版納植物園基于全基因組數(shù)據(jù)解析新型冠狀病毒的演化和傳播

中國科學(xué)院西雙版納熱帶植物園

　　2019年12月在湖北武漢爆發(fā)了一種新型冠狀病毒（SARS-CoV-2）所致的肺炎（現(xiàn)稱COVID-19），新型冠狀病毒爆發(fā)已兩個(gè)多月，確定華南海鮮市場是不是唯一的發(fā)源地，對(duì)于尋找病毒的來源，以及確定中間宿主，對(duì)疫情的控制和避免再次爆發(fā)具有至關(guān)重要的意義。中國科學(xué)院西雙版納熱帶植物園聯(lián)合華南農(nóng)業(yè)大學(xué)和北京腦科中心的科研人員一起收集了全世界各領(lǐng)域共享到GISAID EpiFluTM數(shù)據(jù)庫中覆蓋了四大洲12個(gè)國家的93個(gè)新型冠狀病毒樣本的基因組數(shù)據(jù)（截止2月12日），通過全基因組數(shù)據(jù)解析，追溯傳染源及擴(kuò)散路徑。研究發(fā)現(xiàn)，收到的93個(gè)樣本包含58種單倍型，可以歸納為五組（圖1），包括3個(gè)古老超級(jí)傳播者單倍型（H1,H3和H13）和2個(gè)新的超級(jí)傳播者單倍型（H56和mv2）；華南海鮮市場的新型冠狀病毒是從其他地方傳入進(jìn)來，在市場中發(fā)生快速傳播蔓延到市場之外；同時(shí)，現(xiàn)擴(kuò)散的病例至少來自于3個(gè)途經(jīng)。新型冠狀病毒在2月12日之前發(fā)生過2次明顯的種群擴(kuò)張（分別是12月8日和1月6日）。

華南海鮮市場的新型冠狀病毒是從其他地方傳入的

　　基于120個(gè)變異位點(diǎn)得到58種單倍型（基因類型），單倍型演化關(guān)系顯示，單倍型H13和H38是比較“古老的”單倍型，通過一個(gè)中間載體（mv1，可能是一個(gè)祖先單倍型，可能是來自中間宿主或者“零號(hào)病人”）與蝙蝠冠狀病毒RaTG13關(guān)聯(lián)，并通過單倍型H3衍生出了單倍型H1。與華南海鮮市場有關(guān)聯(lián)的患者樣品單倍型都是H1及其衍生的單倍型H2，H8-H12（圖1,A），而一份武漢樣品單倍型H3與華南海鮮市場無關(guān)。可見，華南海鮮市場的新型冠狀病毒是從其他地方傳入進(jìn)來，在市場中發(fā)生快速傳播蔓延到市場之外。另外，根據(jù)病患發(fā)病時(shí)間記錄和種群擴(kuò)張時(shí)間推斷，也印證了華南海鮮市場不是病毒發(fā)源地的推論。

　　對(duì)“古老的”單倍型H13和H38的病毒樣品溯源發(fā)現(xiàn)分別是來自深圳的病患（廣東首例）和美國華盛頓州的病患（美國首例）。他們的旅行記錄表明應(yīng)該都是2019年12月底至2020年1月初在武漢探親期間被感染的。現(xiàn)有武漢樣本中沒有檢測到H13和H38單倍型，可能是因?yàn)楝F(xiàn)有樣品主要采自幾家定點(diǎn)醫(yī)院，而且樣品采集時(shí)間局限于2019年12月24日和2020年1月5日。如果能在武漢其他醫(yī)院早期的病患檢測到這兩種單倍型，將對(duì)于尋找病毒來源非常有幫助。

