新型冠状病毒的分类和进化特点

吴 坤

（华南农业大学动物科学学院，广东 广州 510642）

收集和整理引起新型冠状病毒肺炎(Corona Virus Disease 2019，COVID-19) 的致病病毒的分类资料和最近2～3 年来新型冠状病毒的变异毒株，并将新型冠状病毒的重点关注突变体的进化特点进行对比总结。

1 新型冠状病毒的基本概述

1.1 冠状病毒的分类冠状病毒属于套式病毒目（Nidovirales），冠状病毒科（Coronaviridae）,冠状病毒亚科（Coronaviridae），冠状病毒属（Coronaviridae），是一类具有囊膜的单股正链RNA 病毒，在所有已知RNA 病毒中冠状病毒基因组是最大的，通常在26-32 kb。其基因组被包装于由核衣壳蛋白（N）形成的螺旋衣壳中，再被病毒囊膜包裹。

ICTV 根据遗传学和血清学的差异将冠状病毒科划分为α(Alpha)、β(Beta)、γ(Gamma)、δ(Delta)4 个不同属，不同属之间无抗原交叉反应。α 和β冠状病毒属主要由感染哺乳动物的冠状病毒组成，γ 属冠状病毒主要包括感染禽类的冠状病毒，而δ 属即有感染哺乳动物的也有感染鸟类的冠状病毒。经典冠状病毒进化树如图1 所示。已知的6 种可感染人类的冠状病毒，其中HCoV-229E、HCoV-NL63 属于α 冠状病毒属， 剩下的HCoV-OC43、HCoV-HKU1、SARS-CoV 和MERS-C oV 是β 冠状病毒属。

图1 一些经典冠状病毒进化树

1.2 新型冠状病毒的分类在已知的6 种可感染人类的冠状病毒中，前四种冠状病毒（HCoV-229E、HCoV-NL63、HCoV-OC43、HCoV-HKU1）的致病性较低且临床症状类似于普通感冒，与新型冠状病毒致病性和感染后病症相比差别极大；而后两种病毒（SARS-CoV、MERS-CoV）在致病性、临床表现等方面与新型冠状病毒有相似性，均表现为强致病性与临床症状严重。新型冠状病毒在基因测序的结果上表明与SARS-CoV 的全基因组核苷酸序列具有78.7%的同源性，但与MERS-CoV 的全基因组核苷酸序列相似性仅为48.7%。由此看出该病毒在进化上同属SARS 相关性冠状病毒种，而和MERS-CoV相比区别较大，属于不同病毒种。

ICTV 冠状病毒研究组（CGS）采用基于分层聚类划分多样性的方法，评估了该新型冠状病毒与已建立分类单元中的已知病毒之间的一系列特殊联系（包括基因组序列的同源性等），正式将SARS-CoV-2 病毒定义为冠状病毒科、β 冠状病毒属、SARS 相关性冠状病毒种的其中一个分型。

1.3 新型冠状病毒的基本结构SARS-CoV-2 基因组主要编码产生四种结构蛋白——S 蛋白（spike glycoprotein）、E 蛋白（envelope protein）、M 蛋白（matrix protein）和N 蛋白（nucleocapsid protein），而该病毒的主要特征是其表面存在的棒状突起的刺突蛋白即S 蛋白。

SARS-CoV-2 病毒表面的S 蛋白会与宿主细胞膜表面的受体结合并介导病毒侵入细胞。而该病毒在与受体结合后，S 蛋白会在第一个蛋白水解位点（S1/S2）处分解为S1 和S2 两个亚基，此时S1 亚基的N 端结构域（N-terminal domain，NTD）与C 端结构域（C-terminal domain，CTD）均能作为与宿主细胞膜表面受体结合的受体结合域（receptor-binding domain，RBD）。在人类的感染中，该病毒的结合受体均为血管紧张素转化酶2（angiotensin converting enzyme2，ACE2）。

2 SARS-CoV-2 的出现与进化

由于SARS-CoV-2 是RNA 单链病毒，它本身有不稳定和易突变的特点，在爆发疫情前，该病毒的前身就已经出现。据研究，中国武汉出现的新型冠状病毒毒株——Wuhan-1 并不是全球新冠疫情感染的直接祖先，Wuhan-1 毒株是在真正的新型冠状病毒祖先的的基础上通过三个连续的α 突变（α1、α2、α3）进化而来。从Wuhan-1 号毒株被发现以来，其出现众多变异，在众多变异突变株中出现了5 种被WHO 列为VOC（variant of concern，值得关切的变异株），以及多种被列为VOI（Variant of interest，值得关注的变异株）。该病毒变体能查询的大类至少13 种（α、β、γ、δ、ε、ζ、η、θ、ι、κ、λ、μ、ο），基本用希腊字母命名,其中每个大类的分支一般采用Pango Lineage 法命名。最初的D614G 突变始祖和5 种VOC 的时间线如图2，以及多种VOI 的出现时间线如图3。

