追蹤新冠病毒突變

新型冠狀病毒(SARS-CoV-2)足跡遍布全球,在傳播過程中一再出現新的突變種,讓防疫工作與研究均困難重重。中央研究院廖俊智院長組織研究團隊,根據全球共享流感數據倡議組織 GISAID 資料,分析三十萬筆以上的病毒基因序列樣本資料,將病毒劃分為六大類型,其中「第六型」佔目前流傳病毒類型的 99%。日前,中研院也成立「病毒變異全球即時監測網」分享資料,讓全世界均能即時追蹤病毒變異。

突變,到底怎麼變?

COVID-19 疫情自 2019 年底爆發,隨著時間流逝,疫情不但沒有趨緩,多國甚至掀起二波感染潮。因為在一年的時間裡,新冠病毒沒有被壓制,突變種還像雨後春筍般現身。日前英國更出現了傳染力更高的新變種病毒。究竟是什麼原因讓新冠病毒變化得如此快速?

新冠病毒在穿透式電子顯微鏡下現形,可見病毒表現突起的棘冠。因新冠病毒是 RNA 病毒,突變速度快。中研院團隊將目前新冠病毒變異分為六大類型,目前全球流傳的幾乎都是第六類型病毒,未來團隊將持續追蹤病毒變異。
圖│維基百科

生物學中的突變(mutation)一詞,指的是細胞核裡的遺傳物質發生改變,可能是 DNA 最基本單位─核苷酸(nucleotide)發生一個或好幾個的缺失、重複或插入等變化。造成 DNA 突變的原因很多,像是 DNA 受到化學物質、紫外線、輻射或病毒影響,或僅僅只是細胞分裂、DNA 複製的過程發生失誤。

細胞全年無休,不停複製、分裂,DNA 受損或是複製出錯其實並不少見。但就像人類工廠對於商品會有瑕疵檢測、修復的 SOP,細胞對 DNA 突變也有相對應的修正機制。即使 DNA 序列異動後嚴重到無法修復,如果突變發生在無意義片段,或是單一核苷酸,大多成為沒有帶來任何影響的「中性突變」。

但,如果突變發生在會影響蛋白質製造的核苷酸片段(基因),就可能對生物有所影響。一般來說,這種基因突變的機率約莫是十萬分之一。

這次的疫情元凶新冠病毒是 RNA 病毒,比起 DNA 病毒或是一般細菌,更加容易突變。

RNA 病毒突變,比你想得容易!

「新冠病毒的遺傳物質是單股的 RNA (ribonucleic acid),RNA 結構不太穩定。」本次研究團隊的楊欣洲研究員幫讀者劃重點。相較於遺傳物質為 DNA 的病毒,RNA 病毒在複製遺傳物質 (RNA) 的過程,更加容易突變,如需要年年選株的流感病毒即為 RNA 病毒。

新冠病毒雖然有校對酶、突變速度比流感病毒稍慢,但突變速度仍高。

面對新冠病毒不斷冒出的變種,中研院研究團隊從最常見的突變 — 單一核苷酸變異(single-nucleotide variantion, SNV)著手研究。研究人員結合病毒變異分析與分類樹分析兩種方法,著手分析從全球共享流感數據倡議組織(GISAID)取得的 1932 株病毒基因序列樣本。

病毒變異發生位置與頻率方面,則以中研院統計科學研究所陳君厚所長的統計矩陣視覺化,解析新冠病毒近三萬個核苷酸的 RNA 序列中,各個核苷酸變異之間的關聯;另一方面,使用一種統計分類樹和四種親緣關係樹,來瞭解各病毒株之間的距離與親緣關係。「各國上傳的病毒株樣本資料都會附註收樣時間,也多少輔助親緣樹評判定演化前後關係的參考。」楊欣洲補充。

14 個印記,快速分類六大病毒

研究結果顯示,目前世界上的病毒株可以被分成六大型,每一型都有一組自己獨特的單一核苷酸變異(SNV)位點,這樣的 SNV 位點印記共有 14 個。研究團隊在六千株、三萬多株以及三十萬株等,幾次擴大樣本數的病毒分析中都能得到重複的驗證。

上圖為新冠病毒六大型的突變位點,每一橫條代表某一型的 RNA 序列,向下的區塊為突變的單一核苷酸變異 (SNV) 位點所座落的基因。目前世界上的病毒株可以被分成六大型,每一型都有一組自己獨特的 SNV 位點,這樣的 SNV 位點印記共有 14 個。
圖│楊欣洲

「未來不用再看完整病毒基因體,只要針對新樣本檢查這 14 個 SNV 印記,就可以在幾分鐘內將新病毒株分類歸檔。」楊欣洲指出。原本的分析方法是將病毒株樣本的 RNA 全部定序,但各國處理的標準操作程序不一、技術也存在些許落差,即使取得各國定序結果,因為提供的病毒全基因體長度不盡相同,也得再花費一番功夫比對。然而,當病毒基因序列樣本快速增加,病毒分類研究耗時耗力至幾乎難以執行。

但搭配分類樹與矩陣視覺化的新技術,讓病毒分析變得非常簡單方便。研究團隊還進一步開發出病毒株定型的快速演算法,即使有大量病毒株要定型也能在幾分鐘內完成,未來面對其他種類病毒的分型時也可以派上用場。

中研院團隊僅用 14 個 SNV 印記,用一對一序列排比(Pairwise Alignment)和文字探勘(Text Mining)兩種方法,幾乎只要幾分鐘就能完成分類,且正確率分別是百分之 100 與 98 以上。

 

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https://research.sinica.edu.tw/sinica-sars-cov-2-variation/

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