種VOI 的出現時間線如圖3。

圖2 幾種重要突變株最早出現的時間線

圖3 幾種VOI 突變株發現時間線

2.1 D614G 突變始祖2020 年1 月，首例SARS-CoV-2 突變株D614G（第614 號編碼天冬氨酸（D）殘基突變為甘氨酸（G））在德國巴伐利亞州被發現，同年3 月D614G 突變株擴散到歐洲并在歐洲甚至全球范圍內大規模擴散，測序占有率極速增長到67%，截止同年6 月D614G 突變株成為全球主要傳播類型。后續進行的所有突變，都是在D614G 突變株的基礎上進行的再突變。

D614G 突變并不改變疾病的嚴重程度，而是在原有野生型的基礎上將S 蛋白的RBD 區域變構為更開放的構象，進而增加了與人體ACE2 受體的結合能力，而病毒的復制能力、感染性和競爭適應性隨之得到增強，導致D614G 突變株成為優勢毒株。

2.2 Alpha（VOC 202012/01、501Y.V1 或B.1.1.7）突變株2020 年12 月，Alpha（VOC 202012/01、501Y.V1 或B.1.1.7）突變株首次在英國肯特郡被發現，但據臨床樣本溯源的結果顯示該突變株可追溯到2020 年9 月；在9～12 月，該突變株已傳播至歐洲、亞洲、大洋洲和北美洲等22 個國家。α 突變株是在原有D614G 突變的基礎上獲得了其它突變，但在傳播過程中，α 突變株仍在持續變異，2021 年1月底，英國再次檢測到α 突變株獲得關鍵突變E484K，同年4 月再次突變的α 突變株在美國成為占主導地位變異毒株。據全球共享流感數據倡議組織（GISAID）數據顯示，2021 年5 月17 日，α 突變株占全球變異毒株感染數達69%。

α 突變株與Wuhan-1 相比，共積累了24 個突變，其中在S 蛋白上出現了7 個替換（D614G、N501Y、A570D、P681H、T716I、S982A、D1118H）和三個缺失（H69del、V70del、Y144del）。其中在RBD 的N501Y 的突變增強了與ACE2 結合的親和力，導致α 突變株是Wuhan-1 與ACE2 結合能力的5 倍左右，并且導致病毒更易傳播；同時RBD 中的E484K突變和H69del-V70del 兩個氨基酸的缺失與免疫缺陷患者的病毒逃逸免疫反應有關。α 突變株比其他一些變種更具傳染性，同時會導致更嚴重的病癥。

2.3 Beta(501Y.V2 或B.1.351)突變株2020 年10月，Beta（501Y.V2 或B.1.351）突變株在南非納爾遜·曼德拉海灣疫情中被發現，據溯源，7 月或8 月該地區已有β 突變株。2020 年末，α 突變株傳播蔓延全球但并未內入侵南非的主要原因可能是該地區β突變株占主導地位，同時抑制了α 突變株的傳播。

β 突變株存在數個突變，其中在S 蛋白上8 個替換（K417N、E484K、N501Y、D614G、L18F、D80A、D215G、A701V）和3 個缺失（LAL242-244del）。在RBD 中延續α 突變株的突變的同時，增加了同樣有免疫逃逸能力的K417N 變異；而RBD 中同時存在的三個關鍵突變（N501Y、E484K、K417N）的組合可導致傳染性和中和抗性的增強，以及提高病毒轉導靶細胞的能力，可提高至13 倍，而比與最初野生型毒株相比該突變株與ACE2 結合的親和力提高了近5 倍。

2.4 Gamma (P.1 或B.1.1.28.1) 突變株2021 年1月，Gamma(P.1 或B.1.1.28.1)突變株首次在從巴西到東京的旅客中被發現，后經推算，在2020 年11 月巴西亞馬遜州首府馬瑙斯就可能已經存在該γ 突變株。與β 突變株情況類似，α、β 突變株未能在南美蔓延的原因可能就是γ 突變株在南美地區占據了主導地位，截至2021 年6 月27 日，γ 突變株已擴散至72 個國家。

