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Sep. 27 2021

比Delta還可怕的變異株是否即將到來?病毒演化提供了線索

  • 專家相信,Delta變異株或許已經開始在類似印度孟買這個擁擠的每週市場等地方傳播。PHOTOGRAPH BY ASHISH VAISHNAV, SOPA IMAGES, LIGHTROCKET VIA GETTY

    專家相信,Delta變異株或許已經開始在類似印度孟買這個擁擠的每週市場等地方傳播。PHOTOGRAPH BY ASHISH VAISHNAV, SOPA IMAGES, LIGHTROCKET VIA GETTY

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專家正在探討病毒的變異趨勢,以理解為什麼會出現像Delta這樣的高傳染性變異株──以及接下來可能會發生什麼事。

去年10月在印度某處,有個人──他可能免疫功能不全,或許正在服用類風溼性關節炎的藥物,或者有嚴重的愛滋病──染上了COVID-19。

他可能是輕症病例,但因為他的身體無法清除冠狀病毒,所以病毒留在體內持續複製。隨著病毒複製並移動到一個又一個細胞,部分遺傳物質的自我複製開始出錯。這個人可能生活在成員眾多的家庭,或出門去了一間繁忙的市場購買食物,但不論是在哪裡發生的,變異的病毒已開始傳播給別人。專家相信,這種在單一個體身上發生的特殊狀況,可能就是Delta變異株誕生的過程,它如今在美國與世界各地造成巨大災害。

在COVID-19大流行期間,我們已經發現數千個變異株,其中四個被世界衛生組織(WHO)認為是「高關注變異株」(Variant of Concern)──Alpha、Beta、Gamma、Delta,全都在GiSAID及CoVariants等網站受到科學家密切追蹤。根據歐洲研究人員的資料,Delta是目前傳染性最強的變異株,大約比最早流傳的病毒強97%。不過,Delta會是全世界見過最可怕的變異株嗎?了解變異發展的方式將能幫助我們理解是否有更多令人擔憂的變異株即將出現。

雖然研究病毒的微生物學家無法預測疫情變化會發生的地點和確切時間,以及病毒內哪些遺傳密碼會改變,但他們原本就預料到印度的疫情變化──或者可能發生在其他地方的其他變化。密西根大學微生物與免疫系的系主任貝瑟妮.摩爾(Bethany Moore)說:「每次病毒進入細胞,就會複製自己的基因組,這樣才能散播給其他細胞,而這個過程可能會出錯。」

變異的出現通常是隨機且自發性的,而非系統性的。

大多數變異要嘛殺死病毒,要嘛因為無法傳播而消失。當感染者接受隔離,或散播病原給一小群感染後留在家中的其他人時,變異就會無法傳播。

但如果有足量變易產生,有些變異會走運(以病毒的角度來看)並把握機會傳播。也許當一名感染者參加一場人潮眾多的體育賽事或一場婚禮等大型室內聚會,就可能出現這種狀況。匹茲堡大學醫學院的微生物學與分子遺傳學教授范恩.庫柏(Vaughn Cooper)說:「這就像是在許多微小變異的悶燒餘燼上方吹起了一陣演化強風,為它們燃起希望。這些變異通常會滅絕,但是當感染到處肆虐時,天擇就會占上風。」

冠狀病毒比其他病原更容易變異

科學家總是預期會見到SARS-CoV-2的變異株,因為比起人類及動物甚至其他某些病原,冠狀病毒必然會更草率地複製自己的基因組和遺傳密碼。冠狀病毒不是由雙股螺旋的DNA攜帶基因,而是單股RNA。庫柏說:「由於非常古老的意外史,複製新RNA的酵素更容易出錯。」不過他指出,冠狀病毒不像流感病毒等其他RNA病毒一樣留下那麼多變異,這是因為有一種校對酵素負責檢核冠狀病毒的複製成果。庫柏說:「進入病患身體再從該病患體內出來的大部分病毒都是相同的。」摩爾說,對於冠狀病毒而言,據估計大約每100萬個複製的RNA單位會出現一次錯誤。

但病毒不需要很多馬虎複製的RNA就能在世界上造成巨大災害。耶魯大學公衛學院的傳染病流行病學家史坦.維爾曼德(Sten Vermund)說:「醫療專業人員總是擔心呼吸性疾病大流行的威脅是有原因的。」比起需要接觸、性交或衛生不佳才能傳播的病原,在我們呼吸或說話時傳播的病原會傳染更快。更嚴重的是,我們往往在知道自己染上COVID-19或其變異株前,就已經開始傳播它們了。

到目前為止,科學家已經定序超過100萬種SARS-CoV-2病毒的基因組(即全套的遺傳物質),他們很積極追蹤這種病毒的演化方式,以確認如何最有效地防止人類受到它的侵襲。英國是這項追蹤工作的領袖之一。今年稍早,英國發起了一項斥資350萬美元的計畫來研究新興變異株的影響。美國的定序工作很慢才開展,但在2020年秋季,美國疾病管制與預防中心 (CDC)發起了國家SARS-CoV-2病毒株監測(National SARS-CoV-2 Strain Surveillance,NS3)計畫,與大學和私人實驗室訂立契約來定序在該國傳播的冠狀病毒。目前在這項計畫之下,已經有數十萬個基因組經過定序。

