病毒变异对人类来说意味着什么?

科学画报
2020-04-06
受影视作品的影响,说到变异,大家往往会想到生化危机中变异的病毒给人类所带来的灾难。那么,病毒变异对人类来说意味着什么?

RNA病毒变异较快  
作为自然界中结最简单的一类生物,大部分病毒仅仅由蛋白质外壳和核酸构成,小部分病毒含有脂质的膜。病毒结构简单,却拥有复杂的生活史。在与动植物和微生物的交互中,病毒具有复杂的行为特点。病毒的大量繁殖,会导致许多变异病毒的产生。这一特点使得病毒能够在复杂的情况下快速进化,从而适应环境。


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根据美国生物学家戴维·巴尔的摩建立的巴尔的摩病毒分类系统,新型冠状病毒(以下简称新冠病毒)属于正义单链线状RNA病毒,即这类病毒的基因组仅有一条RNA链。与大部分以双链DNA作为遗传物质的生物不同,冠状病毒大家族中的遗传物质全都是单链线状RNA。
在自然状态下,由于化学结构的不同,相同的RNA相比DNA更加容易发生突变,因此RNA病毒的变异速度往往快于DNA病毒。这一特点在2003年的SARS(严重急性呼吸综合征)期间体现得非常清楚,早期的SARS病毒的传播能力较弱,随着病毒的不断传播,病毒在快速复制增殖的过程中产生了许多突变,尽管大部分的突变对病毒而言都是有害的,但仍旧有部分发生在关键基因上的突变改变了病毒传播的能力。在疫情暴发中期,突变后的病毒在人群中大量传播。
新冠病毒与SARS病毒相似,同属套式病毒目、冠状病毒科、冠状病毒属,基因组大小为27~32KB。据中国科研团队在2020年3月4日发表的论文,到论文发表为止,根据已经测序的基因组数据,新冠病毒已经产生了149个突变位点,并分化出L和S两个类型。尽管病毒已经产生了这么多的突变,但科研人员在文章中解释,病毒并没有像SARS病毒一样发生了适应性进化,因此无需过于担心。


变异是常见的自然现象  
为什么说新冠病毒发生了这么多的突变却没有产生适应性变化?病毒的突变是什么?适应性进化又是什么?这要从科学家们如何研究病毒的进化说起。
事实上,从生物学上来讲,生物的变异是一件很常见的事情,以我们自身为例,我们瞳孔的颜色、血型等性状,在从父母身上遗传的过程中,由于重组等变异的情况存在,我们与父母之间往往存在有许多的不同,这种不同我们也称之为变异。
突变也是变异的一种。突变一般指的是基因突变,往往用来描述某个基因上某个核苷酸位点上的含氮碱基发生改变,从一种含氮碱基变成了另一种含氮碱基。广义的变异包含有多种遗传信息改变的方式,但有利变异和有害变异相对较少,因此当听到生物学家们说到某种生物发生了变异的时候,不要惊慌,他们只是在阐述一种自然现象。
由于病毒没有染色体等结构,它们的遗传物质仅有DNA或RNA,缺乏相应的保护蛋白,且由于病毒的复制发生在被他们感染的细胞中,因此病毒的遗传物质更加容易发生改变。作为一种基因组相对较大的RNA病毒,新冠病毒在整个基因组上发生突变的概率也相对更大。


