基因組
——了解新型冠狀病毒的最直接手段

劉翟

新型冠狀病毒肺炎(簡(jiǎn)稱(chēng)“新冠肺炎”)的暴發(fā)流行，是我國(guó)目前最嚴(yán)重的公共衛(wèi)生問(wèn)題，自2020年1月以來(lái)迅速波及全國(guó)[1]。之后相繼有100多個(gè)國(guó)家暴發(fā)了新冠病毒感染疫情。2020年3月11日被WHO宣布為“全球性流行病”。截至2020年3月16日，新型冠狀病毒已經(jīng)在全球136個(gè)國(guó)家和地區(qū)流行，造成了超過(guò)16萬(wàn)人感染，5700余例死亡。為了應(yīng)對(duì)疫情，全球的醫(yī)療工作者、公共衛(wèi)生工作者都積極投入到與病毒搏斗的緊張工作中。在全球應(yīng)急響應(yīng)的當(dāng)下，理解病毒基因組，闡明深藏在病毒背后的科學(xué)問(wèn)題，將為控制疫情傳播提供重要的科學(xué)依據(jù)。

理解病毒基因組有助于我們進(jìn)行如下工作：(1)病原鑒定。當(dāng)今，利用基因組解析進(jìn)行病原鑒定已經(jīng)成為最有效的手段之一，結(jié)合病理特征、病原分離等技術(shù)手段，能夠全方位確定病原體。在疫情暴發(fā)初期，中國(guó)疾病預(yù)防控制中心及相關(guān)科學(xué)家一起在最短的時(shí)間內(nèi)鑒定出了“新型冠狀病毒”[1-2]，為全球的疫情防控提供了“中國(guó)速度”。(2)重要基因分析。了解病毒的重要基因和蛋白質(zhì)特征是解析病毒、對(duì)抗病毒的必要手段。通過(guò)生物信息學(xué)預(yù)測(cè)和結(jié)構(gòu)生物學(xué)解析等技術(shù)方法，目前我們已經(jīng)明確了新型冠狀病毒的重要刺突蛋白Spike與人細(xì)胞受體蛋白血管緊張素轉(zhuǎn)化酶2(ACE2)的結(jié)合特征[3-4]。通過(guò)結(jié)合能的比較，已經(jīng)初步闡明了新型冠狀病毒高效入侵人體細(xì)胞的分子機(jī)制。但是到目前為止，我們對(duì)于病毒的大部分蛋白的功能還知之甚少。例如，有潛在變異能力的ORF8基因(ORF：開(kāi)放閱讀框)的變異與病毒性質(zhì)的影響。(3)病毒溯源。對(duì)于了解與控制疫情，追溯病毒源頭是一項(xiàng)非常重要的研究工作。只有了解了病毒從自然界到人的過(guò)程，才能做好防范，防止疫情多源暴發(fā)與重來(lái)。目前，通過(guò)人群中和野生動(dòng)物中的病原調(diào)查，已經(jīng)確認(rèn)了新型冠狀病毒的自然源頭是蝙蝠種群中存在的冠狀病毒[5]，但是中間宿主還不明確。包括穿山甲在內(nèi)的很多野生動(dòng)物都是需要調(diào)查的對(duì)象。這方面的工作依然任重道遠(yuǎn)。(4)傳播動(dòng)態(tài)。對(duì)于疫情的判斷，除了需要進(jìn)行深入的流行病學(xué)調(diào)查，大量病毒基因組的解析同樣十分重要。流行病學(xué)調(diào)查可以告訴我們疾病流行的群體、傳播途徑、播散范圍等；如果能夠很好地結(jié)合病毒基因組信息，我們可以很清晰地了解病毒的傳播鏈，傳播過(guò)程中的基因組變異特征。到目前為止，病毒的多態(tài)性特征仍表現(xiàn)為以隨機(jī)突變?yōu)橹?，并未形成明顯的適應(yīng)性特征，也表明了病毒持續(xù)存在對(duì)于人群的高適應(yīng)性。因此，隔離才是目前控制病毒的唯一有效手段。(5)疫情流行預(yù)判。既往經(jīng)驗(yàn)告訴我們，如果能夠掌握大量的病毒基因組信息，我們就能夠有效地對(duì)疾病的流行進(jìn)行預(yù)判。通過(guò)進(jìn)化生物學(xué)研究，我們能夠發(fā)現(xiàn)病毒在傳播過(guò)程中的重要時(shí)間和空間節(jié)點(diǎn)，能夠掌握在疾病救治過(guò)程中的關(guān)鍵變異與疾病進(jìn)展的關(guān)系。