新型冠狀病毒在2月12日之前發(fā)生過2次明顯的種群擴(kuò)張

　　根據(jù)新型冠狀病毒基因組數(shù)據(jù)推算1月之前的種群擴(kuò)張發(fā)生時(shí)間是12月8日，該結(jié)果暗示病毒可能在12月初，甚至11月下旬即已經(jīng)開始有人際傳播，隨后在華南海鮮市場加快了人際傳播（圖2）。研究推算2月份之前的種群擴(kuò)張時(shí)間在1月6日，這個(gè)可能與元旦假期有關(guān)聯(lián)。需要指出，這一天國家疾控中心發(fā)布了2級(jí)應(yīng)急響應(yīng)。當(dāng)時(shí)的預(yù)警起到了一些警示作用，公眾活動(dòng)和出行都有所減少。如果當(dāng)時(shí)的警示能引起大眾更廣泛的重視，那么1月份中下旬向全國和全球蔓延的病例會(huì)有所降低。研究人員進(jìn)一步確認(rèn)我國其他9個(gè)省區(qū)和其他11個(gè)國家的感染病例基本都是從武漢直接或者間接輸入而來。

現(xiàn)擴(kuò)散的病例至少來自于3個(gè)途徑

　　為了能夠細(xì)分來源，研究人員將58種單倍型分成了五組（圖1），采用標(biāo)準(zhǔn)是3個(gè)中心（古老超級(jí)傳播者）單倍型（H1,H3和H13）和2個(gè)新的超級(jí)傳播者單倍型（H56和mv2）。以此鑒別出廣東的病毒可能有三個(gè)來源，重慶和臺(tái)灣的病毒有兩個(gè)來源。其中，廣東深圳一家人在早期就通過人傳人進(jìn)行了傳播。有較多樣本的澳大利亞、法國、日本和美國，他們的患者感染源至少有兩個(gè)，尤其是美國包括了五個(gè)來源。非常值得關(guān)注的是H56這個(gè)超級(jí)傳播者單倍型，它同時(shí)是澳大利亞、法國和美國，以及我國臺(tái)灣患者的傳染源。其他國家患者因?yàn)闃悠繁容^少，大多數(shù)的來源比較單一，他們除了是武漢旅游輸入或在武漢感染外，有一些人可能是在廣東、新加坡等地被感染。

新型冠狀病毒基因組尚未發(fā)生重組事件

　　研究人員發(fā)現(xiàn)新型冠狀病毒基因組沒有發(fā)生重組事件，93個(gè)基因組之間有120核苷酸發(fā)生了突變（0.41%序列長度），并均勻分散在10個(gè)編碼區(qū)（χ2=1.958, df=9, P=0.99）。120個(gè)突變的核苷酸關(guān)聯(lián)了119個(gè)氨基酸密碼子，其中79個(gè)密碼子(65.83%)改變了氨基酸類型，并有42個(gè)(53.17%)氨基酸理化性質(zhì)都被改變（圖3）。這些氨基酸類型以及理化性質(zhì)改變是否會(huì)影響新型冠狀病毒的活性暫不清楚，需要其他蛋白組學(xué)和結(jié)構(gòu)生物學(xué)方面的專業(yè)人士進(jìn)行驗(yàn)證。本研究是版納植物園綜合保護(hù)中心生物多樣性研究組的科研人員利用其在系統(tǒng)與演化領(lǐng)域的專長開展的，本研究提到單倍型演化關(guān)系分析方法可以結(jié)合到傳染病學(xué)研究中，對(duì)于尋找傳染源，以及精確的傳播和擴(kuò)散方向能提供非常重要的信息。

　　相關(guān)研究結(jié)果已提交到中國科學(xué)院科技論文預(yù)發(fā)布平臺(tái)http://www.chinaxiv.org/abs/202002.00033，可供疾控防疫相關(guān)部門參考，并接受專家學(xué)者的交流和討論。

圖1. 新型冠狀病毒58種單倍型的演化關(guān)系和地理分布格局（A，B），單倍型之間的可能演化關(guān)系（C），以及新型冠狀病毒的可能傳播和擴(kuò)散路線(D)。A和B圓圈中的數(shù)據(jù)是樣本數(shù)量。

　圖2. 新型冠狀病毒單倍型的樣品采集時(shí)間情況。紅色圈的樣品是確認(rèn)與華南海鮮市場有關(guān)；藍(lán)色圈的樣本確認(rèn)與海鮮市場無關(guān)。

　圖3. 120個(gè)變異位點(diǎn)在8個(gè)編碼區(qū)的分布情況。統(tǒng)計(jì)類型包括替換或替代（左上角），密碼子位置1-3（右上角），同義突變或非同義突變（左下角），和氨基酸性質(zhì)（右下角）。