新冠病毒突變逃脫秀

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醫學

新冠病毒突變逃脫秀
新冠病毒突變逃脫秀

2021-08-01 黃瑽寧

英國變種病毒、印度變種病毒、南非變種病毒、 巴西變種病毒接連引發新一波大流行,但這些 變異株真的產生強大的傳染力與致病力嗎?

過去一年多來,新型冠狀病毒(SARS-CoV-2,簡稱新冠病毒)在全球已出現多種變異病毒株,在媒體上時有所聞,例如「英國變種病毒」、「印度變種病毒」、「南非變種病毒」。當然只是「變種」二字恐怕無法吸引讀者目光,一定要加上「驚傳」、「恐怖」、「致命」等形容詞,才能凸顯變種病毒的重要性。然而,新冠病毒真的像變形金剛一樣,會持續不斷演化,志在消滅所感染的物種嗎?還是這些變種病毒,只是自然界的常態,不需要太過度解讀呢?

突變並不快速

新冠病毒「人如其名」,屬於冠狀病毒(coronavirus)的一種,為一正單鏈RNA(positive-sense single-stranded RNA)病毒。它的單鏈基因組,在RNA病毒中是數一數二的長,全長將近三萬個核?酸,這麼「落落長」的基因組,理論上突變率應該很高,基因也相對不穩定才是。

然而,此病毒能長久穩定生存在生態之中,必定有它的保護機制。冠狀病毒透過其非結構蛋白-14(non-structural protein 14, nsp14)的糾錯功能,讓它相較於動物界其他RNA病毒,竟然出奇穩定,突變率並不算太高。以新冠病毒為例,其突變率大約是1.1×10-3核?酸/位點/年(subs/site/year),這個突變的速度甚至比流感病毒還要低十倍有餘。

有鑑於此,《美國國家科學院學報》(PNAS)在去年時刊登了兩篇文章,大膽以〈突變率太低,會是新冠病毒的致命傷!〉(Low genetic diversity may be an Achilles heel of SARS-CoV-2),與〈新冠肺炎疫苗,應可防護所有流行的病毒株〉(A SARS-CoV-2 vaccine candidate would likely match all currently circulating variants)做為標題,凸顯對這種新興病毒未來的樂觀態度。

以後見之明來評論,當初這兩則標題,可謂被賞了兩大巴掌,臉上熱熱辣辣的。不過,儘管新冠病毒並非如當初所想像的容易制伏,也不代表人類需要過度恐慌,甚至理盲濫情地悲觀。畢竟這是人類第一次以巨量資料技術和高科技醫療體系,面對體內毫無抗體可保護的病毒大流行(pandemic),大部份的改變都在預料之中,當然,也永遠有新的黑天鵝出現。

前所未有的地毯式觀察

要說到新冠病毒的各種變異株,就不能不提「全球共享流感數據倡議組織」(Global Initiative on Sharing All Influenza Data, GISAID)這個平台。GISAID於2008年成立之初,是為了建立一個共享平台,讓全球科學家可自由上傳流感病毒基因序列與數據,分享流感病毒變異情形。GISAID的資料庫是完全公開,科學家可任意下載病毒基因序列,進行研究,甚至用來開發篩檢試劑或疫苗。

在去年1月12日,當中國科學家把第一組新冠病毒全基因序列上傳到GISAID之後,這一年多以來,世界各地的科學家竟然孜孜矻矻地上傳超過100萬組的新冠病毒相關序列!這樣龐大的基因序列庫,讓新冠病毒得到史無前例的無限關注,每一個突變位點、每一個細微的變化,都在巨量資料下無所遁形,人類歷史上任何一次疫情,從來沒有如此鉅細靡遺觀察過。

病毒的突變雖然是隨機的,但能存留下來的突變,或許就是因為能增加對宿主的適應性(fitness),幫助病毒生存或繁殖。很多人對於「適應性」三個字,想到的僅只於傳染力(transmissibility)增加而已,但這種想法似乎有一點太過侵略主義。事實上,病毒的適應性還包括對宿主環境的融入、對不同細胞的向性(tropism)、免疫逃脫(immune escape)、抗藥性的生成,當然也包括病毒繁殖力(viral replication capacity)的提升等。這麼多因子的交互作用之下,就可以解釋為什麼病毒的某些基因突變,看似對繁殖力毫無幫助,卻莫名其妙地增加了適應性而存留,以新冠病毒而言,D614G的突變就是一例。

變異病毒株D614G

去年4月,新冠病毒第一個上頭條新聞的變異株是D614G,它快速取代舊有武漢株,三個月之內席捲了全世界所有流行區。D614G突變受到極大的關注,除了流行病學上的快速散播之外,另一個主要的原因,是突變的614這個位點。

