新型冠状病毒（SARS-CoV-2）足迹遍布全球，传播过程一再出现新突变种，让防疫工作与研究均困难重重。中央研究院廖俊智院长组织研究团队，根据全球共享流感数据倡议组织 GISAID 资料，分析 30 万笔以上的病毒基因序列样本资料，将病毒划分为六大类型，其中“第六型”占目前流传病毒类型 99%。日前，中研院也成立“病毒变异全球即时监测网”分享资料，让全世界均能即时追踪病毒变异。
突变，到底怎么变？
COVID-19 疫情自 2019 年底爆发，随着时间流逝，疫情不但没有趋缓，多国甚至掀起二波感染潮。因为在一年的时间里，新冠病毒没有被压制，突变种还像雨后春笋般现身。日前英国更出现了传染力更高的新变种病毒。究竟是什么原因让新冠病毒变化得如此快速？
▲ 新冠病毒在穿透式电子显微镜下现形，可见病毒表现突起的棘冠。因新冠病毒是 RNA 病毒，突变速度快。中研院团队将目前新冠病毒变异分为六大类型，目前全球流传的几乎都是第六类型病毒，未来团队将持续追踪病毒变异。（Source：NIAID, CC BY 2.0, via Wikimedia Commons）
生物学中的突变（mutation）一词，指的是细胞核里的遗传物质发生改变，可能是 DNA 最基本单位──核苷酸（nucleotide）发生一个或好几个的缺失、重复或插入等变化。造成 DNA 突变的原因很多，像是 DNA 受到化学物质、紫外线、辐射或病毒影响，或仅仅只是细胞分裂、DNA 复制的过程发生失误。
细胞全年无休，不停复制、分裂，DNA 受损或是复制出错其实并不少见。但就像人类工厂对于商品会有瑕疵检测、修复的 SOP，细胞对 DNA 突变也有相对应的修正机制。即使 DNA 序列异动后严重到无法修复，如果突变发生在无意义片段，或是单一核苷酸，大多成为没有带来任何影响的“中性突变”。
但，如果突变发生在会影响蛋白质制造的核苷酸片段（基因），就可能对生物有所影响。一般来说，这种基因突变的概率约莫是十万分之一。
这次的疫情元凶新冠病毒是 RNA 病毒，比起 DNA 病毒或是一般细菌，更加容易突变。
RNA 病毒突变，比你想得容易！
“新冠病毒的遗传物质是单股的 RNA （ribonucleic acid），RNA 结构不太稳定。”本次研究团队的杨欣洲研究员帮读者划重点。相较于遗传物质为 DNA 的病毒，RNA 病毒在复制遗传物质（RNA）的过程，更加容易突变，如需要年年选株的流感病毒即为 RNA 病毒。
新冠病毒虽然有校对酶、突变速度比流感病毒稍慢，但突变速度仍高。
面对新冠病毒不断冒出的变种，中研院研究团队从最常见的突变──单一核苷酸变异（single-nucleotide variantion，SNV）着手研究。研究人员结合病毒变异分析与分类树分析两种方法，着手分析从全球共享流感数据倡议组织（GISAID）取得的 1,932 株病毒基因序列样本。
病毒变异发生位置与频率方面，则以中研院统计科学研究所陈君厚所长的统计矩阵视觉化，解析新冠病毒近三万个核苷酸的 RNA 序列中，各个核苷酸变异之间的关联；另一方面，使用一种统计分类树和四种亲缘关系树，来了解各病毒株之间的距离与亲缘关系。“各国上传的病毒株样本资料都会附注收样时间，也多少辅助亲缘树评判定演化前后关系的参考。”杨欣洲补充。
14 个印记，快速分类六大病毒
研究结果显示，目前世界病毒株可分成六大型，每一型都有一组自己独特的单一核苷酸变异（SNV）位点，这样的 SNV 位点印记共有 14 个。研究团队在 6 千株、3 万多株及 30 万株等，几次扩大样本数的病毒分析都能得到重复验证。
▲ 上图为新冠病毒六大型的突变位点，每一横条代表某一型的 RNA 序列，向下的区块为突变的单一核苷酸变异（SNV）位点所座落的基因。目前世界病毒株可分成六大型，每一型都有一组自己独特的 SNV 位点，这样的 SNV 位点印记共有 14 个。
“未来不用再看完整病毒基因体，只要针对新样本检查这 14 个 SNV 印记，就可以在几分钟内将新病毒株分类归档。”杨欣洲指出。原本的分析方法是将病毒株样本的 RNA 全部定序，但各国处理的标准操作程序不一、技术也存在些许落差，即使取得各国定序结果，因为提供的病毒全基因体长度不尽相同，也得再花费一番功夫比对。然而，当病毒基因序列样本快速增加，病毒分类研究耗时耗力至几乎难以执行。
但搭配分类树与矩阵视觉化的新技术，让病毒分析变得非常简单方便。研究团队还进一步开发出病毒株定型的快速算法，即使有大量病毒株要定型也能在几分钟内完成，未来面对其他种类病毒的分型时也可以派上用场。
中研院团队仅用 14 个 SNV 印记，用一对一序列排比（Pairwise Alignment）和文字探勘（Text Mining）两种方法，几乎只要几分钟就能完成分类，且正确率分别是 100% 与 98% 以上。
第六型病毒大解析
今年四月，研究团队定义出病毒六大型时，原先是以病毒株发生的地理位置命名，称作亚洲一、亚洲二、欧洲一、欧洲二、美洲、大洋洲／亚洲型。但随着病毒株在全世界各地快速交流传播，很快就不再适用以地理位置区分，最后以 Type I~VI 命名。