初步了解了病毒基因組解析的意義，那么我們應(yīng)該如何來(lái)開(kāi)展研究呢？一個(gè)最直接的方式就是對(duì)病毒基因組進(jìn)行大量測(cè)序。在2013—2016年埃博拉病毒感染暴發(fā)期間，全球的科學(xué)家對(duì)于10%左右病例中的病毒基因組進(jìn)行了測(cè)序和研究，從而發(fā)現(xiàn)了病毒的重要傳播路徑、疫情防控的關(guān)鍵時(shí)間和空間、病毒在人群中的適應(yīng)位點(diǎn)、病毒在宿主內(nèi)的多態(tài)性與潛在治療靶點(diǎn)等[6-7]。這些發(fā)現(xiàn)為研發(fā)疫苗與藥物提供了重要的科學(xué)依據(jù)。具體到這次新型冠狀病毒感染肺炎疫情，有幾個(gè)方面的基因組解析工作非常關(guān)鍵和重要。(1)武漢地區(qū)的基因組解析。武漢作為本次疫情的流行中心，也是到目前為止全球病例最集中的區(qū)域，存在最廣泛的病毒多態(tài)性。這將是我們還原疫情暴發(fā)和全球播散的最重要節(jié)點(diǎn)。只有明確了武漢的病毒流行特征，才能理解全球的傳播。因此，武漢地區(qū)的病毒基因組解析至關(guān)重要！到目前為止，在公開(kāi)數(shù)據(jù)中存在武漢地區(qū)病毒基因組數(shù)量還非常有限。(2)其他流行區(qū)域的病毒基因組解析。對(duì)于武漢之外的流行區(qū)域，病毒是以引入的方式進(jìn)入該地區(qū)。因此，對(duì)于引入的源頭、單次或多次引入、初始病毒的特征、病毒在該地區(qū)的傳播鏈等是亟需回答的重要科學(xué)問(wèn)題。(3)病例治療過(guò)程中的基因組測(cè)序。對(duì)于經(jīng)過(guò)治療的病例，我們還需要了解在治療過(guò)程中的病毒變異情況，是否出現(xiàn)定向進(jìn)化、是否存在趨同性等。這些都是對(duì)于了解治療過(guò)程和治療效果的重要數(shù)據(jù)。(4)動(dòng)物與環(huán)境中的病毒基因組測(cè)序。由于中間宿主及動(dòng)物到人的傳播路徑還不明確，因此，對(duì)于野生動(dòng)物和環(huán)境樣本的病毒基因組、宏基因組測(cè)序仍然是一個(gè)重要工作方向。首先，我們對(duì)于蝙蝠中存在的冠狀病毒多態(tài)性了解得太少，目前發(fā)現(xiàn)的除了最接近新型冠狀病毒的相似度96.3%的RaTG13基因組，我們還在蝙蝠中發(fā)現(xiàn)了93%相似度的基因組，在穿山甲中發(fā)現(xiàn)了90%相似度的基因組。根據(jù)SARS病毒的研究經(jīng)驗(yàn)，果子貍作為病毒傳播的中間宿主，其病毒與人SARS病毒相似度為99.8%[8]。因此，只有發(fā)現(xiàn)更高相似度的病毒，我們才有可能找到病毒的中間宿主，才能厘清病毒從自然疫源宿主進(jìn)入到人群中的路徑，避免疫情再次暴發(fā)。

目前，新型冠狀病毒感染肺炎疫情逐漸變得穩(wěn)定可控，因此，進(jìn)行大規(guī)?；蚪M調(diào)查來(lái)還原疫情暴發(fā)的原貌勢(shì)在必行。由于目前數(shù)據(jù)庫(kù)中新型冠狀病毒的基因組多是采用咽拭子樣本的二代測(cè)序方法解析，也有利用培養(yǎng)病毒、肺泡灌洗液、血液等樣本或者利用三代納米孔測(cè)序進(jìn)行基因組解析，造成了基因組數(shù)據(jù)解析的不標(biāo)準(zhǔn)化。因此，對(duì)于不同方法學(xué)的建立與評(píng)價(jià)也是當(dāng)前的一個(gè)重要科學(xué)問(wèn)題，核心目標(biāo)就是能夠產(chǎn)生高質(zhì)量的病毒基因組，從而減少實(shí)驗(yàn)方法和測(cè)序誤差帶來(lái)的計(jì)算偏差和結(jié)果誤讀?？梢灶A(yù)計(jì)的是，當(dāng)大量基因組數(shù)據(jù)產(chǎn)生之后，對(duì)于算力的需求，以及計(jì)算方法的標(biāo)準(zhǔn)化、計(jì)算結(jié)果的科學(xué)解讀都將成為隨之而來(lái)的重要問(wèn)題。筆者認(rèn)為，對(duì)于以上方面的提前籌劃和部署至關(guān)重要。

面對(duì)本次疫情，我們不能各自為戰(zhàn)，開(kāi)展地區(qū)合作、全球合作非常重要。病毒已經(jīng)在全球播散。病毒的傳播已經(jīng)由單向傳播向交互傳播進(jìn)行轉(zhuǎn)變，對(duì)于病毒的研究，已經(jīng)不能簡(jiǎn)單局限在某一個(gè)點(diǎn)，某一個(gè)時(shí)間段，而更需要站在全球的視野，從多個(gè)角度來(lái)解析。病毒基因組與進(jìn)化的解讀是屬于具象的科學(xué)范疇，應(yīng)該由專(zhuān)業(yè)人士共同完成。因此，亟需整合國(guó)內(nèi)外的頂尖專(zhuān)家，廣泛開(kāi)展國(guó)際合作來(lái)深入、正確地理解病毒基因組與演化規(guī)律。