今年，当COVID-19在全球范围内传播时，大卫·蒙特菲奥里（David Montefiori）想知道大流行背后的致命病毒在人与人之间传播时可能会如何变化。蒙特菲奥里（Montefiori）是一位病毒学家，他在职业生涯中的大部分时间都在研究艾滋病毒的偶然突变如何帮助其逃避免疫系统。他认为，SARS-CoV-2可能会发生同样的事情。

3月，负责北卡罗来纳州达勒姆杜克大学艾滋病疫苗研究实验室的蒙特菲奥里与艾滋病毒进化专家和长期合作者贝特·科伯（Bette Korber）联系。位于新墨西哥州圣菲的洛斯阿拉莫斯国家实验室（LANL）的计算生物学家科伯（Korber）已经开始搜寻数千种冠状病毒基因序列中的突变，这些突变可能会改变病毒在世界范围内的传播特性。

与HIV相比，SARS-CoV-2的传播速度要慢得多。但是一个变种在科伯身上引人注目。它位于编码刺突蛋白的基因中，该蛋白有助于病毒颗粒穿透细胞。Korber看到该突变一次又一次出现在COVID-19患者的样本中。在刺突蛋白的第614个氨基酸位置，由于复制错误改变了该病毒29,903个字母的RNA编码中的单个核苷酸，所以天冬氨酸（D，在生化速记中）经常被甘氨酸（G）取代。 。病毒学家称其为D614G突变。

冠状病毒杀死了多少人？

4月，Korber，Montefiori等人在发布到bioRxiv服务器的预印本中警告“ D614G的频率正在以惊人的速度增加” 1。它已迅速成为欧洲主要的SARS-CoV-2血统，然后在美国，加拿大和澳大利亚占有一席之地。该文件宣称，D614G代表“ SARS-CoV-2的更易传播形式”，它是自然选择的产物。

这些主张使许多科学家感到沮丧。他们说，目前还不清楚D614G病毒谱系是否可以传播，或者它的上升表明有什么异常。但是警报迅速在媒体上传播开来。尽管许多新闻报道都包括研究人员的警告，但一些头条新闻宣称该病毒正在变异，变得更加危险。事后回顾，蒙特菲奥里说，他和他的同事们遗憾地将这种变种的上升描述为“警报”。该词是从7月2日在Cell上发表的同行评审版本中删除的。

这项工作激发了人们对D614G的兴趣。甚至那些对这种突变改变了病毒特性的人也持怀疑态度，他们也认为这种突变很有趣，因为它的飞速上升和普遍存在。几个月以来，几乎在所有SARS-CoV-2测序样本中都发现了该血统（请参阅“全球传播”）。现在，这种变种是大流行病。结果，它的性质很重要。”康涅狄格州纽黑文市耶鲁大学公共卫生学院的病毒流行病学家内森·格鲁博（Nathan Grubaugh）和两位同事在一篇关于科伯和蒙特菲奥里的发现的细胞论文3中写道。 

资料来源：参考文献 8

到目前为止，这项工作的结果还不如蒙特菲奥里和科伯的预印本所暗示的那样清晰。一些实验表明携带变异病毒的病毒更容易感染细胞。其他工作也揭示了可能的好消息：这种变异可能意味着疫苗可以更轻松地靶向SARS-CoV-2。但是许多科学家说，尚无确凿证据表明D614G对病毒的传播有重大影响，或者自然选择的过程可以解释其上升。“陪审团出来了，”北卡罗来纳大学教堂山分校的冠状病毒学家蒂莫西·谢汉（Timothy Sheahan）说。“这种突变可能意味着什么，也可能没有。”

Sheahan，Grubaugh等人说，研究人员对冠状病毒突变的疑问仍然比答案多，而且还没有人发现SARS-CoV-2的任何变化会引起公众对健康的关注。但是，详细研究突变可能对于控制大流行很重要。它还可能有助于避免最令人担忧的突变：那些可以帮助病毒逃避免疫系统，疫苗或抗体疗法的突变。

