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結構強化的病毒,傳染力更強——冠狀病毒的D614G突變(下)

寒波_96
・2020/08/07 ・3301字 ・閱讀時間約 6 分鐘

導致 COVID-19(武漢肺炎、新冠肺炎)的 SARS-CoV-2 冠狀病毒「SARS二世」,最近一批研究認為,出現在 S蛋白質上(spike protein)的一個突變「D614G」有助於適應,增加病毒的傳染力。1, 2

上集:世界各地都取得優勢,不只是運氣好?——冠狀病毒的D614G突變(上)

美國的斯克里普斯研究所(Scripps Research Institute)的科學菁英戰隊,以人造的模擬病毒和基因改造細胞做實驗,證實 D614G 確實能提高病毒的感染能力。3, 4

SARS二世病毒入侵細胞的過程。圖/取自 Profile of a killer: the complex biology powering the coronavirus pandemic

病毒如何感染細胞?SARS二世病毒感染的關鍵 S蛋白質,可分為 S1、S2 兩部分。S1 中有一段能辨識特定目標的短序列,會直接和細胞表面的 ACE2 受器結合。接著細胞上的「酵素」會把 S1 切除,讓後面的 S2 與細胞膜合體,病毒才能將遺傳物質輸入細胞,順利入侵。

如果病毒是可樂娜啤酒:瓶口、瓶蓋、開罐器

想像成在喝可樂娜啤酒,假如可樂娜的瓶蓋是 S1,瓶口是 S2,酵素是開罐器,嘴巴就是細胞的 ACE2 受器。可樂娜要移動到嘴巴附近,由開罐器打開瓶蓋後,瓶口對準嘴巴,才能喝到可樂娜。

SARS二世的前輩 SARS一世病毒也與 ACE2 結合,但是過程不同。SARS一世用 TMPRSS2 酵素當開罐器,SARS二世則用 furin 酵素。差異在於,SARS二世的 S1 和 S2 中間多出一小段序列,可以讓 furin 作用。

SARS二世病毒的 S1、S2 之間,多出一小段可以讓 furin 作用的位置。圖/取自 ref 3

D614G讓瓶蓋瓶口結合更穩定,增加感染成功率

SARS二世用 furin 作開罐器的效果更強,缺點是 S1 和 S2 中間多出一段後變得不太穩固,就像喝可樂娜時,還沒對準嘴巴,瓶蓋已經從瓶口脫落,可樂娜就喝不到惹。不過 D614G 突變後能彌補這個缺點,讓瓶蓋與瓶口的結合更穩定。

D614G 突變位於 S1,不過很靠近 S2。以人造模擬病毒感染人類細胞株的體外實驗發現,D614G 應該不影響 S1 與細胞的結合,卻能讓 S1 的結構更穩定。證據是:S蛋白質如果配備 D614G 突變,S1 與 S2 的比值(S1:S2)明顯較高,幾種分析方法的比值都超過原本三倍。

可樂娜!圖/取自 junk DNA

新突變能穩固 S1、S2 的結合,使得 S1 不容易半途脫隊(shedding),藉此增加感染成功的機率。

情況好像運送 100 瓶可樂娜,原本半路上 70 瓶的瓶蓋會掉下來,只有 30 瓶能抵達目標;但是改版後只有 20 瓶會脫落,高達 80 瓶能接近嘴巴。如此一來,即使可樂娜本身沒有更吸引人,光是順利抵達目標的啤酒數量大增,就能讓喝到可樂娜的人數成長數倍。

D614G 突變怎麼讓結構更穩定?論文推論,第 614 號氨基酸突變後,旁邊的第 613 號麩醯胺酸(glutamine,Q)會與 859 號蘇氨酸(threonine,T)形成氫鍵,讓整個結構更有彈性。另外,原本的 D614 可能與第 464 號精氨酸(arginine,R)形成立體障礙,干擾 S1 和 S2 的結合,突變後障礙也就消失了。

S蛋白質的立體結構,第 614 號氨基酸靠近 S1、S2 的交界,由 D 改變為 G 以後,也會影響周圍氨基酸的化學鍵結。圖/取自 ref 3

小小改變,增加病毒傳染力

突變的效果很微妙,大部分突變影響都很有限,有時候在特定機緣下,光是一處小小的變化卻會帶來很大的差異。

假如 SARS二世和一世相同,S1 和 S2 之間沒有多出一段序列,兩者的結構仍然能保持穩定,卻會因為開罐器較弱而限制感染力。增加 furin 牌開罐器的作用位置後,開罐效果提升,也帶來結構不穩定的副作用;而 D614G 的出現,能有效彌補缺點

