被索菲娅斯
Shreya Mantri的人物

2019年12月初,一种类似肺炎的神秘疾病的首批报告浮出水面。快进到2021年,罪魁祸首sars - cov -2,一种比一粒尘埃小一千倍的病毒已经患病超过11100万人,感染了所有七大洲, 和造成约250万

Covid-19的收费是心脏扳手和凹陷的边界。我们的流行性礼物是超现实的:病毒如何在蝙蝠分发数百万年一跃成为人类,突然让我们的世界陷入一场长期的流行病?这种病毒是如何在短短几个月内不断变化,从一种变体变成另一种变体的?

回溯SARS-COV-2的难以捉摸的起源,导致Covid-19的病毒是一种科学侦探故事,具有教导我们如何在病毒前保持一步,保持有效的诊断测试和疫苗,并逃脱每年的检疫和锁定。令人惊讶的是,这是一个以12个字母的错字开始的故事。

瘦,平均,RNA机

SARS-COV-2(也称为NCOV-2019)是冠状病毒,一种用于命名的病毒独特的“王冠”尖刺涂层表面。SARS-CoV-2的结构明显呈流线型。在最基本的层面上,病毒可以被描述为包有刺突的RNA核苷酸(a、C、G和U)。

图1. SARS-COV-2 RNA基因组。与人类基因组相比 - 这似乎超过30亿DNA碱基对长 - SARS-COV-2基因组非常有效,由大约30,000个RNA核苷酸组成,编码蛋白质用于病毒转录和复制。基因组的一个特别重要的部分是编码尖刺蛋白(绿色)的区域,其决定了病毒颗粒可以渗透和感染宿主细胞的有效性。

这些尖峰在Covid-19的传播中发挥着重要作用。与所有病毒一样,SARS-COV-2缺少复制的工具,或者制作更多的副本。复制,SARS-COV-2必须进入和感染宿主细胞,劫持宿主电池的机械,并疯狂地泵出新的SARS-COV-2病毒颗粒。但是,进入人类宿主细胞并不是微不足道的。在地球上,有不仅仅是千万巨头个体病毒。只有一个非常小的部分 - 约200病毒 - 可以感染人类。对于任何平均病毒,未感染的人体细胞就像锁定的钛门;没有适当的尖峰或“关键”,病毒几乎不可能闯入。直到最近,SARS-COV-2没有右键。

但在2019年末的某个时候,SARS-CoV-2基因组突然发生突变,提供了正确的关键。SARS-CoV-2突增蛋白的这种突变,加上邻近人类居住地等各种其他因素,为SARS-CoV-2跨越物种界限创造了完美的风暴。

突变的倾向

基因组就像是创造有机体的独特配方。例如,SARS-CoV-2基因组储存了大约30,000个核苷酸如何制作SARS-COV-2病毒粒子。对于SARS-COV-2复制,必须将其基因组被复制核苷酸 - 核苷酸超过一百万次只需一个宿主。通过每个宿主中的细胞数乘以百万份副本,您可以快速接近天文数的复制和粘贴的SARS-COV-2基因组。

然而,这种复制过程并不完美,而且可以产生被称为突变的核苷酸错别字。突变通常是一个随机事件,可以添加新的核苷酸,删除旧的核苷酸,甚至在一个称为重组的过程中混合不同序列的核苷酸。科学家们甚至根据SARS-CoV-2的复制易出错程度计算出了预期的突变数量:每1000个碱基大致突变一年内。在上下文中放置这个号码:如果SARS-COV-2的给定血统从一个人传播到下一年,则预计血统的病毒基因组将积聚大约24个突变。为了比较,流感在一年内平均每1,000个碱基进行约两个突变。

随着时间的推移逐渐累积病毒基因组中的突变是正常的和预期的。事实上,绝大多数这些突变不改变病毒的表现(零突变)或对病毒的复制或感染宿主的能力产生负面影响(有害突变)。最重要的是,这些突变随机发生。病毒不能恶意地计划他们的突变或变异以实现特定目标。在病毒基因组中只有很少有突变有助于病毒复制。除了在复制期间通常生产的所有突变体中,它只是那些(1)继续复制的那些(2)显示一组与所考虑的父谱系不同的继承突变变体