慢变化

在中国发现SARS-CoV-2后不久，研究人员开始分析病毒样本并在线发布遗传密码。变异-大多数是来自不同人的病毒之间的单字母变异-使研究人员可以通过联系紧密相关的病毒来跟踪传播，并估计SARS-CoV-2何时开始感染人类。

在SARS-CoV-2，HIV和流行性感冒等RNA中编码其基因组的病毒在复制到宿主内部后，往往会迅速吸收突变，因为复制RNA的酶容易出错。例如，在严重的急性呼吸系统综合症（SARS）病毒开始在人类中传播后，它发展出一种称为删除的突变，这种突变可能会减慢其传播速度4。

但是测序数据表明，冠状病毒的变化要比大多数其他RNA病毒慢得多，这可能是由于“校对”酶可以纠正潜在的致命复制错误。巴塞尔大学分子流行病学家艾玛·霍德克罗夫特（Emma Hodcroft）说，典型的SARS-CoV-2病毒每月在其基因组中仅积累两个单字母突变-变化率约为流感病毒的一半，而HIV的变化率仅为四分之一。 ，瑞士。

其他基因组数据也强调了这种稳定性-已对90,000多株分离株进行了测序并公开（参见www.gisaid.org）。伦敦大学学院的计算遗传学家露西·范·多普（Lucy Van Dorp）说，从世界任何地方收集到的两种SARS-CoV-2病毒在29,903个中平均仅差10个RNA字母，他正在追踪这些差异赋予它们的迹象。进化优势。

尽管该病毒的突变率很低，但是研究人员已经在SARS-CoV-2基因组中分类了超过12,000个突变。但是科学家们发现突变的速度比他们理解突变的速度快。许多突变不会影响病毒传播或引起疾病的能力，因为它们不会改变蛋白质的形状，而那些确实改变蛋白质的突变更可能损害病毒而不是改善病毒（请参阅“冠状病毒突变”）。“下一步要比修复要容易得多，” Nextstrain的一部分的Hodcroft说。该公司致力于实时分析SARS-CoV-2基因组。 

资料来源：L。Van Dorp 等。（http://go.nature.com/3GSRNH6）; 参考文献2、11、12; BE Young 等。柳叶刀 396，603-611（2020）

许多研究人员怀疑，如果某种突变确实有助于病毒更快地传播，那么它可能会更早发生，这是因为该病毒首次跳入人类或获得了有效地从一个人转移到另一个人的能力。在地球上几乎每个人都容易受到感染的时候，病毒几乎没有进化上的压力来更好地传播，因此即使潜在的有益突变也可能不会繁荣发展。“就这种病毒而言，涉及到的每个人都是一块好肉，”马萨诸塞州波士顿的陈正熙公共卫生学院的流行病学家威廉·汉纳格（William Hanage）说。“没有选择可以做得更好。”

传播速度更快？

当科尔伯看到D614G的迅速普及时，她认为自己可能已经找到了有意义的自然选择的例子。该突变由于其在刺突蛋白中的位置而引起了她的注意，该蛋白是“中和”与病毒结合并使其无感染性的抗体的主要目标。而且具有这种突变的病毒在世界上超过一个地区的频率也在上升。

D614G最早在一月下旬被发现在中国和德国收集的病毒中。大多数科学家怀疑这种突变是在中国出现的。现在，它几乎总是伴随着SARS-CoV-2基因组其他部分的三个突变，这可能是大多数D614G病毒具有共同祖先的可能证据。

D614G在欧洲的迅速崛起引起了Korber的注意。在3月之前（大陆大部分地区都处于封锁状态），未突变的'D'病毒和突变的'G'病毒同时存在，D病毒在当时遗传学家采样的大多数西欧国家中普遍存在。今年三月，G病毒的频率上升整个大陆，和4月，他们占主导地位，报道科伯，Montefiori和他们的团队1，2。