因此,S1 和 S2 之間插入短片段序列導致的新 furin 切位,以及 D614G 的位置變化,可以視為病毒一系列相關的適應。

然而要注意,體外實驗的感染力變強 3 倍、10 倍,不等於病毒實際人傳人時也會增強 3 倍、10 倍。針對 3 萬人的一項英國研究,比較兩款病毒傳播上的不同,估計配備 D614G 突變的病毒傳染力為本來 1.22 倍。但是愛丁堡大學的 Andrew Rambaut 認為,假如真的比較強,效果也不是太大……等等,1.22 倍不大!?5, 6

斯克里普斯研究所的菁英戰隊外,還有多個其他戰隊用類似的模擬病毒測試差異,得到一致的結論:

至少人造情境下 D614G 能增加感染力。

更堅固的可樂娜!(誤)圖/取自 junk DNA

另一個眾人關心的問題是,現在大家都在研發疫苗,突變會不會影響抗體作用?感染病毒後痊癒者的血漿內有抗體,不同戰隊各自用少數痊癒者的血漿測試,發現都不會影響中和抗體(neutralizing antibody)的作用。

不過一個中國戰隊卻報告,70 個測試樣本中有 5 個(7%)效果較差。由此推論,D614G 突變多半不會影響抗體的效果,但是測試過還是比較安心。7, 8, 9

SARS二世立足中國,歐洲進修,征服世界

至今已經觀察到 SARS二世出現過非常非常非常多的突變,但是與適應有關的改變,目前只有 D614G 看來比較有眉目。假如 D614G 確實能增強病毒的傳播能力,表示隨著疫情進展,此一變異的比例增加與病毒的適應有關,是正向選汰(positive selection)的結果。

兩款病毒在全世界的相對比例變化,橘色是原本的 D,藍色是衍生的 G。圖/取自 ref 1

大家聽到病毒傳染力增強也不用緊張,因為 D614G 在疫情很早期時已經出現,中國外絕多數大地方都以這款病毒為主。我們所熟悉的疫情,其實大部分就是由這款病毒所致

換句話說,中國雖然是 SARS二世的起源地,隨後在世界各地廣傳的病毒,傳染力很可能比武漢最初的病毒更強。若真是如此,意思是中國、韓國的本土病例儘管一開始數量非常驚人,傳染力實際上不如其他地方的後起之秀?

5 月 16 日時世界疫情的累積紀錄,綠色是原本的 D,黃色是衍生的 G。韓國流行的病毒,一直以原始版的 D 為主,中國早期的疫情也是。圖/取自 Nextstrain

D614G 最早在一月底誕生,歐洲是它茁壯的溫床。由已知資訊可以推論,全世界的傳染源,2 月之前以來自中國的病毒為主,但是 3 月以後歐洲成為出口最大宗。大致上是:SARS二世首先立足中國,接著 D614G 突變在歐洲發揚光大,後來征服世界。

另一點重要的發現是,D614G 能增加傳染力,卻對殺傷力沒有影響;這點仍需要更多研究證實,不過並不意外。對病毒而言,在周圍有這麼多同類競爭對手之下,增加傳染力很有利,強化殺傷力卻不是優點。

延伸閱讀

參考資料

  1. Tracking changes in SARS-CoV-2 Spike: evidence that D614G increases infectivity of the COVID-19 virus
  2. Spike mutation pipeline reveals the emergence of a more transmissible form of SARS-CoV-2
  3. The D614G mutation in the SARS-CoV-2 spike protein reduces S1 shedding and increases infectivity
  4. Mutated coronavirus shows significant boost in infectivity
  5. The pandemic virus is slowly mutating. But is it getting more dangerous?
  6. COVID-19 Genomics UK (COG-UK) Consortium  Report #9 – 25th June 2020(pdf
  7. D614G mutation of SARS-CoV-2 spike protein enhances viral infectivity
  8. Naturally mutated spike proteins of SARS-CoV-2 variants show differential levels of cell entry
  9. The Spike D614G mutation increases SARS-CoV-2 infection of multiple human cell types

本文亦刊載於作者部落格《盲眼的尼安德塔石匠》暨其 facebook 同名專頁

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寒波_96
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生命科學碩士、文學與電影愛好者、戳樂黨員,主要興趣為演化,希望把好東西介紹給大家。部落格《盲眼的尼安德塔石器匠》、同名粉絲團《盲眼的尼安德塔石器匠》。

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被始祖人類收編的去勢病毒,竟成為人類繁衍的關鍵基因 ?——《我們身體裡的生命演化史》

鷹出版_96
・2021/09/19 ・1916字 ・閱讀時間約 3 分鐘

胎盤中母體細胞和胎兒細胞的交界處,有一種蛋白質具有非常特殊的功能。合胞素(syncytin)位於這個介面上,在母體與胎兒交換養分和廢棄物時,擔任像是分子交通警察的工作。許多研究指出,這種蛋白質對於胚胎的健康極為重要。有一群科學家製造了合胞素基因有缺陷的小鼠,這種小鼠的生長活動一切正常,但卻無法生育。在受孕之後,胎盤無法成型, 因此胚胎不能存活。