图2.观看SARS-COV-2系列实时生长。就像我们如何让家庭树一样让家庭树跟踪我们家族历史的不同分支,科学家随着时间的推移,构建SARS-COV-2变体和突变的系统发生(或“家谱”)。研究SARS-COV-2的系统发育的研究是有利的,在许多方面都有信息,分享有关病毒如何进入不同国家的细节,在整个新的人口中传播,以及沿途累积了几种基因组改变。

尽管SARS-CoV-2的确切起源尚不清楚,但科学家已经追踪到这种变异从动物到人类的跨越,其原因是插入了12个额外的核苷酸:CCUCGGCGGGCA。无论是通过与另一个病毒序列的重组还是随机的内部突变,这个序列被称为Furin Motif.- 锁定的人体细胞并创造了SARS-COV-2,一种来自冠状病毒家谱的人类兼容和高度传染性的血统。

监视,测序和RNA侦探

病毒大流行的范围和规模非常依赖于各种因素,有些因素有关受影响的人口和一些与病毒本身有关的因素。病毒群体尺寸和可用基因组变异的病毒因素起到关键作用。某些病毒 - 尤其是SARS-COV-2等RNA病毒,更好地促使培养比其他人的不同变体群体。SARS-CoV-2比其他RNA病毒更耐受基因组变化,并获得了广泛的社区传播和传播。当诸如与人体宿主细胞良好结合和逃避免疫系统中和的选择压力等障碍开始堆积时,SARS-CoV-2群体中的变异有大量的基因组后路可依靠。

图3。SARS-CoV-2基因组变异增加了适应潜力。虽然SARS-COV-2比其他病毒更慢,但在寒冷或流感病毒等其他病毒,因此,由于SARS-COV-2首先使从蝙蝠跳到人类,因此越来越多的变体和突变的患者已经积累。已经显示出许多这些变体来增加病毒的传播性,但不会大大改变病毒本身,并且尚未证明(of of of)以影响免疫力。

跟踪SARS-COV-2的基因组历史的测序数据可能是对突变的如何且何时出现的信息。这些数据代表了从受感染者采样的SARS-COV-2基因组的完整目录,并且还用作拾取在受影响人群中静静地循环的变体和突变的监测策略。迄今为止,超过610,000个SARS-COV-2样品已经被测序,可以进行强大的分析,比如变体跟踪和基因组流行病学。来自这些样本,超过27,250个单一突变已被检测到。实时,科学家正在跟踪Covid-19患者样本中某些变体和突变的频率,在不同国家的SARS-COV-2变体中建立谁的人口普查。

图4。SARS-CoV-2变异病毒在人群中的传播和覆盖是动态的。在给定的一片时间内,不同的SARS-COV-2变体具有不同的覆盖 - 或引起总Covid-19例的不同比例(在没有感染(0)之间的所有感染(0)和y轴上的所有感染(1))- 在感染的人口中。随着新突变体的发展变得更加传染性,它们可以更好地覆盖感染的人群的群体而不是观察到的第一个菌株,并且可能导致更多的Covid-19例。例如,在美国,许多不同的变体已经在过去一年中流通。如果美国的某人在2021年3月9日感染Covid-19,那么他们的感染可能是由变异(如B.1.1.7)引起的。但如果美国的某人在2020年3月感染了Covid-19,那么他们的感染可能是由进入美国的Covid-19的原始版本引起的(不是变体)。

今天,SARS-CoV-2的平均基因组携带10个或更少的突变,大多数突变作为“乘客”,或良性基因组搭桥,不影响病毒生物学。很少有SARS-COV-2病毒就像B.1.1.7变体一样,体育一个工具包17突变这位科学家相信可能增加它的传染性。B.1.1.7首次在英格兰于2020年9月中旬在英格兰检测到。11月中旬,它代表20%到30%Covid-19案件在伦敦。到12月初,Covid-19患者的比例由B.1.1.7变体引起的造成的膨胀程度60%。在几个月的过程中,B.1.1.7 Variant突破了其父病毒,在英国新的Covid-19案件中对新的Covid-19案件产生了新鲜的浪涌。科学家已经预测,这种模式将在其他地方再次发生:根据CDC建模1月份,B.1.1.7变种被预计成为主要的SARS-CoV-2变种到2021年4月。他们的模型现在是现实:截至2021年4月7日,大多数美国感染是由B.1.1.7变体引起的