3月12日，意大利总理朱塞佩·孔戴宣布可能关闭包含SARS-CoV-2的运输线路后，意大利帕多瓦火车站的乘客。此时，具有D614G突变的病毒正在整个欧洲传播。图片来源：Roberto Silvino / NurPhoto / Getty

但是，支持G病毒的自然选择并不是这种模式的唯一，甚至是最可能的解释。G变种在欧洲的统治地位可能简直就是偶然，例如，如果这种突变恰好在抵达欧洲的病毒中更常见。少数人似乎是造成该病毒大部分传播的原因，而早期倾向于G病毒的偶然倾向可以解释该谱系目前的明显收购。这种“奠基者效应”在病毒中很常见，尤其是当它们不受控制地传播时，就像SARS-CoV-2在欧洲大部分地区一样，一直持续到3月中旬至下旬。

Korber和她的同事试图通过在4月的预印本1中显示D614G在加拿大，澳大利亚和美国部分地区迅速占统治地位（冰岛是例外，冰岛是在疫情爆发初期存在G病毒的地区，被D病毒超越）。通过分析英国谢菲尔德的住院数据，研究小组没有发现携带这种突变的病毒使人患病的证据。但是，那些感染了G病毒的人的鼻子和嘴里的病毒RNA水平似乎要高于那些感染D病毒的人。

许多科学家不相信D614G的崛起令人瞩目-或与大流行有关的一切。Sheahan说：“我认为预印本还为时过早。”

蒙特菲奥里说，他和科伯对D614G的看法是由他们对HIV的研究所塑造的，该研究发现，即使看似微不足道的突变也可以对免疫系统如何识别该病毒产生深远影响。他说：“我们对此感到震惊，我们需要看看它是否对疫苗有影响。”

实验室研究热潮

为了进一步检查D614G是否使该病毒更易于传播，蒙特菲奥里在实验室条件下评估了其作用。由于需要生物安全性防护，他无法在实验室中研究天然SARS-CoV-2病毒。因此，他研究了一种利用SARS-CoV-2穗突蛋白感染细胞的艾滋病毒的基因改造形式。此类“伪病毒”颗粒是病毒学实验室的主力军：它们使安全研究致命病原体（例如埃博拉病毒）成为可能，并且使测试突变的作用变得容易。

伍斯特马萨诸塞大学医学院的研究员Thomas Nyalile测试了D614G刺突蛋白变体对感染性的影响。该实验使用的伪病毒不需要高度的生物安全控制。图片来源：杰里米·鲁班（Jeremy Luban）

6月，第一个报告在D614G上进行伪病毒实验的小组由加利福尼亚拉霍亚斯克里普斯研究所的病毒学家Hyeryun Choe和Michael Farzan领导5。其他几个小组在bioRxiv上发表了类似的研究（Montefiori的实验以及另一位合作者的实验出现在Cell论文2中）。研究小组使用了不同的伪病毒系统，并在各种类型的细胞上对其进行了测试，但是实验得出的结论是相同的：携带G突变的病毒比D病毒感染细胞的能力要好得多，在某些情况下，效率要高十倍。

麻省大学伍斯特分校的病毒学家杰里米·鲁班（Jeremy Luban）说，在实验室测试中，“我们所有人都同意D到G使粒子更具感染性”。但是这些研究有很多警告-它们与人类感染的相关性尚不清楚。“令人恼火的是，人们在非常可控的环境中进行调查，并说这对大流行是有意义的。那，我们离了解还很遥远，”格鲁博说。在大多数情况下，伪病毒仅携带冠状病毒刺突蛋白，因此实验仅测量这些颗粒进入细胞的能力，而不测量其在细胞内部作用的方面，更不用说对生物体的作用了。他们还缺少几乎所有D614G病毒都携带的其他三个突变。卢班说：“最重要的是，它们不是病毒。”