D614G這個詞,意味著此病毒在病毒「棘蛋白」(spike protein)的第614個位點上,從本來的天門冬胺酸(aspartic acid,代號D),突變為甘胺酸(glycine,代號G)。614這個地理位置,相鄰於棘蛋白的受體結合區(receptor-binding domain, RBD)旁,RBD是與人類細胞受體「第二型血管收縮素轉化?」(ACE-2)接合的最關鍵區域,這讓人很難不對D614G這個變異株,帶有細思極恐的各種臆測。

果不其然,各式各樣的初步研究報告指出,D614G在細胞研究中看起來繁殖力變強,流行病學上看起來傳染力變強,連致病力(pathogenicity)也跟著變強。嗜血媒體立刻斷章取義,報導這類變種病毒「病毒傳染力暴增十倍以上」、「讓痊癒者再入院」、「病人慢性死亡」等,擁有這些「超能力」,D614G變種病毒簡直要飛上天了。

但這些說法實在太倉促,畢竟基礎病毒學研究,需要大量的時間投入,才能琢磨出答案。舉例來說,即使在實驗室發現細胞培養出來的病毒量變多,並不代表此病毒在人體的呼吸道,也能讓感染者的病毒量增加。即使用反轉錄聚合?連鎖反應(RT-PCR)來檢測,發現感染者的循環閾值(Ct值)較低,也不代表真正具有感染力的活病毒數量同樣增加。再退一步思考,就算證明從人體噴出來的活病毒較多,很有可能這個突變也犧牲了與ACE-2受體的親和力(avidity),導致傳染力不升反降。所以,當初惡名昭彰的D614G變異株,最後到底有沒有增加傳染力呢?

答案是沒有。經過一連串研究,抽絲剝繭慢慢追根究柢,D614G的突變雖然增加了病毒的適應性,但由於它犧牲了與ACE-2受體的親和力,一消一長之下,傳染力並沒有特別增加,也沒有特別減少。當然,半年期的研究還不夠,如果能進一步用動物實驗來證明D614G的病毒特性,或許我們能更了解這個突變對於新冠病毒的價值。

然而,就在去年10月,比D614G更令科學家傷腦筋的變異株出現了,並且這次出現的不只一種,而是來了三種,分別從不同國家傳出,轉移了眾人的注意力。

變種病毒的大躍進

回溯新冠病毒的歷史,從2019年12月開始流行,一直到2020年10月之間,該病毒的突變速度非常穩定,平均每個月增加大約兩個突變位點,完全符合過去對冠狀病毒的預期。然而去年入冬後,英國英格蘭東南部的肯特郡(Kent)某位研究員,卻發現了一種奇怪的現象。

當時英國RT-PCR所採用的三種篩檢片段,分別是新冠病毒的N基因、ORF1ab基因和S基因。說也奇怪,過去RT-PCR得到的結果,通常都是N、ORF1ab和S三者皆陽性,或三者皆陰,然而那一陣子的病人檢體,時常呈現N與ORF1ab陽性,S卻陰性的「三缺一」現象。雖然並沒有因此而誤診,但屢屢發生類似的情形,難道是檢驗試劑品管太差,該換一家公司了嗎?

這樣的情形一而再,再而三地發生,同業之間也發現,這已經是整個地區性的問題。經過仔細追查,才發現並不是檢驗試劑不準確,而是出現一類新的病毒株──突變了!這類編號B.1.1.7的病毒,就是著名的英國變種病毒,經過定序發現,此病毒突變的位置多達23處,其中包含13段胺基酸變異,還有4段基因的缺失。其中一段基因的缺失就位在棘蛋白上,也因為這段消失的69-70del,讓S基因的RT-PCR檢測呈現偽陰性,造成「三缺一」的奇怪現象。也因此在某些醫學文獻上,英國變種病毒還有另一個名字,叫做S基因陰性(S-gene target failure, SGTF)。

病毒一次突變這麼多個位點,令人出乎意料,如果比照之前的突變率,幾乎等同於累積一整年冠狀病毒的突變!驚魂甫定的英國衛生部,立刻於去年12月8日成立「新興病毒諮詢委員會」(NERVTAG),把這類病毒歸類為「高關注變異株」(variant of concern, VOC)。與此同時,在這個委員會發表的聲明中,還透露了一堆讓人心驚膽跳的數字:B.1.1.7的病毒傳播率提升71%,基本傳染數(R值)增加0.57,Ct值平均下降2(表示病毒量較高),有九成的感染者是60歲以下的成年人或年輕人等,全球的媒體爭相報導這些數字,讓全球再次陷入恐慌。

但是這些數字,除了Ct值之外,全都是藉由流行病學的觀察數據,再用數學公式推估出來的,在嚴謹的病毒學研究中是否具有實質意義,直到如今仍沒有絕對的定論。當時宣稱的病毒傳播率提升71%,經過一段時間的觀察,也逐漸下修到40%。即使該病毒的傳染力確實增加,究竟是病毒本身的突變,還是人類改變活動模式所造成?這些因素都很難在第一時間釐清,必須有更多的基礎研究來找出答案......

【欲閱讀全文或更豐富內容,請參閱〈科學人知識庫〉2021年第234期08月號】