进一步分析发现，第一到第五型的病毒，除了有各自独特的一组 SNV 位点印记外，在病毒外观、致病力、传染力方面还没有观察到显著的差异。但第六型的病毒就不太一样了。病毒样本数据资料显示，六种型的病毒在国际间交流竞争后，目前在世界各地均是由第六型胜出，成为主要的优势型。
所谓的第六型，是将 SNV 位点分析结果与新型冠状病毒株的参考序列（MN908947）相比，如果在 C241T、C3037T、C14408T、A23403G 四个核苷酸位点都发生变异，即归类在第六型。杨欣洲认为，第六型成为全球优势型，而非仅在少数地区盛行这个现象，透露出这四个 SNV 很可能为病毒株带来较好的适应能力。
▲ 中央研究院根据全球共享流感数据倡议组织（GISAID）资料，分析 20 万笔以上病毒基因序列样本资料。发现病毒可归类为六大类型。其中“第六型”（蓝色线段）自 2020 年 2、3 月开始在各国急速窜升，4 月雄霸一方，占目前流传病毒类型 99%。（Source：Tracking SARS-CoV-2 Variation）
今年 8 月发表在生物权威期刊《细胞》（Cell）的论文指出，新冠病毒的核苷酸位点 A23403G 变异，导致病毒刺突 S 蛋白、第 614 位置的氨基酸由原本的天门冬胺酸（aspartic acid）变为甘胺酸（glycine）后，会强化病毒的感染能力。但杨欣洲表示，单靠一个 A23403G 变异其实无法解释：为什么第六型能够逐渐成为数量最多的一型，而是需要四个突变一齐到位。
四个突变到位，病毒生命力大增
原来在研究过程，团队曾经发现隔一段时间偶尔会出现 C241T、C3037T、C14408T、A23403G 四个核苷酸位点里，只有其中几个位点突变的病毒株。但是只要没有四个同时突变，这些病毒都传不久。“就算有 A23403G 但缺乏另外三个变异的话，病毒株还是没有办法持续传播。”杨欣洲强调。当四个 SNV 不齐全的时候，突变对病毒没有实质影响，甚至不利传播。
C241T、C3037T、C14408T、A23403G 四个突变位点齐全后，才会扩充病毒性能，提升第六分型的适应力与传播力。
此外，其他研究似乎也暗示第六型的四个 SNV 疑似有带来更多特殊功能。2020 年 11 月，一篇发表在著名学术期刊《科学》（Science）的论文提到，新冠病毒会经由人传给水貂，且会再回传给人类。中研院团队分析论文中的病毒样本，发现人传给水貂的病毒约有 22% 属于第一型，76% 属于第六型。但分析水貂回传人类的 18 个病毒株后，发现全部都属于第六型。
“这个结果实在颇耐人寻味。”杨欣洲指出，第六型病毒株适应力与传播能力增加，很可能与 四个核苷酸变异之间的交互作用有关，背后的生物机制都还有待未来更多的追踪与研究来解答。
当前疫苗可以应付变种病毒吗？
不过民众最关心的，首推目前的疫苗能够抵抗当前的变种病毒吗？“跟疫苗研发与疫苗效果直接相关的，是刺突蛋白基因的变异点：A23403G，也就是突刺 S 蛋白 D614G 突变。”杨欣洲指出，已有初步研究显示，D614G 变异虽然会提升病毒的适应能力，却不影响血清抗体对病毒的中和力。而且在这之前科学家们就已经发现这个带有 A23403G 变异的病毒越来越盛行，各疫苗厂于研发过程中大多也都有将这个 SNV 的变异纳入研发考量，因此目前第六型的病毒还不致让疫苗失去防御力。
病毒变异株虽互有消长，但尚不致影响防疫策略。
杨欣洲也坦白说，新的变异一直在进行，无法排除任何可能性。况且，研究会受到数据库样本的限制。 GISAID 目前约有 30 万笔资料，英国上传约 14 万笔最多，美国居次；中国则宣称没有多少新增病例，即使前阵子北京发生二波感染，也就提供三只病毒株，没有资料，就没办法全面掌握病毒变化。
“现在病毒是以第六型为主，但随着各国的边境管制，各地又开始出现新兴的子型病毒。像是北京提供的三个样本，就是第六型的子型。”杨欣洲提醒。2020 年 12 月 21 日，英格兰公共卫生署（Public Health England）的报告指出，在英国发现新冠病毒变种，并已造成单日新增感染案例暴增。英国立刻通报世界卫生组织此高传染性的英国变种新冠病毒株，让世界各国提高警觉，善尽世界公民的职责。
因应病毒的快速变异，中央研究院设置“病毒变异全球即时监测网”，廖俊智院长带领，统计所研究团队进行大数据分析，陈伶志资服处长开发网站，中研院病毒与生物化学专家参与讨论，即时监测世界各国正在发生的新兴病毒变异，发现需要密切注意的变异株时，尽速提供资讯给各个病毒传播研究与疫苗研发单位，与全球继续对抗这场世纪大疫。
▲ 中研院团队设立网站，即时监测世界各国正在发生的新兴病毒变异，发现需要密切注意的变异株时，尽速提供资讯给各个病毒传播研究与疫苗研发单位。（Source：Tracking SARS-CoV-2 Variation）
（本文由 研之有物 授权转载；首图来源：pixabay）
延伸阅读：
- 法国学者称武汉肺炎变种病毒引爆第二次大流行，英称离解封还很远
- 感染新冠太久，俄罗斯养出 18 种突变病毒
- 中国官方坦承：疫情复杂严峻，春运形同大考
- 新冠肺炎症状轻重，也与肠道细菌有关
