科学家如何追踪SARS-CoV-2的遗传进化轨迹？

2020年4月18日 讯 /生物谷BIOON/ --当你听到“进化树”这个词时，你可能会联想到查尔斯达尔文及其所研究的不同物种之间跨度达数百万年关系；虽然“进化树”这一概念起源于达尔文的《物种起源论》，但人们可以将这一概念应用于任何进化的事物，当然也包括病毒。如今科学家们就开始研究SARS-CoV-2的进化过程，并了解病毒的基因是如何发挥作用的，这对于推测病毒在全球范围内的传播，及哪种类型的疫苗可能是最有效的，也是非常有帮助的。

图片来源：Alexandr Gnezdilov Light Painting

笔者是一名生物信息学家，其主要研究流行病和病毒演化之间的关系，目前笔者也是研究SARS-CoV-2进化机制众多的研究人员之一，因为其能帮助研究人员和公共卫生官员追踪病毒的传播情况，研究人员发现，SARS-CoV-2病毒似乎比季节性流感变异得更慢，这或有望让科学家们能够开发出一种针对该病的特效疫苗。

病毒序列是如何进化的？

病毒会通过突变来进化，也就是说，随着时间的推移，其遗传密码会发生改变，这有点像电话游戏，我们可以将生物遗传物质看成是一串字母，随着时间的推移，字母序列会发生变异，序列中的字母会发生变化，如今科学家们也建立了多种序列进化模型来帮助研究随着时间延续病毒是如何进行突变的。

这就好比是我们玩电话游戏一样，SARS-CoV-2的基因组序列会随着时间发生改变，突变是随机发生的，在特定病毒中发生的任何改变都会被下一代的所有遗传拷贝所继承，如今科学家们就能利用遗传进化模型来确定病毒最可能的进化史。

如何应用到对SARS-CoV-2病毒的研究中？

DNA测序是以实验性的方式来寻找组成DNA的基本元件，即碱基A、T、C和G，DNA测序主要能被用来研究人类疾病和相应的遗传学研究，然而近年来，测序已经成为病毒测序的常规环节，而且随着测序价格越来越便宜，随着时间的推移，未来病毒测序的频率也会越来越高；RNA是一类类似于DNA的分子，从本质上来讲，其是DNA短片段的临时拷贝，具体而言，在生物学中，DNA能转录成为RNA分子，而SARS-CoV-2病毒是一类RNA病毒，这意味着我们当前的DNA测序技术是无法直接解码其序列的，但研究人员可以先将病毒的RNA反转录成为互补DNA，然后再对其进行测序。

图片来源：nextstrain.org/ncov

得到一个病毒基因组序列的集合，研究人员就能利用序列进化模型来预测病毒的进化史了，这样就能够回答一系列问题，比如病毒发生突变的速度到底有多快？突变到底发生在基因组哪个地方？知道了哪些基因经常会发生突变或许有助于帮助研究人员进行新型药物的设计；同时追踪病毒在一个地方的变化情况也能帮助解答诸如“某社区到底有多少次单独疾病爆发的情况”等问题，这种类型的信息也能帮助公共卫生官员来掌握病毒的传播速度。

目前对于COVID-19而言有一个全球倡议，即全球科学家们一起来共享病毒的基因组，基于带有样本日期的序列的集合，科学家们就能够实时推断出样本的进化历史，并利用相关的信息来推断出病毒的传播历史。

“Nextstrain”就是一种创新性的举措，其是一项开源项目，能为用户提供关于季节性流感、埃博拉和许多其它传染病传播的实时报告，最近该项目一直在追踪COVID-19的演变情况，其能提供实时的分析和情况报告，以供一般公众阅读，此外，该项目还能将情况报告翻译成多种语言，让全球人群都能从其中获益。

随着可用信息量的增加，科学家们就需要更快速的工具来计算数量，此外，研究人员还能通过联合研究来开发新型算法、软件工具和计算机硬件，从而使得COVID-19疫情的实时分析变得更加可行。

关于这种流行病，我们能够了解到什么？

基于当前的数据，SARS-CoV-2的变异速度似乎要比季节性流感要慢很多，具体而言，SARS-CoV-2的突变率似乎每年不到25次，而季节性流感的突变率达到了每年几乎50次；鉴于SARS-CoV-2的基因组几乎是季节性流感基因组的两倍，因此，季节性流感的突变速度似乎是SARS-CoV-2的4倍左右；实际上，季节性流感突变的速度如此之外，正是其能有效躲避疫苗的原因，所以SARS-CoV-2的突变速度是很慢的，这对于后期科学家们深入研究来开发有效的长效疫苗是非常有帮助的。（生物谷Bioon.com）

参考资料：

【1】ON THE ORIGIN OF SPECIES

【2】Sanger and Next Generation Sequencing Approaches to Evaluate HIV-1 Virus in Blood Compartments

【3】The Cost of Sequencing a Human Genome

【4】GISAID Comments on the WHO Report on the Public Health Implications of Implementation of the Nagoya Protocol

【5】Nextstrain

【6】Here's how scientists are tracking the genetic evolution of COVID-19

by Niema Moshiri， The Conversation