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。