基因组——了解新型冠状病毒的最直接手段

刘翟

新型冠状病毒肺炎(简称“新冠肺炎”)的暴发流行，是我国目前最严重的公共卫生问题，自2020年1月以来迅速波及全国[1]。之后相继有100多个国家暴发了新冠病毒感染疫情。2020年3月11日被WHO宣布为“全球性流行病”。截至2020年3月16日，新型冠状病毒已经在全球136个国家和地区流行，造成了超过16万人感染，5700余例死亡。为了应对疫情，全球的医疗工作者、公共卫生工作者都积极投入到与病毒搏斗的紧张工作中。在全球应急响应的当下，理解病毒基因组，阐明深藏在病毒背后的科学问题，将为控制疫情传播提供重要的科学依据。

理解病毒基因组有助于我们进行如下工作：(1)病原鉴定。当今，利用基因组解析进行病原鉴定已经成为最有效的手段之一，结合病理特征、病原分离等技术手段，能够全方位确定病原体。在疫情暴发初期，中国疾病预防控制中心及相关科学家一起在最短的时间内鉴定出了“新型冠状病毒”[1-2]，为全球的疫情防控提供了“中国速度”。(2)重要基因分析。了解病毒的重要基因和蛋白质特征是解析病毒、对抗病毒的必要手段。通过生物信息学预测和结构生物学解析等技术方法，目前我们已经明确了新型冠状病毒的重要刺突蛋白Spike与人细胞受体蛋白血管紧张素转化酶2(ACE2)的结合特征[3-4]。通过结合能的比较，已经初步阐明了新型冠状病毒高效入侵人体细胞的分子机制。但是到目前为止，我们对于病毒的大部分蛋白的功能还知之甚少。例如，有潜在变异能力的ORF8基因(ORF：开放阅读框)的变异与病毒性质的影响。(3)病毒溯源。对于了解与控制疫情，追溯病毒源头是一项非常重要的研究工作。只有了解了病毒从自然界到人的过程，才能做好防范，防止疫情多源暴发与重来。目前，通过人群中和野生动物中的病原调查，已经确认了新型冠状病毒的自然源头是蝙蝠种群中存在的冠状病毒[5]，但是中间宿主还不明确。包括穿山甲在内的很多野生动物都是需要调查的对象。这方面的工作依然任重道远。(4)传播动态。对于疫情的判断，除了需要进行深入的流行病学调查，大量病毒基因组的解析同样十分重要。流行病学调查可以告诉我们疾病流行的群体、传播途径、播散范围等；如果能够很好地结合病毒基因组信息，我们可以很清晰地了解病毒的传播链，传播过程中的基因组变异特征。到目前为止，病毒的多态性特征仍表现为以随机突变为主，并未形成明显的适应性特征，也表明了病毒持续存在对于人群的高适应性。因此，隔离才是目前控制病毒的唯一有效手段。(5)疫情流行预判。既往经验告诉我们，如果能够掌握大量的病毒基因组信息，我们就能够有效地对疾病的流行进行预判。通过进化生物学研究，我们能够发现病毒在传播过程中的重要时间和空间节点，能够掌握在疾病救治过程中的关键变异与疾病进展的关系。

初步了解了病毒基因组解析的意义，那么我们应该如何来开展研究呢？一个最直接的方式就是对病毒基因组进行大量测序。在2013—2016年埃博拉病毒感染暴发期间，全球的科学家对于10%左右病例中的病毒基因组进行了测序和研究，从而发现了病毒的重要传播路径、疫情防控的关键时间和空间、病毒在人群中的适应位点、病毒在宿主内的多态性与潜在治疗靶点等[6-7]。这些发现为研发疫苗与药物提供了重要的科学依据。具体到这次新型冠状病毒感染肺炎疫情，有几个方面的基因组解析工作非常关键和重要。(1)武汉地区的基因组解析。武汉作为本次疫情的流行中心，也是到目前为止全球病例最集中的区域，存在最广泛的病毒多态性。这将是我们还原疫情暴发和全球播散的最重要节点。只有明确了武汉的病毒流行特征，才能理解全球的传播。因此，武汉地区的病毒基因组解析至关重要！到目前为止，在公开数据中存在武汉地区病毒基因组数量还非常有限。(2)其他流行区域的病毒基因组解析。对于武汉之外的流行区域，病毒是以引入的方式进入该地区。因此，对于引入的源头、单次或多次引入、初始病毒的特征、病毒在该地区的传播链等是亟需回答的重要科学问题。(3)病例治疗过程中的基因组测序。对于经过治疗的病例，我们还需要了解在治疗过程中的病毒变异情况，是否出现定向进化、是否存在趋同性等。这些都是对于了解治疗过程和治疗效果的重要数据。(4)动物与环境中的病毒基因组测序。由于中间宿主及动物到人的传播路径还不明确，因此，对于野生动物和环境样本的病毒基因组、宏基因组测序仍然是一个重要工作方向。首先，我们对于蝙蝠中存在的冠状病毒多态性了解得太少，目前发现的除了最接近新型冠状病毒的相似度96.3%的RaTG13基因组，我们还在蝙蝠中发现了93%相似度的基因组，在穿山甲中发现了90%相似度的基因组。根据SARS病毒的研究经验，果子狸作为病毒传播的中间宿主，其病毒与人SARS病毒相似度为99.8%[8]。因此，只有发现更高相似度的病毒，我们才有可能找到病毒的中间宿主，才能厘清病毒从自然疫源宿主进入到人群中的路径，避免疫情再次暴发。

目前，新型冠状病毒感染肺炎疫情逐渐变得稳定可控，因此，进行大规模基因组调查来还原疫情暴发的原貌势在必行。由于目前数据库中新型冠状病毒的基因组多是采用咽拭子样本的二代测序方法解析，也有利用培养病毒、肺泡灌洗液、血液等样本或者利用三代纳米孔测序进行基因组解析，造成了基因组数据解析的不标准化。因此，对于不同方法学的建立与评价也是当前的一个重要科学问题，核心目标就是能够产生高质量的病毒基因组，从而减少实验方法和测序误差带来的计算偏差和结果误读。可以预计的是，当大量基因组数据产生之后，对于算力的需求，以及计算方法的标准化、计算结果的科学解读都将成为随之而来的重要问题。笔者认为，对于以上方面的提前筹划和部署至关重要。

面对本次疫情，我们不能各自为战，开展地区合作、全球合作非常重要。病毒已经在全球播散。病毒的传播已经由单向传播向交互传播进行转变，对于病毒的研究，已经不能简单局限在某一个点，某一个时间段，而更需要站在全球的视野，从多个角度来解析。病毒基因组与进化的解读是属于具象的科学范畴，应该由专业人士共同完成。因此，亟需整合国内外的顶尖专家，广泛开展国际合作来深入、正确地理解病毒基因组与演化规律。