幸运的是,目前B.1.1.7变异和其他检测到的变异似乎没有逃避疫苗最近由辉瑞和Moderna研发的。然而,正如流感的频繁突变需要每年进行新的加强注射一样,完全有可能出现新的SARS-CoV-2突变,从而避开我们目前的防御前线。

如果一个无限数量的猴子捕获covid-19

1913年,法国数学家Émile Borel创造了一个比喻描述不同时间尺度对事件的影响大多数人本能地认为不可能是不可能的:“如果一个无限数量的猴子开始玩无限数量的打字机,其中一个将写一场莎士比亚的戏剧。”

在这个类比中,Borel用猴子作为任何因代理的占位符,随机输出对不可解决的规模的一系列字母。当考虑在SARS-COV-2复制期间一个宿主的一个细胞中产生的病毒基因组的纯粹数量时,Borel的类比似乎很适合描述广泛的Covid-19例的不利影响。

就像我们一样,病毒遵循基本的进化编程来传播,传播,传播。SARS-COV-2突变没有设计,随着时间的推移,也没有意图。每个复制循环都是公平骰子的遗传卷。然而,当病毒被赋予几乎无限数量的卷时,突变成为一个主要问题来击中累积奖金。当有数百万个体中存在不受控制的病毒蔓延时,SARS-COV-2有一个难以想象的机会变异成比以前更可怕的东西。

如果没有持续和持续的集体努力,不能最大限度地减少新宿主的SARS-COV-2的流通,我们正在有效地快速跟踪病毒进化,以超越我们最新的疫苗,最终将我们所有的牙医留下。像社会偏差,戴口罩和频繁洗手一样的步骤可以减少Covid-19的传播以及危险突变体的发展可能存在很长的路要走。


索菲娅·斯沃茨(Sophia Swartz)是哈佛大学分子和细胞生物学专业的大三学生。

Shreya Mantri是哈佛医学院生物和生物医学科学博士学位

想要查询更多的信息:

  • 要了解有关SARS-COV-2变体和突变的更多信息,请查看NextStrain.org网站,该网站提供了丰富的互动工具。下面有一些亮点链接了:
    • 全球基因组流行病学图包含SARS-CoV-2变异的系统发生(“系统发生”),全球不同变异的图谱(“地理”),序列保守分析(“多样性”),以及某些分支引起的病例比例(“频率”)
    • 情况报告详细介绍2020年1月以来COVID-19大流行的进展情况
    • 背景信息在冠状病毒和如何使用其分析工具
    • 研究Nextstrain的论文以及它如何实时跟踪SARS-COV-2的演变
  • 网站covariants.org.实时地分析不同的SARS-COV-2变体的出现和传播的特殊工作。
  • 对于对最近的变体的更深入讨论,包括B.1.1.7变体,探索特殊覆盖范围纽约时报这里
  • 如果您想知道如何想象SARS-COV-2变体的不同,请查看此项NPR山羊和苏打的文章描述ACE2受体的变化如何影响病毒的传播性。
  • 最近的研究试图预先找出哪些变异可能会出现,能够逃脱目前的抗体疗法(称为“抗体逃逸突变”,一篇研究文章联系这里)和效果持久性SARS-COV-2感染在免疫性患者中加速病毒进化。

一个想法“疯狂疯狂:SARS-COV-2如何以及为何保持变化

  1. 关于病毒是否“活着”的争论仍在继续。

    It seem that the ability of a virus to “procreate, procreate, procreate” is enough of a sign to signal that, even if a virus does not have the ability to ‘reason’ as humans do, a virus has the built-in imperative to propagate, albeit in a predatory manner, by using the host’s DNA.
    人类遵循了类似的模式:“生长,生育,生育”,并根据古生物学家的百万“突变”,以百万多的跨度,以明显的努力保持“活着”。

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