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Feb. 23 2022

關於Omicron變異株起源的三大理論

  • 2021年12月22日,在葡萄牙卡斯凱斯(Cascais)的Covid-19檢驗中心,醫療技術人員正在為群眾採樣。PHOTOGRAPH BY PEDRO FIÚZA, NURPHOTO VIA GETTY

    2021年12月22日,在葡萄牙卡斯凱斯(Cascais)的Covid-19檢驗中心,醫療技術人員正在為群眾採樣。PHOTOGRAPH BY PEDRO FIÚZA, NURPHOTO VIA GETTY

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科學家正嘗試精確找出這種高傳染性變異株究竟是從哪個地方、又是如何出現的,這樣才能為下一個變異株的出現做好準備。

2021年11月,Omicron橫空出世,讓科學家措手不及。不是因為它是一種新的病毒株,而是因為它有很多且不尋常的突變──有些很罕見,也有些是以前從沒看過的。而且,和它親緣關係最接近的並不是最近的變異株,而是比較早期的SARS-CoV-2版本,也就是在一年多前流行、造成COVID-19的病毒。

這也讓科學社群思考Omicron到底是從什麼地方冒出來的。有些學者提出,這個變異株可能是在某個免疫功能低下的人身上演化出來的;其他分子線索則指出,這個病毒從人類跳到動物身上、在動物身上演化後又跳回人類宿主。

病毒在人傳人的時候突變是很正常的,當病毒在複製時,基因碼無可避免會出錯,雖說大部分的突變可能是良性的,但如果某個突變讓病毒有了生存優勢,像是讓病毒的傳播力更強、或是加強了病毒逃過宿主免疫系統的能力,這個突變就可能留下來,造成擁有令人擔憂特性的新變種。

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「跟Omicron相比,我認為其他重要變異株其實沒那麼令人意外,因為Omicron簡直就像憑空出現。」加拿大薩斯喀徹溫大學的病毒學家琪拉.拉斯姆森(Angela Rasmussen)說。

針對其基因體的分析顯示,Omicron很可能是從2020年中的原始SARS-CoV-2支系分支出來的。SARS-CoV-2病毒通常每個月會得到兩個突變。就曾經流行過的每個支系來說,「〔突變率〕還蠻穩定的。」英國倫敦大學學院遺傳研究所的計算生物學家弗蘭索瓦.巴盧(Francois Balloux)說。在為期約18個月的時間裡,突變率也會指出這個分支出去的病毒株會得到約36個突變。

但Omicron基因碼的定序結果卻顯示有五十多個突變,其中至少有30個是位於非常重要的棘蛋白上,而棘蛋白是感染人類細胞所不可或缺的。「這是一個大跳躍。」巴盧說。而且,這些突變有許多是聚集在棘蛋白上,會跟抗體結合、阻斷SARS-CoV-2進入細胞的能力之處的周邊。

「那些突變全都聚在一起,」拉斯姆森說:「當然跟我們之前看到在人類族群裡流行的病毒株非常不一樣。」

長期COVID-19感染

過去兩年來,也出現有報告說特定免疫功能不良族群的COVID-19感染可能會持續好幾個月、甚至到將近一年。在沒有強健免疫系統的狀況下,病毒會持續繁殖,並累積可以改變外觀、以逃過能阻擋感染的抗體的突變。

「我們從其他病毒上面了解到,如果有個免疫功能低下的人感染了,跟其他人傳人的病毒相比,這個支系就能累積比預期更多的突變。」巴盧說。

這樣就可能出現新的突變組合,尤其是當某人的免疫系統並未迅速消滅新病毒的時候。然後本來可能不會存活的特定個別突變,就會珍藏在病毒的基因碼中,並在低免疫力的狀況下累積起來。某些個別突變組合在一起的時候,也可能對病毒有益,他說。

比方說,在南非,斯泰倫波什大學的病毒學家東蓋.馬蓬加(Tongai Maponga)和他的同事,就記錄到了一位正和晚期HIV對抗的病人身上的Beta變異株,用了至少九個月期間演化出超過20個突變。英國的科學家則是在另外三位晚期HIV病人身上記錄到新突變,他們感染SARS-CoV-2的Alpha變異株已經有好幾個月了。在葡萄牙,科學家在一位免疫功能不良的癌症病患身上紀錄到數量高得不尋常的SARS-CoV-2突變,他的感染持續了至少六個月,並曾接受抗病毒藥物瑞德西韋和消炎藥物皮質類固醇的治療。這些藥物可能抑制了病患的免疫系統,讓SARS-CoV-2更容易突變和適應。

觀察特定免疫功能低下的病患在長時間感染SARS-CoV-2時這種病毒的演化,「我們找到了曾在重要變異株上看過的相似處和突變。」南非夸祖魯-納塔爾大學的傳染病醫師理查.萊索斯(Richard Lessells)說。根據某些科學家的看法,Omicron可能就是這樣演化出來的。

