考古泰鬥重建新冠進化圖:三種類型,早期東亞地區病毒突變慢

新冠疫情肆虐近百天，但病毒的「來去」依然充滿神秘。一支擅長揭秘人類起源的團隊嘗試用繪製史前人類運動軌跡的數學網絡算法來一窺新冠病毒的演變及其傳播路徑。

當地時間4月8日，英國劍橋大學、德國明斯特大學法醫研究所等研究人員在《美國國家科學院院刊》（PNAS）報告了一個包含160個SARS-CoV-2基因組的系統發育網絡。總體來說，該網絡符合疫情的持續發展，顯示了始祖病毒基因組以及它們新突變的子代基因組（RNA病毒易於發生突變及重組），鑑定出新冠病毒三種主要類型A、B和C, A型和來自中華菊頭蝠冠狀病毒RaTG13最接近，被認為是始祖基因組。

其中A和C通常在東亞以外的地區出現，而B主要在中國和其他東亞地區發現。研究團隊認為，與在蝙蝠體內發現的冠狀病毒最接近的A型新冠病毒，即出現在武漢的始祖基因組，並不是這座城市的主要病毒類型。武漢的主要病毒為B型，它主要分布在武漢並蔓延至東亞各地。

然而，B型從中國傳播出去之前，也就是長達一個月的時間間隔和伴隨的突變率作用，並沒有讓它發生明顯的突變現象。「在這個初始階段，我們似乎在東亞看到了比其他地方更慢的突變率。」

研究團隊使用了從2019年12月24日至2020年3月4日從全球各地採集的新冠病毒基因組數據。據悉，該團隊從2月份開始追蹤新冠病毒的基因組進化。其中，中國以外的基因組數據大多來自當地首批患者。

「病毒有太多的快速突變，很難精確地追蹤到SARS-CoV-2系譜。」論文通訊作者及第一作者Peter Forster說，「我們使用了數學網絡算法，這些技術此前主要用來通過DNA來繪製史前人類的運動軌跡。這是第一次使用它們來追蹤冠狀病毒的感染途徑。」

作者們認為，該系統發育網絡重建了新冠患者的感染途徑，可以用來追蹤未知的感染源。

國際考古學界泰鬥Colin Renfrew。

該項研究的通訊作者為現年83歲的Colin Renfrew和53歲的Peter Forster。Colin Renfrew是國際考古學界泰鬥，為英國國家學術院院士、美國國家科學院外籍院士，他是劍橋大學前迪斯尼考古學教授和麥克唐納考古研究所創建理事，現為麥克唐納考古研究所的高級研究員。Peter Forster則是一位研究史前人類起源和祖先的遺傳學家，除了考古遺傳學，他還發表了關於史前語言的重建和傳播以及法醫遺傳學領域的著作，系德國國立科學院利奧波第那科學院院士、劍橋大學麥克唐納考古研究所教授。Forster同時為論文的第一作者。

鑑定出三種主要新冠病毒類型

2020年3月初，全球流感信息共享平臺GISAID（https://www. gisaid.org/）共包含了自2019年12月以來，來自世界各地的臨床醫生和研究人員提供的253個新冠病毒的完整和部分的基因組。為了解新冠病毒在人體內的進化，並幫助追蹤感染途徑和設計預防策略，研究團隊研究得出了一個包含160個基本完整的新冠病毒基因組的系統發育網絡。

包含160個SARS-CoV-2基因組的系統發育網絡。點A是包括RaTG13在內的根基因簇。圓的面積與分類型數目成正比，連接處的每個缺口表示突變核苷酸位置。

鑑於中華菊頭蝠冠狀病毒RaTG13（中科院武漢病毒所石正麗研究員團隊2013年在中國雲南採集）和新冠病毒在核苷酸序列水平上相似性為96.2%，研究團隊使用RaTG13作為一個外群，作為分析網絡的根，歸到A類基因組中。

A型有兩個亞簇，由同義突變T29095C來區分。在T等位基因亞簇中，4名中國患者（來自中國南部沿海省份廣東）攜帶始祖基因組，而3名日本患者和2名美國患者的基因組和來自中國的相比出現一些突變。這些美國患者曾有武漢旅行史。

A型中的C等位基因亞簇則具有相對較長的突變分支，包括來自武漢的5名患者（其中2個屬於始祖基因組），以及另外8個來自中國和鄰近國家、地區的東亞地區患者。值得注意的是，C等位基因亞簇中近一半（15/33）的類型是在東亞以外的地區發現的，主要在美國和澳大利亞。

研究團隊發現，與在蝙蝠體內發現的冠狀病毒最接近的A型新冠病毒，即出現在武漢的始祖基因組，並不是這座城市的主要病毒類型。武漢的主要病毒為B型，它主要分布在武漢並蔓延至東亞各地。

