关于最新新冠病毒英国新变体VOC-202012/01的所有

2020年12月19日,英国首相约翰逊宣布,一种变异新冠病毒正在伦敦和英格兰东南部地区蔓延,传播速度比原先发现的病毒快70%。

这种SARS-CoV-2变体最初被Public Health England命名为VUI – 202012/01 (Variant Under Investigation),随后被正式命名为VOC-202012/01 (Variant of Concern)。按照Pangolin对新冠病毒谱系命名规则,该变异体为B.1.1.7.。按照美国CDC采用的nextstrain命名方式为20I/501Y.V1.。 这种株系由17个突变定义,包括13个非同义突变,4个缺失,6个同义突变.


genenucleotideamino acid
ORF1abC3267TT1001I
C5388AA1708D
T6954CI2230T
11288-11296 deletionSGF 3675-3677 deletion
spike21765-21770 deletionHV 69-70 deletion
21991-21993 deletionY144 deletion
A23063TN501Y
C23271AA570D
C23604AP681H
C23709TT716I
T24506GS982A
G24914CD1118H
Orf8C27972TQ27stop
G28048TR52I
A28111GY73C
N28280 GAT->CTAD3L
C28977TS235F

SARS-CoV-2

根据世界卫生组织的最新统计,截止2021年1月16日,世界累计确诊COVID-19的人数为92506811,累计死亡人数2001773


Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2)属于β冠状病毒,2019年末开始在人类中传播,基因组与蝙蝠的RaTG13RmYN02类似。左图黄色颗粒为病毒颗粒,右图为SARS-CoV-2病毒三维结构图。



SARS-CoV-2包含多个关键基因,分别为spike (S), membrane (M), envelope (E) 蛋白和nucleocapsid (N) 蛋白。S蛋白负责识别宿主细胞受体以启动病毒进入。M蛋白被包埋在包膜中并形成病毒体包膜。E蛋白是对CoV感染性至关重要的小多肽。N蛋白组成螺旋核衣壳并沿着病毒RNA基因组结合。除这些结构蛋白外,SARS-CoV-2还编码16种非结构蛋白(nsp1–16)和9种辅助蛋白。基因组长度为29903,具体信息如下所示:



通过Spike蛋白与人类细胞上的Angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) 结合,进而导致感染。左图为Spike蛋白三维结构,右图为病毒颗粒上S蛋白(红色)与人体细胞上的ACE2蛋白(蓝色)结构,进而融合。


Spike蛋白在病毒感染过程中发挥关键作用。SARS-CoV-2 S的总长度为1273aa,大小为180–200 kDa。由位于N端的信号肽(氨基酸1-13),S1亚基(14-685个残基)和S2亚基(686- 1273个残基); 分别负责受体结合和膜融合。


三聚体,结合时RBD打开

a Schematic representation of the SARS-CoV-2 spike.

bc The S protein RBD closed and opened status.

d The S protein binds to ACE2 with opened RBD in the S1 subunit.

e The six-helix structure formed by HR1 and HR2 of the S2 subunit.


下图展示了病毒的三维结构和病毒是如何感染人体细胞的。首先S1ACE2进行结合,S2介导病毒包膜和细胞膜进行结合。病毒进入细胞内后,释放遗传物质RNA,RNA一方面自行复制,另一方面利用人类细胞功能自主翻译病毒蛋白质,最后成功组装后释放到体外,完成繁殖。

a S蛋白的结构示意图 b S蛋白与受体ACE2结合 c 由S蛋白介导结合和病毒-细胞融合过程 d SARS-CoV-2在宿主细胞中的生命周期。


系统发育学上命名Nomenclatures

“One general law, leading to the advancement of all organic beings, namely, multiply, vary, let the strongest live and the weakest die.”

Charles Darwin, The Origin of Species

SARS-CoV-2属于RNA病毒,变异速度很快,在长达一年的亿万次繁殖,已经产生了相当数量的变异体。几乎每个核苷酸都发生了变异:

对于病毒变异株系进行实时监测非常的重要。新的变体可能会影响公共卫生管理的各个方面,包括病毒传播能力是否增加、感染后病症是否更加严重、对于基因检测是否有影响、对抗体和疫苗是否免疫等。

https://www.cdc.gov/

Ability to spread more quickly in people.There is already evidence that one mutation, D614G, confers increased ability to spread more quickly than the wild-type SARS-CoV-2. In the lab, 614G variants propagate more quickly in human respiratory epithelial cells, outcompeting 614D viruses. There also is epidemiologic evidence that the 614G variant spreads more quickly than viruses without the mutation.

Ability to cause either milder or more severe disease in people. There is no evidence that these recently identified SARS-CoV-2 variants cause more severe disease than earlier ones.