图2 几种重要突变株最早出现的时间线

图3 几种VOI 突变株发现时间线

2.1 D614G 突变始祖2020 年1 月，首例SARS-CoV-2 突变株D614G（第614 号编码天冬氨酸（D）残基突变为甘氨酸（G））在德国巴伐利亚州被发现，同年3 月D614G 突变株扩散到欧洲并在欧洲甚至全球范围内大规模扩散，测序占有率极速增长到67%，截止同年6 月D614G 突变株成为全球主要传播类型。后续进行的所有突变，都是在D614G 突变株的基础上进行的再突变。

D614G 突变并不改变疾病的严重程度，而是在原有野生型的基础上将S 蛋白的RBD 区域变构为更开放的构象，进而增加了与人体ACE2 受体的结合能力，而病毒的复制能力、感染性和竞争适应性随之得到增强，导致D614G 突变株成为优势毒株。

2.2 Alpha（VOC 202012/01、501Y.V1 或B.1.1.7）突变株2020 年12 月，Alpha（VOC 202012/01、501Y.V1 或B.1.1.7）突变株首次在英国肯特郡被发现，但据临床样本溯源的结果显示该突变株可追溯到2020 年9 月；在9～12 月，该突变株已传播至欧洲、亚洲、大洋洲和北美洲等22 个国家。α 突变株是在原有D614G 突变的基础上获得了其它突变，但在传播过程中，α 突变株仍在持续变异，2021 年1月底，英国再次检测到α 突变株获得关键突变E484K，同年4 月再次突变的α 突变株在美国成为占主导地位变异毒株。据全球共享流感数据倡议组织（GISAID）数据显示，2021 年5 月17 日，α 突变株占全球变异毒株感染数达69%。

α 突变株与Wuhan-1 相比，共积累了24 个突变，其中在S 蛋白上出现了7 个替换（D614G、N501Y、A570D、P681H、T716I、S982A、D1118H）和三个缺失（H69del、V70del、Y144del）。其中在RBD 的N501Y 的突变增强了与ACE2 结合的亲和力，导致α 突变株是Wuhan-1 与ACE2 结合能力的5 倍左右，并且导致病毒更易传播；同时RBD 中的E484K突变和H69del-V70del 两个氨基酸的缺失与免疫缺陷患者的病毒逃逸免疫反应有关。α 突变株比其他一些变种更具传染性，同时会导致更严重的病症。

2.3 Beta(501Y.V2 或B.1.351)突变株2020 年10月，Beta（501Y.V2 或B.1.351）突变株在南非纳尔逊·曼德拉海湾疫情中被发现，据溯源，7 月或8 月该地区已有β 突变株。2020 年末，α 突变株传播蔓延全球但并未内入侵南非的主要原因可能是该地区β突变株占主导地位，同时抑制了α 突变株的传播。

β 突变株存在数个突变，其中在S 蛋白上8 个替换（K417N、E484K、N501Y、D614G、L18F、D80A、D215G、A701V）和3 个缺失（LAL242-244del）。在RBD 中延续α 突变株的突变的同时，增加了同样有免疫逃逸能力的K417N 变异；而RBD 中同时存在的三个关键突变（N501Y、E484K、K417N）的组合可导致传染性和中和抗性的增强，以及提高病毒转导靶细胞的能力，可提高至13 倍，而比与最初野生型毒株相比该突变株与ACE2 结合的亲和力提高了近5 倍。

2.4 Gamma (P.1 或B.1.1.28.1) 突变株2021 年1月，Gamma(P.1 或B.1.1.28.1)突变株首次在从巴西到东京的旅客中被发现，后经推算，在2020 年11 月巴西亚马逊州首府马瑙斯就可能已经存在该γ 突变株。与β 突变株情况类似，α、β 突变株未能在南美蔓延的原因可能就是γ 突变株在南美地区占据了主导地位，截至2021 年6 月27 日，γ 突变株已扩散至72 个国家。