RNA病毒突变的三种类型  
RNA序列由四种基本的核糖核苷酸组成,分别是腺嘌呤核糖核苷酸(A)、鸟嘌呤核糖核苷酸(G)、胞嘧啶核糖核苷酸(C)以及尿嘧啶核糖核苷酸(U)。RNA病毒上所能够发生的突变与上述的四种不同类型的核糖核苷酸有关,主要分为插入、缺失以及点突变三种类型。
所谓插入突变,指的是在原先的核苷酸序列中凭空插入了一个或数个核苷酸,例如,序列“AUG GAG AGC”在第三个核苷酸G的后面加入了一个C,由于核糖体是以三个核苷酸为一个密码子进行阅读的,当序列变为“AUG CGA GAG C”后,原先的三个密码子“AUG”“GAG”“AGC”变化成了“AUG”“CGA”“GAG”。由此可见,由于单个C的插入导致RNA链上整个基因后续的读码发生偏移。通常情况下,发生单个核苷酸的突变会导致不能产生正常的蛋白质,因此一旦病毒发生插入突变,对病毒而言并不是好事,病毒的复制往往会出现问题,因此这种突变不足畏惧。
缺失突变与插入突变类似,不同的是,缺失突变是由于病毒基因组上核苷酸的缺失导致的,以序列“AUG GAG AGC U”为例,如果第四位的G发生缺失,原先的三个密码子“AUG”“GAG”“AGC”将会变成“AUG”“AGA”“GCU”,同样发生了移码突变,在这种情况下病毒也不能够生存。因此对于插入和缺失突变,我们无需担心。
点突变意味着核苷酸链上单个核苷酸发生了改变,改变的方式多种多样,一种核苷酸可能会突变成其他三种核苷酸中的任意一种,我们仍旧以RNA序列“AUG GAG AGC”为例进行解释。如果这段序列第四位的G突变成为A,那么这段序列就会从原来的“AUG GAG AGC”变为“AUG AAG AGC”此时仅有一个密码子发生了改变,而其他的序列并没有发生改变。我们将这种类型的变异成为点突变。点突变是否会对病毒产生影响呢?答案是可能会对病毒产生影响,但对病毒是有利还是有害却是不一定的。
在病毒的基因组中,除了基因区域外,还含有一部分与基因无关的区域,发生在这些位置上的突变通常情况下并不会影响到病毒的生存。由于密码子的简并性、氨基酸的相似性等一系列因素,发生在基因区域的突变也并不一定会影响到病毒的复制和繁殖。


流感病毒突变的启示  
我们可以这样理解,在大部分情况下,病毒发生的突变对病毒的改变微乎其微,且很多突变对于病毒而言是有害的。那么是不是所有的突变都是这样的呢?答案是否定的。尽管病毒突变的概率相对较低(仍旧比含有染色体的生物突变率高),且中性突变和有害突变的概率要高于有利突变,但我们仍不能对病毒掉以轻心。
病毒的复制速度惊人,在进入宿主细胞后,病毒会在短时间内接管细胞的控制权,利用细胞内储存的物质和能量在短时间内大量的复制自身,在细胞破裂时,释放出成千上万的病毒粒子。在这种情况下,突变的概率即使再低也会产生大量变异的病毒,倘若发生的突变是对病毒有利的,发生突变的病毒往往会更容易存活,进而产生更多的后代,使得越来越多的后代带有这种变异,病毒也就慢慢发生了进化。
对于上述过程,人们感受最为明显的应当是流感疫苗的变化。在秋冬季节,我们往往需要接种流感疫苗,并且流感疫苗每年都需要进行接种,并不能像其他疫苗一样一次接种就能终身免疫。究其原因,仍旧是流感病毒的进化速度相对较快。
人体的免疫系统能够识别流感病毒靠的是免疫细胞对流感病毒上的血凝素(H蛋白)和神经氨酸酶(N蛋白)的辨别,但由于流感病毒的快速传播,大量的流感病毒在复制过程中极有可能发生突变。若突变发生在这两种蛋白上,哪怕是很小的改变都会导致识别失败,因此流感病毒的疫苗也会随着流感病毒的变异而失效。
中国科研团队近期所发现的新冠病毒上的149个突变位点,大部分都是无义突变,即这种突变并不会改变病毒的结构,少量的有义突变在大部分情况下也不会对病毒产生显著的影响,而所谓的S型和L型仅仅是描述了一个功能无关紧要的基因上某一个位点的变化情况,对新冠病毒在进化学上进行了区别,病毒本身并没有产生太大的变异,我们也无需对此过于恐慌。
总而言之,病毒的变异并没有我们想象中的那么可怕,但仍需警惕发生在特定位点、特定基因上的突变。当然,这种工作需要交给病毒学家来进行。作为普通人的我们需要做的是保护好自己,戴好口罩,勤洗手,少参加聚会,多进行锻炼。

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