现在，有些实验室正在研究传染性SARS-CoV-2病毒，它们之间的区别仅在于单个氨基酸。这些在人肺和气道细胞的实验室培养物中以及在诸如雪貂和仓鼠的实验动物中进行了测试。Sheahan说，对于拥有丰富经验和具有操作病毒的生物安全能力的实验室而言，“这就像是一种生硬的工作”。9月2日的预印本6报道了由加尔维斯顿德克萨斯大学医学分校的研究人员领导的第一项研究。研究发现，在人肺细胞系和呼吸道组织中，具有突变的病毒比D病毒更具感染力，并且在感染的仓鼠的上呼吸道中以更高的水平存在突变病毒6。

冠状病毒再感染：科学家提出的三个问题

即使这些实验也可能无法提供绝对的清晰度。一些研究表明，中东呼吸综合征（MERS）病毒中刺突蛋白的某些突变会导致小鼠患上更严重的疾病-但该蛋白中的其他突变对人或骆驼的影响很小，而骆驼是人的潜在宿主爱荷华州爱荷华大学的冠状病毒学家斯坦利·珀尔曼（Stanley Perlman）说，MERS感染。

D614G对SARS-CoV-2在人类中传播的影响最明显的迹象来自英国的一项雄心勃勃的努力，即COVID-19 Genomics UK Consortium，该联盟分析了大约25,000个病毒样品的基因组。从这些数据中，研究人员已经确定了1,300多个病毒进入英国并传播的实例，包括D型和G型病毒。

由英国爱丁堡大学的进化生物学家安德鲁·兰巴特（Andrew Rambaut），伦敦帝国理工学院的流行病学家埃里克·沃尔兹（Erik Volz）和加的夫大学的生物学家托马斯·康纳（Thomas Connor）领导的团队研究了62种由D病毒和245条G病毒7。研究人员发现，感染这两种病毒的人没有临床差异。但是，G病毒的传播速度比那些没有变化的传承要快一些，并形成了更大的感染簇。Volz说，他们对传输速率差异的估计徘徊在20％左右，但真实值可能会更高或更低。“从绝对意义上讲，影响不大。” Rambaut说。

Rambaut说，D614G可能是一种改造品，可以帮助病毒感染细胞或与不携带这种变化的病毒竞争，而对SARS-CoV-2在人与人之间或在人群中的传播方式几乎没有改变。Grubaugh同意：“这可能是对人类或某些人类细胞的真正适应，但这并不意味着任何改变。改编不必使其更具传播性。”

Grubaugh认为D614G受到了科学家的过多关注，部分原因是D614G获得了备受瞩目的论文。他说：“科学家们对这些突变非常着迷。” 但是他也将D614G看作是一种学习与遗传多样性无关的病毒的方法。他说：“我里面的病毒学家看着这些东西，说学习会很有趣。” “它创建了您可以进入的整个事物的整个兔子洞。”

他会陪伴。鲁班说，对D614G的深入研究应有助于解释SARS-CoV-2如何与细胞融合，这一过程可能被药物阻断或被疫苗靶向。在上bioRxiv 7月16日发布的假实验的更新版本8，鲁班的研究小组利用低温电子显微镜分析刺突蛋白轴承D614G变化的结构。刺突蛋白由三个相同的肽组成，呈“开放”或“封闭”方向。先前的研究表明，三种肽中的至少两种需要打开，以使病毒颗粒与细胞膜融合9，Luban的小组发现带有G尖峰变体的病毒更可能处于这种状态（请参阅“使尖峰蛋白松弛的突变”）。由Korber的LANL同事Sandrasegaram Gnanakaran领导的Montefiori和Korber的计算建模工作得出了相同的结论10。鲁班说：“看来这台分子机器注定要以D不能的方式运转。” 

资料来源：K。Shen和J. Luban的结构数据

从抗体中逃脱至今

正如蒙特菲奥里担心的那样，大多数现有证据表明D614G不会阻止免疫系统中和抗体识别SARS-CoV-2。那可能是因为突变不在棘突蛋白的受体结合结构域（RBD）中，RBD是许多中和抗体靶向的区域：RBD与细胞受体蛋白ACE2结合，这是病毒进入细胞的关键步骤。