對於B型，93個B型基因組中，除了19個以外，其餘均在武漢（n=22）、中國東部其他地區（n=31）和鄰近亞洲國家、地區（n=21）取樣。在東亞以外，在美國和加拿大的病毒基因組中發現了10個B型，墨西哥發現了1個，法國發現了4個，德國發現了2個，義大利和澳大利亞各發現了1個。

B型由A型突變而來，主要發生了兩個突變：同義突變T8782C和非同義突變C28144T。論文中提到，B型在突變分支長度方面是驚人的，但始祖B型均來自東亞人（26/26），亞洲以外的每一個B型基因組（19/19）都發生了各自的突變。

值得主要的是，B型從中國傳播出去之前，也就是長達一個月的時間間隔和伴隨的突變率作用，並沒有讓它發生這種突變現象。「在這個初始階段，我們似乎在東亞看到了比其他地方更慢的突變率。」

研究團隊認為，B型病毒主要暴發在東亞的可能源於一種「始祖效應」，當一種病毒從一個小的、孤立的感染群體中形成一種新類型時，就會出現遺傳瓶頸。

另一個值得考慮的解釋是，來自武漢的始祖B型病毒在免疫或環境上適應了東亞人口的一大部分，可能需要突變來克服抗力才能從東亞傳播出去。

C型是B型的後代，與B型的區別在於非同義突變G26144T，它將甘氨酸轉變為纈氨酸。在數據集中，C型是主要的歐洲類型（n=11），在法國、義大利、瑞典和英國以及美國加利福尼亞和巴西都有代表。

研究團隊發現，有趣的是，C型在中國大陸的樣本中不存在，但在新加坡很明顯（n=5），在中國香港、中國臺灣和韓國也有發現。

重建未知感染途徑

值得注意的是，作者們認為，系統發育網絡的一個實際應用是重建未知的感染途徑，並提示公共衛生風險。該團隊的基因網絡技術也準確地追蹤了已建立的感染途徑，他們通過分析回顧一些病例的感染史作為這項研究應用的例證。

在2020年2月25日，巴西首例感染新冠的患者是在從義大利返回後報告感染。研究團隊的網絡算法反映了這一點，即在C型中，一個義大利人和他的巴西病毒基因組發生了突變關聯。

巴西患者的病毒位於系統發育網絡C簇中。這名巴西患者在確診前曾去過義大利，該網絡顯示義大利人和巴西人的病毒基因組之間存在突變聯繫。

在另一個病例中，一名來自安大略省的男子從武漢前往廣東，然後返回加拿大，返回後他發病，並於2020年1月27日被確診為COVID-19。在系統發育網絡中，他的病毒基因組分支來自於一個重建的始祖節點，在佛山和深圳（均在廣東省）有衍生的病毒變體，這與他的旅行歷史符合。他的病毒基因組現在與其他感染的北美人（一名加拿大人和兩名加利福尼亞人）的基因組共同存在，這些人顯然有一個共同的病毒譜系。

安大略省患者的病毒位於系統發育網絡B簇中。該患者從中國中部的武漢旅行到中國南部的廣東，然後返回加拿大，在那裡他病倒，並於1月27日被確診為COVID-19。他的病毒基因組來自一個重建的始祖節點，除了安大略省患者外，該重建的始祖節點在佛山和深圳（都在廣東省）都有衍生的病毒變體，這與他的旅行歷史相符。他的病毒基因組現在與其他受感染的北美人(一個加拿大人和兩個加利福尼亞人)的基因組共存。

研究團隊還列舉分析了系統發育網絡中單個墨西哥病毒基因組的病例，該病例於2020年2月28日被診斷出，曾前往義大利。研究團隊此次得出的網絡不僅證實墨西哥患者病毒的義大利起源，還顯示該義大利患者病毒源自2020年1月27日第一例德國確認感染者。該感染者為慕尼黑的偉巴斯特員工，而這名德國感染者接觸過一名中國同事，該名中國同事在前往德國前曾和來自武漢的父母接觸。

研究團隊提到，這段從武漢到墨西哥的病毒路徑持續了一個月，通過系統發育網絡中的10個突變記錄了下來。

該墨西哥患者的病毒位於系統發生網絡B簇中。該墨西哥患者在確診前曾到訪義大利，該網絡顯示義大利人和墨西哥人的病毒基因組之間有6個突變的突變距離。義大利患者病毒與慕尼黑患者病毒的區別僅在於一個突變。這名慕尼黑患者被認為是德國第一例感染病例。

研究團隊表示，「在COVID-19的進化路徑被大量突變所掩蓋之前，我們詳細描述的病毒網絡是一種流行病早期階段的『快照』。」他們認為，這些系統發育方法可以應用於最新的冠狀病毒基因組測序，以幫助預測未來全球疾病傳播和激增的熱點區域。

論文連結：https://www.pnas.org/content/pnas/early/2020/04/07/2004999117.full.pdf