Ability to evade detection by specific diagnostic tests. Most commercial polymerase chain reaction (PCR) tests have multiple targets to detect the virus, such that even if a mutation impacts one of the targets, the other PCR targets will still work.

Decreased susceptibility to therapeutic agents such as monoclonal antibodies. Ability to evade natural or vaccine-induced immunity. Both vaccination against and natural infection with SARS-CoV-2 produce a “polyclonal” response that targets several parts of the spike protein. The virus would likely need to accumulate multiple mutations in the spike protein to evade immunity induced by vaccines or by natural infection.

已经有证据表明,一种突变D614G比野生型SARS-CoV-2具有更快的传播能力。在实验室里,614G变种在人类呼吸道上皮细胞中繁殖更快,超过了614D病毒。还有流行病学证据表明,614G变种比没有突变的病毒传播得更快。

对人造成轻微或更严重疾病的能力。没有证据表明最近发现的SARS-CoV-2变异比早期的变异引起更严重的疾病。

逃避特定诊断检测的能力。大多数商业聚合酶链式反应(PCR)检测病毒有多个靶点,即使一个突变影响其中一个靶点,其他的PCR靶点仍然有效。

对治疗药物如单克隆抗体的敏感性降低。 逃避自然免疫或疫苗诱导免疫的能力。对SARS-CoV-2的疫苗接种和自然感染都会产生一种“多克隆”反应,靶向刺突蛋白的几个部分。病毒可能需要在棘突蛋白中积累多个突变,以逃避疫苗或自然感染诱导的免疫。

GISAID是一个全球性的科学倡议,它提供了对流感病毒和导致COVID-19大流行的冠状病毒的基因组数据的开放访问,包含了世界各地研究者上传的新冠病毒序列。根据GISAID的最新统计,已经有381K次序列提交。对于新冠病毒的各个株系进行有效的进化描述,各个机构或组织采用了不同的命名方式。主要介绍NextstrainPangolin

GISAID将其分为七个进化枝(L,O,V,S,G,GH和GR)

Nextstrain 将变体分为五个进化枝(19A,19B,20A,20B和20C)

Pangolin主要将变体分为A, B, B.1

Nextstrain用于理解病原体的传播和进化,利用第三方病原体数据库构建系统动力学分析的生物信息学管道和交互式可视化平台,对病毒病原体的进化和传播进行实时观察。不仅包含新冠病毒的动态变化,还有季节性流感、埃博拉病毒、寨卡病毒等进行实时显示。


Nextstrain利用年份和字母的方式对 SARS-CoV-2不同株系进行命名,此次英国新变体被命名为20B/501Y.V1.。主要包含以下几大类。

20A: basal pandemic lineage bearing S 614G that’s globally distributed

20B: derived from 20A bearing N 203K, N204R and ORF14 50N, also globally distributed

20C: derived from 20A bearing ORF3a 57H and ORF1a 265I, also globally distributed

20D: derived from 20B bearing ORF1a 1246I and ORF1a 3278S, concentrated in South America, southern Europe and South Africa

20E: derived from 20A bearing N 220V, ORF10 30L, ORF14 67F and S 222V, concentrated in Europe

20F: derived from 20B bearing ORF1a 300F and S 477N, concentrated in Australia

20G: derived from 20C bearing ORF1b 1653D, ORF3a 172V, N 67S and N 199L, concentrated in the United States

20H/501Y.V2: derived from 20C bearing S 80A, S 215G, S 484K, S 501Y, S 701V, concentrated in South Africa

20I/501Y.V1: derived from 20B bearing S 501Y, S 570D, S 681H, ORF8 27, concentrated in the United Kingdom

20A:全球分布的带有S 614G的基本大流行谱系

20B:源自20A轴承N 203K、N204R和ORF14 50N,也在全球分布

20C:源自20A轴承ORF3a 57H和ORF1a 265I,也分布于全球

20D:源自20B轴承ORF1a 1246I和ORF1a 3278S,集中在南美、南欧和南非

20E:源自20A轴承N 220V、ORF10 30L、ORF14 67F和S 222V,集中在欧洲

20F:源自20B轴承ORF1a 300F和S 477N,集中在澳大利亚

20G:源自20C轴承ORF1b 1653D,ORF3a 172V,N 67S和N 199L,集中在美国

20H/501Y.V2:源自20C轴承S 80A、S 215G、S 484K、S 501Y、S 701V,集中在南非

20I/501Y.V1:源自20B轴承S 501Y、S 570D、S 681H或F8 27,集中在英国

命名原则:

标记基因定义明确的进化枝,已经达到了很高的频率和地理分布,建议在全球频率达到20%时命名一个新的主要进化枝。

如果瞬态进化枝的名称持续存在并增加频率,则可以提升到主要进化枝的名称,

年份加变异程度

随着SARS-CoV-2成为季节性病毒,在未来几年中处理进化枝命名

一个新进化枝应该与其父主要进化枝至少相差2个突变。


另外一个比较普遍使用,即Pangolin。这篇文章发表于2020年6月。利用这种模式,英国新变体被命名为B.1.1.7.,截止目前已有846个谱系了。

当出现以下情况时,定义一个谱系

(a) 它表现出一个或多个与祖先血统相同的核苷酸差异;

(b) 它包含至少5个基因组,基因组测序>95%;

(c) 该谱系内的基因组表现出它们之间至少一个共享的核苷酸变化;并且

(d) 沿袭定义节点的引导值>70%。

然后,递归,如果还有子树,再分一个,往后加.,如A.2。但最多三级, 如a.1.1.1a.1.1.1.1将成为C.1。所有序列都分配给一个谱系。


左图橙色部分即为20I/501Y.V1.

突变的影响

先从目前广泛传播的S D614G说起,这个突变传播能力强,和年初意大利疫情极度严重有关。可以看出,目前除了最初中国的两个主要株系19A19B,其他基本上所有变体都有S D614G突变。这个突变在经实验验证和扫描电镜证实,发现突变体与ACE2结合能力减弱,但导致多个单体RBD打开,结合更多人体细胞。

首先是传播能力,目前已证实20I/501Y.V1.对于与野生型有着70%的传播能力,这是在实验室中观察统计病毒感染细胞的速度得来的。从一篇科技文章来看,该突变型的几个重要S蛋白突变在病毒传播能力上有着重要影响。

Mutation N501Y is one of six key contact residues within the receptor-binding domain (RBD) and has been identified as increasing binding affinity to human and murine ACE2.

The spike deletion 69-70del has been described in the context of evasion to the human immune response but has also occurred a number of times in association with other RBD changes.

Mutation P681H is immediately adjacent to the cleavage site, a known location of biological significance.

突变N501Y是受体结合域(RBD)内的六个关键接触残基之一,已被鉴定为增加与人和小鼠ACE2的结合亲和力。

尖峰缺失69-70del已经在逃避人类免疫反应的背景下被描述,但是也与其他RBD改变相关联地发生过多次。

突变P681H紧邻裂解位点,这是一个已知的具有生物学意义的位点。

其次从致病性来看,可能会对抗体有影响,但未经实验证实。

Position 501 is in the RBD, where neutralising antibodies most frequently act, and therefore it is possible that variants at this position affect the efficacy of neutralisation of virus.

Currently there is no evidence to suggest that the variant has any impact on the severity of disease or vaccine efficacy.

位置501位于RBD中,中和抗体最常起作用,因此该位置的变异可能影响中和病毒的效果。

目前没有证据表明这种变异对疾病的严重程度或疫苗的效力有任何影响。

其他突变

现在问题不仅仅是只有来自英国的突变体20I/501Y.V1.一种,研究者还在南非发现了20H/501Y.V2,在日本发现了来自巴西的20J/501Y.V3。具体信息如下:

B.1.351世系(又称20H/501Y.V2)

该变体在棘突蛋白中有多个突变,包括K417T、E484K、N501Y。与在英国检测到的B.1.1.7谱系不同,该变体不包含69/70处的缺失。

这种变异最早是在南非纳尔逊曼德拉湾发现的,其样本可追溯到2020年10月初,此后在南非境外发现了病例。

2020年12月底,赞比亚也发现了这种变异,当时它似乎是该国的主要变异。

目前没有证据表明这种变异对疾病的严重程度有任何影响。

有证据表明,棘突蛋白突变之一E484K可能影响某些多克隆和单克隆抗体的中和作用

P. 1世系(又称20J/501Y.V3)

P.1变异是B.1.1.28谱系的一个分支,日本国立传染病研究所(NIID)首次报告了4名来自巴西的旅客,他们是在东京郊外羽田机场进行常规筛查时取样的。

P.1谱系包含17个独特的氨基酸变化和3个缺失。 该变体在棘突蛋白受体结合域中包含三个突变:K417T、E484K和N501Y。

有证据表明,P.1变体的某些突变可能影响其遗传性和抗原谱,这可能影响通过先前自然感染或通过接种疫苗产生的抗体识别和中和病毒的能力。

中国有没有?

2020年12月14日,上海海关实验室对一名从英国乘飞机回国的23岁女性进行了检测。上海株NC20SCU2740-1是我国第一个引进的VUI202012/01变种,对我国COVID-19的防控构成了巨大的潜在威胁。

2021年1月6日,广东省疾控中心从一名患者的咽拭子中成功分离出2019年冠状病毒病(COVID-19)501Y.V2变种病毒。该患者为55岁的南非籍男飞行员。

目前未发现20J/501Y.V3

河北的是不是?