但是，有证据表明其他突变可以帮助病毒避免某些抗体。纽约洛克菲勒大学的病毒学家Theodora Hatziioannou和Paul Bieniasz领导的一个研究小组对水疱性口炎病毒（一种牲畜病原体）进行了基因修饰，以便它利用SARS-CoV-2穗突蛋白感染细胞并使其生长。中和抗体的存在。他们的目标是选择使刺突蛋白逃避抗体识别的突变。实验产生了刺突蛋白突变体，该突变体对从COVID-19中恢复的人的血液中采集的抗体以及正在开发为治疗方法的有效“单克隆”抗体具有抗性。Hatziioannou报告说，在从患者中分离出的病毒序列中发现了每个尖峰突变，11。

其他科学家通过预测哪些突变可能很重要，试图保持在SARS-CoV-2进化方面的领先地位。华盛顿西雅图弗雷德·哈金森癌症研究中心的进化病毒学家Jesse Bloom带领一个团队创建了近4,000个突变型刺突蛋白RBD的突变版本，并测量了这些变化如何影响刺突蛋白的表达及其结合能力到ACE2。大多数突变对这些特性没有影响或没有阻碍，尽管有少数改进了它们[ 12]。其中一些突变已在COVID-19人群中发现，但Bloom的团队没有发现任何变体自然选择的迹象。他说：“病毒可能与现在需要的结合到ACE2上。”

大流行可能在2021年及以后发生

研究人员没有测试任何突变是否允许病毒阻止抗体的作用，但是他的研究小组的结果表明这种改变是可能的。布卢姆说：“这种病毒可能会但不会完全确定会发生突变，从而改变其对抗体和免疫力的敏感性。”

根据其他冠状病毒的经验，这可能需要数年时间。跨季节采样的普通冷冠状病毒研究已经确定了对免疫反应的进化迹象。但伯尔尼病毒和免疫学研究所的RNA病毒学家Volker Thiel说，变化的速度很慢。“这些应变或多或少保持不变。”

由于世界上大多数地区仍然容易感染SARS-CoV-2，因此免疫力目前不太可能成为病毒进化的主要因素。Sheahan说，但是随着整个人群免疫力的提高，无论是通过感染还是通过疫苗接种，不断逃避免疫突变的细流都可以帮助SARS-CoV-2永久性地建立自身，当它感染有一些残留的个体时，可能会导致大多数轻微症状对先前的感染或疫苗免疫。“如果将该病毒保留为更常见的致冷冠状病毒，我不会感到惊讶。” 但是我们对冠状病毒感染（包括对SARS-CoV-2）的免疫反应也可能不够强或寿命太长，无法产生选择压力，从而导致病毒株发生明显变化。

如果不明智地使用抗体疗法，令人担忧的突变也可能会变得更加普遍-例如，如果COVID-19的患者接受一种抗体，例如可能被单个病毒突变所阻止。研究人员说，每个单克隆抗体都可以识别刺突蛋白的多个区域，这可能会减少这种突变通过自然选择而受到青睐的可能性。疫苗对此分数的关注较少，因为与人体的自然免疫反应一样，疫苗往往会引发一系列抗体。

Montefiori的团队在7月13日发布给bioRxiv的一项研究中发现，D614G的改变甚至可能使该病毒更容易成为疫苗的靶标。小鼠，猴子和人类接受了多种实验性RNA疫苗中的一种，其中包括由纽约制药商辉瑞公司（Pfizer）开发的一种，所产生的抗体被证明比D病毒更能有效阻断G病毒。

蒙特菲奥里说，现在G病毒无处不在，这一发现是“好消息”。但是，作为一位观察到HIV突变以躲避针对它开发的疫苗的科学家，他仍然对SARS-CoV-2逃避人类反应的潜力保持警惕。鲁班同意：“我们需要睁大眼睛进行其他更改。”