γ 突变株存在17 个替换，1 个缺失以及4 个同义突变。其中在S 蛋白上出现11 个替换（K417T、E484K、N501Y、D614G、L18F、T20N、P26S、D138Y、R190S、H655Y、T1027I）。与β 突变株类似的是，γ突变株的RBD 中同样同时存在三个关键突变（N501Y、E484K、K417T），γ 突变株的T417 突变同样有免疫逃逸能力。经过Faria 等整合基因组和死亡率数据构建动力学模型发现，γ 突变株的传播性比非γ 谱系强化了70%～140%，而致死能力则强化了20%～90%，同时γ 突变株可以规避21%～46%的由以前非γ 谱系突变株感染引起的免疫保护。意味着，γ 突变株存在逃避中和抗体能力，感染过非γ 谱系患者也有再感染的可能性。

2.5 Delta(B.1.617.2)突变株2020 年10 月，Delta(B.1.617.2)突变株首次在印度被发现，至2021 年2月该突变株占据全印度病例的60%，截至2021 年6月27 日，δ 突变株扩散至96 个国家，而至同年7月δ 突变株的基因组占比达到全球的70%，并持续升高，直至同年11 月中旬占比才开始下降，同时δ 突变株也是2021 年主要流行变异株。

δ 突变株存在复数个突变位点，包括S 蛋白上的10 个替换（L452R、T478K、P681R、D614G、T19R、K77R、G142D、R158G、A222V、D950N）和2 个缺失（FR156del、FR157del），其中在RBD 上含有L452R和T478K 的双重突变，以及Furin 裂解位点上含有P681R 突变，这3 个突变主要影响了RBD 的表面静电位点（electrostatic potential，EP）的显著变化。经研究，EP 变化可能增加病毒传染性，同时RBD 的双重突变使该突变株具有免疫逃逸能力，致使δ 突变株的传播率是α 突变株的1.23 倍。

2.6 Omicron (B.1.1.529) 突变株2021 年11 月，Omicron 突变株在南非首次发现，并在2021 年11月8 日首次被分离，随后迅速在南非传播，并扩散至全球。依据GISAID 上的全球流行突变株基因占有频率数据显示，在2022 年1 月初期Omicron 突变株占有率超过δ 突变株，成为全球主要流行突变株，到2022 年1 月17，Omicron 突变株全球占有率的超过70%，2022 年2 月至今，Omicron 突变株在全球占有率一直居高不下且超过90%。

Omicron 突变株突变位点超过50 个，以及含有数个缺失（H69-V70del、V143-Y145del、N211del），其中S 蛋白的突变位点有32 个（D614G、T478K、E484A、N501Y、A67V、T95I G142D、G339D、S371L、S373P、S375F、K417N、N440K、G446S、S477N、Q493 R、G496S、Q498R、Y505H、T547K、H655Y、N679K、P 681H、N764K、D796Y、N856K、Q954H、N969K、L981 F），包括一个插入（Ins214EPE），在RBD 中就存在15 个突变位点（N501Y、T478K、K417N、N440K、G339D、S371L、S373P、S375F、G446S、S477N、E484A、Q493R、G496S、Q498R、Y505H）。研究发现，Omicron突变株与δ 突变株在RBD 的突变有2/3 的重叠相似性，这些位点的突变使抗体与病毒结合作用减少，从而降低了抗体疗效。其中N501Y、T478K、N440K 三个突变导致该突变株的传染性增强到δ突变株的2 倍左右，而与Wuhan-1 相比则强化到了10 倍以上,。

3 结 语

3.1 SARS- CoV- 2 进化特点总结从Wuhan-1到D614G 突变始祖，再到后来5 种VOC 突变株，病毒的突变位点逐渐增多，更多的突变集中在病毒S蛋白区域，病毒的传播力、适应性在原有基础上出现增强，各突变株均与ACE2 的亲和力增强，免疫逃逸能力得到强化，疫苗对病毒的有效性也出现大幅下降，同时突变株毒性也在Wuhan-1 的基础上得到增强（见表1）。虽然病毒的R0 值会因环境等条件发生变化，但病毒突变株总体的R0 值极速增加，而平均潜伏期却出现缩短，向流感等症状靠拢。就目前世界流行的Omicron 突变株，被很多人称为“大号流感”，Omicron 突变株的死亡率在世界范围内大约为0.75%左右，而野生型死亡率在2%～3%，从数据看病毒感染死亡率有所下降，但这是基于全球累计疫苗接种超过百亿次的前提。就毒株类型、传播力、死亡率、适应性、潜伏期、R0 值等都与流感存在极大差异，不能将Omicron 突变株简单认为是“大号流感”，仍需做好预防措施。

表1 SARA-CoV-2 突变株进化特点的对比