石家庄市确诊为第一例(患者A),邢台市确诊为第二例(患者B)。7月份发现的3株俄罗斯菌株与2株河北菌株共有10个变异位点。

河北的两例与7月份在俄罗斯发现的突变体类似。

疫苗有没有用?

现在新冠病毒疫苗主要分7种,依次为:

灭活病毒疫苗 病毒在物理上或化学上是灭活的,但保留了作为免疫原的病毒颗粒的完整性。

类病毒颗粒或纳米颗粒疫苗 在这一策略中,结构病毒蛋白共同表达形成非传染性颗粒作为疫苗免疫原。它们与真正的病毒粒子相似,但缺乏病毒基因组。

蛋白亚单位疫苗 这种策略只包含关键的病毒蛋白质或多肽,这些蛋白质或多肽可以在细菌、酵母、昆虫或哺乳动物细胞的体外制造。在临床和临床前阶段,数量最多的严重急性呼吸综合征冠状病毒2(SARS-CoV-2)疫苗候选疫苗都是基于这一策略。

病毒载体疫苗 编码病原体抗原的基因被克隆到非复制或复制病毒载体(如腺病毒)中。抗原是由免疫后转导的宿主细胞产生的。

DNA和mRNA疫苗 DNA和mRNA疫苗具有快速制造抗新病原体的优势。对于DNA疫苗,由重组DNA质粒编码的病毒抗原在宿主细胞中通过顺序转录到翻译过程产生。相比之下,mRNA疫苗是通过体外转录合成的,它们通过体内蛋白质的直接翻译在细胞质中产生病毒抗原。

减毒活疫苗 在这一策略中,通过体外或体内传代或反向遗传突变来减弱病毒。由此产生的病毒变为非致病性或弱致病性,但通过模拟活病毒感染保持免疫原性。

目前已有214种以上候选COVID-19疫苗,其中51种正在临床评估中,其中13种在III期临床试验中,并且几种疫苗现已获准在某些地区使用。以下为各个国家和单位对新冠病毒不同靶标进行疫苗研发的最新进展,具体表格可以查看:https://www.nature.com/articles/s41577-020-00480-0/tables/1

中国各个策略都有在研发,目前上市的为灭活疫苗。

辉瑞疫苗为mRNA疫苗,将能激发免疫反应的mRNA以PEG纳米颗粒包裹注射入人体,期待其合成病毒侵入人体时所需的棘突蛋白相应的抗体,从而在病毒致病之前把它“中和”掉。

结论:

技术先进性来说:mRNA疫苗>腺病毒载体的DNA疫苗>灭活疫苗

灭活疫苗稳妥且成熟,耗时时间长,对新的突变类型可能需要重新开发。

前两种开发时间较短,针对新突变可以重新生成序列重复使用。当然安全性无法预测,不确定表达出目标蛋白。

人体已经对大量腺病毒产生了免疫机制,一个腺病毒只能用一次。

参考文献

  1. Huang, Y., Yang, C., Xu, Xf. et al. Structural and functional properties of SARS-CoV-2 spike protein: potential antivirus drug development for COVID-19. Acta Pharmacol Sin 41, 1141–1149 (2020). https://doi.org/10.1038/s41401-020-0485-4
  2. James Hadfield, Colin Megill, Sidney M Bell, John Huddleston, Barney Potter, Charlton Callender, Pavel Sagulenko, Trevor Bedford, Richard A Neher, Nextstrain: real-time tracking of pathogen evolution, Bioinformatics, Volume 34, Issue 23, 01 December 2018, Pages 4121–4123, https://doi.org/10.1093/bioinformatics/bty407
  3. Rambaut, A., Holmes, E.C., O’Toole, Á. et al. A dynamic nomenclature proposal for SARS-CoV-2 lineages to assist genomic epidemiology. Nat Microbiol 5, 1403–1407 (2020). https://doi.org/10.1038/s41564-020-0770-5
  4. Structural and Functional Analysis of the D614G SARS-CoV-2 Spike Protein Variant. Yurkovetskiy, Leonid et al. Cell, Volume 183, Issue 3, 739 – 751.e8
  5. Dai, L., Gao, G.F. Viral targets for vaccines against COVID-19. Nat Rev Immunol (2020). https://doi.org/10.1038/s41577-020-00480-0
Categories: 生物信息

2 Comments

Anonymous · 2021年1月18日 at 14:59

桉树树前来支持,瓜瓜棒棒→_→

Anonymous · 2021年12月1日 at 15:02

hello, good boy

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