母體如果少了合胞素,製造不出具有功能的胎盤,胚胎也就無法得到養分。人類如果缺少合胞素,也會產生許多和懷孕相關的問題。患有子癲前症(preeclampsia)的女性,身上的合胞素基因就有缺陷,以致可以製造出蛋白質, 卻無法好好完成工作,結果在胎盤中引發出一連串反應,導致了極危險的高血壓。

法國一個生物化學實驗室,透過合胞素基因的 DNA 序列,來研究這個蛋白質的結構。就如同林區的研究當中所看到的, 當一個基因被定序出來,就可以把遺傳編碼傳送到電腦中,與其他生物所具備的基因序列進行比對。這種辨認出模式的交互檢查,能比對整個基因,也能找出其他基因序列中是否有類似的小片段。幾十年來,資料庫中的基因序列資料來自各式各樣的生物,小至細菌,大到大象,有數百萬份。比對工作揭露出許多基因是複製而擴大的基因家族,這在第五章談到了。在合胞素基因中,研究人員找尋的是其他相似的蛋白質,想說可以從中發現合胞素在懷孕期間發揮功能的方式。

發現的結果是個謎。搜尋資料庫後顯示的結果是,合胞素和其他動物中的蛋白質都沒有任何相似之處。在植物與細菌中也沒有發現到相似的序列。最後電腦比對出來的結果讓人驚訝與困惑:合胞素的基因序列,看起來非常像是某種病毒中的序列,並且像是造成愛滋病的人類免疫缺陷病毒(HIV)。這種病毒為什麼會有類似哺乳動物的蛋白質,而且那種蛋白質對於懷孕還很重要?

從人工培養的淋巴細胞中出芽的 HIV病毒 (綠色部分)。圖/WIKIPEDIA

研究人員在繼續探究合胞素之前,要先成為病毒專家。病毒是狡猾的分子寄生物。它們的基因組非常精簡,只含有感染和複製所需的資訊。病毒入侵細胞後,進入細胞核,並且進入基因組本身,一旦進入 DNA 裡面,它們會接掌主權,利用宿主的基因組製造更多病毒,並且生產病毒的蛋白質而不是宿主的蛋白質。宿主細胞受到病毒感染後,就成為製造千千萬萬病毒的工廠。人類免疫缺陷病毒這類病毒,為了從一個細胞傳播到另一個,它們會製造出讓宿主細胞黏在一起的蛋白質。這種蛋白質能夠把細胞併在一起,並建立通道,病毒藉此可以從一個細胞移動到另一個細胞中。為了達到這個目的,那種蛋白質會位於兩個細胞的交界處,控制兩者之間的交通。聽起來似曾相識?當然,因為合胞素在胎盤中做了同樣的事情:合胞素把細胞併在一起,控制胎兒細胞和母體細胞之間的分子交通。

合胞素作用於胎盤中的合胞體滋胚層 Syncytiotrophoblast (淺藍綠色處) ,讓母體細胞與胎兒細胞能夠相連通。 圖/WIKIPEDIA

研究團隊越是深入,越是發覺合胞素其實是來自失去感染其他細胞能力的病毒。哺乳動物蛋白質和病毒蛋白質的類似性,引導出一個新觀念——在遙遠過往的某個時間,一個病毒入侵了人類祖先的基因組,這個病毒含有某種類型的合胞素, 但它並沒有指揮細胞造出千千萬萬個病毒,而是遭受去勢,沒有感染能力,反而被新的宿主利用上了。人類的基因組是與病毒持續較勁的戰場。在合胞素這個例子中,因為尚未發現的機制,病毒中負責感染的部位被刪除了,其餘部位則被留下來製造胎盤所需的合胞素。病毒把蛋白質帶到了基因組中,本來是要攻擊基因組,後來卻受到劫持而為宿主效力。

科學家接著研究各種不同哺乳動物中的合胞素結構,發現小鼠的版本和哺乳動物的版本不同。比對了資料庫後,他們發現在不同的哺乳動物中,不同的病毒入侵產生了不同的合胞素。靈長類動物的來自入侵所有靈長類祖先的病毒;嚙齒類和其他哺乳動物的來自另一個感染事件,使得牠們有不同版本的合胞素。結果就是:靈長類、嚙齒類和其他哺乳動物,各有來自不同入侵者的不同合胞素。

人類的DNA 並非完全繼承自祖先,入侵的病毒會插入基因組中,產生功用。人類祖先和病毒的戰鬥,也是眾多創新的起源之一。

——本文摘自《我們身體裡的生命演化史》,2021 年 月,鷹出版

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鷹出版_96
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