摩爾說,只有當一種病毒的隨機變異組賦予病原優勢時,這些隨機變異組才會被分類為變異株。每個變異株內都有亞變異株(subvariant)(如稱為Pango的替代命名系統所示,Delta的名稱是B.1.617.2,後面的數字代表子譜系)。儘管如此,基因組的整體藍圖仍然相同。她指出,如果SARS-CoV-2變異的方式會改變它的重要性質,它就可能成為一個新物種,或許是SARS-CoV-3。

趨同演化

庫柏說,已經「生根」的變異能保留下來是有原因的,例如藉由幫助病毒增加傳染力、感染力、致病性,或逃脫人類免疫系統的能力。

不過庫柏說,相較於任何特定的變異,科學家比較擔心多種獨立變異株出現類似變化,「因為那暗示著這些變化讓病毒在演化上更強壯了」。這個現象在演化生物學稱為趨同演化(convergent evolution)。

舉例來說,在所有高關注變異株中,有一種常見的變異發生在棘蛋白的一個區段,棘蛋白就是冠狀病毒表面散布的突起,能協助病毒感染人類細胞。在第614位點,有一種胺基酸(稱為天冬胺酸)跟另一種胺基酸(甘胺酸)互換了。這種稱為D614G的變異使病毒的傳染力和感染力更高。

另一種稱為L452R的常見變異會把白胺酸翻轉為精胺酸,這同樣是在棘蛋白上的變異。研究人員定序了美國各地數以百計的病毒樣本之後,最近指出L452的變異出現在超過12種不同譜系,這一事實顯示該變異為冠狀病毒賦予了一個重要優勢。L452變異除了使病毒更頑強地附著細胞之外,也可能協助病毒感染具有一定程度免疫力的人。

因為棘蛋白對於開發疫苗和治療非常重要,所以愈來愈多研究已經開始探討棘蛋白的變異與冠狀病毒其他蛋白的變異之間的差異。不過,美國國家衛生研究院(NIH)轄下國家醫學圖書館(National Library of Medicine)的演化病毒學專家奈許.羅克曼(Nash Rochman)說,我們也必須注意這個領域之外的問題。羅克曼是近期一篇論文的共同作者,該論文的結論是雖然棘蛋白是一個重要位置,但病毒的另一個稱為核殼蛋白(nucleocapsid protein)的部位也很重要,這種蛋白構成了圍繞病毒RNA基因組的外膜。

羅克曼說,其實這兩個區域或許會一起發揮作用。「如果變異株具有〔棘蛋白〕變異,核殼蛋白卻沒有任何變化,它的行為或許會跟兩個區域都有變異的變異株很不一樣。」不同群組的變異協同作用是一種稱為上位作用(epistasis)的概念,而羅克曼與同事進行的模擬顯示,一小群在不同位置的變異能夠集體產生重大影響,幫助病毒躲避抗體,進而使疫苗的效果降低。

今年出現在美國的變異是疫情大流行未受控制的理由。維爾曼德說:「正當我們在疫苗接種方面有所進展時,Delta也出現了。」病例發生率並沒有像預期般因為疫苗而下降,而是因為Delta的高傳染力而增加了。他說:「如果當時只有Alpha傳播,病例數就不會增加了。」

病毒會獲得能幫助它逃脫疫苗的變異,這件事當然是每個人最大的擔憂。目前在美國得到授權的三種疫苗都仍有保護力。(最新的「需留意變異株」Mu確實看起來會削弱疫苗的效果,但這次它沒有廣泛傳播。)有些人認為,有一小部分的已接種者檢測出陽性或發展出症狀,代表病毒正在超越疫苗,但維爾曼德說並不是如此。他說:「我討厭『突破性感染』這個詞,因為它在科學上會誤導人。」他說,疫苗不像是反彈克林貢人的能源護盾。反之,它們會允許敵人登艦(因此檢測是陽性),但敵人會立即被一群全副武裝的艦員包圍。

由於全球人口只有一小部分已經接種(大約43%施打了至少一劑,但低所得國家只有2%的人口已經接種),所以病毒還沒有足夠動機來勝過已接種者的免疫系統。庫柏說:「躲避疫苗並不是病毒現在想要的功能。」對於病毒來說,比較輕鬆的做法是尋求更好的新方法來感染那些尚未具有免疫力的數十億人。

儘管如此,沒人知道未來會有什麼樣的變異,它們又會造成多大傷害。維爾曼德指出,地球上95%的人能在48小時內造訪另一個地方──這在COVID-19的潛伏期內──因此即使變異株是在一個偏遠、低人口的地區出現,依然能成為全球問題。

耶魯醫學院的病理學家大衛.皮柏(David Peaper)負責主導耶魯紐哈芬醫院的臨床微生物學實驗室,他說:「病毒複製時就會發生變異,所以阻止未來變異株的最佳方法就是嚴厲限制全世界發生的病毒複製量。」他說,這就是為什麼讓美國和全世界的每個人接種疫苗是我們能做的最重要的事。「只要世界上任何地方有SARS-CoV-2,危險的變異株就有機會出現。」

 

延伸閱讀:為什麼有些無症狀COVID-19感染仍會造成傷害? / 這場全球大流行會如何結束?

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