γ 突變株存在17 個替換，1 個缺失以及4 個同義突變。其中在S 蛋白上出現11 個替換（K417T、E484K、N501Y、D614G、L18F、T20N、P26S、D138Y、R190S、H655Y、T1027I）。與β 突變株類似的是，γ突變株的RBD 中同樣同時存在三個關鍵突變（N501Y、E484K、K417T），γ 突變株的T417 突變同樣有免疫逃逸能力。經過Faria 等整合基因組和死亡率數據構建動力學模型發現，γ 突變株的傳播性比非γ 譜系強化了70%～140%，而致死能力則強化了20%～90%，同時γ 突變株可以規避21%～46%的由以前非γ 譜系突變株感染引起的免疫保護。意味著，γ 突變株存在逃避中和抗體能力，感染過非γ 譜系患者也有再感染的可能性。

2.5 Delta(B.1.617.2)突變株2020 年10 月，Delta(B.1.617.2)突變株首次在印度被發現，至2021 年2月該突變株占據全印度病例的60%，截至2021 年6月27 日，δ 突變株擴散至96 個國家，而至同年7月δ 突變株的基因組占比達到全球的70%，并持續升高，直至同年11 月中旬占比才開始下降，同時δ 突變株也是2021 年主要流行變異株。

δ 突變株存在復數個突變位點，包括S 蛋白上的10 個替換（L452R、T478K、P681R、D614G、T19R、K77R、G142D、R158G、A222V、D950N）和2 個缺失（FR156del、FR157del），其中在RBD 上含有L452R和T478K 的雙重突變，以及Furin 裂解位點上含有P681R 突變，這3 個突變主要影響了RBD 的表面靜電位點（electrostatic potential，EP）的顯著變化。經研究，EP 變化可能增加病毒傳染性，同時RBD 的雙重突變使該突變株具有免疫逃逸能力，致使δ 突變株的傳播率是α 突變株的1.23 倍。

2.6 Omicron (B.1.1.529) 突變株2021 年11 月，Omicron 突變株在南非首次發現，并在2021 年11月8 日首次被分離，隨后迅速在南非傳播，并擴散至全球。依據GISAID 上的全球流行突變株基因占有頻率數據顯示，在2022 年1 月初期Omicron 突變株占有率超過δ 突變株，成為全球主要流行突變株，到2022 年1 月17，Omicron 突變株全球占有率的超過70%，2022 年2 月至今，Omicron 突變株在全球占有率一直居高不下且超過90%。

Omicron 突變株突變位點超過50 個，以及含有數個缺失（H69-V70del、V143-Y145del、N211del），其中S 蛋白的突變位點有32 個（D614G、T478K、E484A、N501Y、A67V、T95I G142D、G339D、S371L、S373P、S375F、K417N、N440K、G446S、S477N、Q493 R、G496S、Q498R、Y505H、T547K、H655Y、N679K、P 681H、N764K、D796Y、N856K、Q954H、N969K、L981 F），包括一個插入（Ins214EPE），在RBD 中就存在15 個突變位點（N501Y、T478K、K417N、N440K、G339D、S371L、S373P、S375F、G446S、S477N、E484A、Q493R、G496S、Q498R、Y505H）。研究發現，Omicron突變株與δ 突變株在RBD 的突變有2/3 的重疊相似性，這些位點的突變使抗體與病毒結合作用減少，從而降低了抗體療效。其中N501Y、T478K、N440K 三個突變導致該突變株的傳染性增強到δ突變株的2 倍左右，而與Wuhan-1 相比則強化到了10 倍以上,。

3 結 語

3.1 SARS- CoV- 2 進化特點總結從Wuhan-1到D614G 突變始祖，再到后來5 種VOC 突變株，病毒的突變位點逐漸增多，更多的突變集中在病毒S蛋白區域，病毒的傳播力、適應性在原有基礎上出現增強，各突變株均與ACE2 的親和力增強，免疫逃逸能力得到強化，疫苗對病毒的有效性也出現大幅下降，同時突變株毒性也在Wuhan-1 的基礎上得到增強（見表1）。雖然病毒的R0 值會因環境等條件發生變化，但病毒突變株總體的R0 值極速增加，而平均潛伏期卻出現縮短，向流感等癥狀靠攏。就目前世界流行的Omicron 突變株，被很多人稱為“大號流感”，Omicron 突變株的死亡率在世界范圍內大約為0.75%左右，而野生型死亡率在2%～3%，從數據看病毒感染死亡率有所下降，但這是基于全球累計疫苗接種超過百億次的前提。就毒株類型、傳播力、死亡率、適應性、潛伏期、R0 值等都與流感存在極大差異，不能將Omicron 突變株簡單認為是“大號流感”，仍需做好預防措施。

表1 SARA-CoV-2 突變株進化特點的對比