儘管並不清楚這樣的長期COVID-19感染在人類族群中到底有多常見,特別是這樣的病人有好幾位都是無症狀患者,萊索斯說,「但這其實沒什麼關係──即使是極罕見的事件,如果變異株出現,然後又成功地傳播到某個族群內,那也只需要發生一或兩次就足以讓事情變得很嚴重。」

這也可以解釋,為何世界上許多地區在病毒基因監測方面的努力,在這個變異株已經感染許多人、也來不及阻斷傳播之前,都沒有發現這次罕見的SARS-CoV-2演化事件。

是否因為監測能力有限而讓Omicron在沒人注意到的狀況下出現?

不過還有另外一種假說也受到關注:或許Omicron就只是在相對來說較孤立、且分析COVID-19病毒樣本遺傳序列量能有限的地區演化出來的。這代表Omicron可以在未被發現的狀態下在一個族群中長時間流行。

舉例來說,重要的B.1.620變異株最早是2021年4月在立陶宛發現的,但根據學者追溯,其起源是在中非,當地有些國家一直苦於基因體監測量能有限。該假說繼續推測,儘管該變異株可能在當地盛行,但一直沒有人發現,直到出現了在歐洲和喀麥隆、馬利之間旅行的病例,才為人所知。

然而,拉斯姆森卻認為,這種假說可能不適用Omicron。「我認為這不太可能,因為地球上沒有很多族群是孤立到那種程度的。」她說:「〔長期下來〕我們一定會看到Omicron的先祖出現在族群中,也一定會在某個時間點被基因監測抓出來。」

Omicron是由動物宿主產生的嗎?

另一方面,中國科學院的遺傳學家錢文峰(Wenfeng Qian)則懷疑Omicron是在動物身上演化出來的──最有可能的就是小鼠和大鼠。過去這一年來,SARS-CoV-2感染過寵物貓、狗和雪貂,肆虐貂繁殖場,還擴散到動物園的老虎和鬣狗以及北美洲森林中的白尾鹿。

儘管一開始小鼠並不是SARS-CoV-2的好宿主,因為齧齒動物細胞表面的蛋白質受器會阻擋病毒的結合和進入,但有一項研究顯示,較新的變異株如Alpha、Beta 和Gamma的棘蛋白上都有一個名為N501Y的突變,讓新病毒可以在實驗室測試中感染小鼠細胞。Omicron也有這個突變。這個變異株裡也還有好幾個其他突變跟齧齒類的適應有關。

錢文峰和同事研究了Omicron基因中的45個突變,包括N501Y,他們指出其中某些突變符合通常從小鼠身上演化出來的冠狀病毒變異株。他們也發現Omicron前身的突變特徵,和人類宿主身上演化的SARS-CoV-2所觀察到的模式不一樣。RNA病毒,包括SARS-CoV-2在內,在感染人類、並在人體內演化的時候,通常會累積更多突變,突變中的基因砌塊鳥嘌呤(guanine)會被脲嘧啶(uracil)取代──也就是所謂的「G變U突變」。但Omicron前身的G變U突變數量有限,讓錢文峰認為這個變異株是在動物宿主身上演化的。不過就這種病毒來說,「我們無法辨識出到底是哪種動物。」他說。

SARS-CoV-2有可能是從感染的人類跳到小鼠或大鼠身上,在小鼠間傳播,並演化成Omicoron然後感染了可能接觸到這些動物的人類。這可能跟貂農場員工的案例類似,貂先是從被人類傳染COVID-19,然後突變版的SARS-CoV-2又在貂之間流行,最後感染了養貂的人。

不過,許多科學家還是支持Omicron可能是在免疫功能低下、又有長期COVID-19感染的人身上演化出來的。「只會在健康不佳、或沒有接受治療的HIV患者身上看到的那類突變,特別會讓人聯想到Omicron。」巴盧說。拉斯姆森也同意,但對她來說,這並沒有反駁動物起源理論,也沒有抹除接觸感染動物的可能風險。

馬蓬加、萊索斯和他們在南非的同事,正計畫要密切監測SARS-CoV-2病毒在嚴重免疫不良的HIV病人身上的發展。而另一方面,拉斯姆森和同事也計畫要調查如馬、牛、綿羊、山羊等家畜,還有像白尾鹿、浣熊與加拿大的小型食肉動物,以了解牠們有多容易感染SARS-CoV-2,尤其是對Omicron。

找出Omicron的起源或許無法協助我們克服疫情,她說。「但可以改善我們監測新變異株的方式。」

 

延伸閱讀:Omicron真的比Delta輕微嗎?聽聽科學怎麼說 / COVID-19會改變你的個性嗎?本文告訴你腦部研究的結果

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