SARS-CoV-2變異株的遺傳學特征和致病特點

王玉亮，龍藝尹，陳曉波

新型冠狀病毒（SARS-CoV-2）感染引起的新型冠狀病毒肺炎（conronavirus disease 2019,COVID-19）大流行對全球公共衛生及人類生命健康構成巨大威脅［1］。根據世界衛生組織（WHO）統計，截至2022年5月3日，全球COVID-19累計確診病例已超5.1億例，超624萬人死亡［2］。在過去的2年中，世界各國通過對病毒樣本進行基因組測序，見證了SARS-CoV-2不斷進化及變異產生的多種變異株，相比原始毒株，新變異株具有更高的傳染率，以致在全球快速傳播，使COVID-19疫情防治復雜化并面臨各種新的挑戰［3］。本文就SARS-CoV-2變異株的遺傳學特征，當前SARS-CoV-2新變異株奧密克戎（Omicron）流行病學特征、基因突變及臨床特征，SARS-CoV-2樣本采集方法及檢測手段，疫苗接種以及COVID-19治療等進行總結和分析，以期為SARSCoV-2的防治提供幫助。

1 SARS-CoV-2病毒概述

SARS-CoV-2基因組大小約為30 kb，編碼9 860個氨基酸，是有包膜的單股正鏈RNA病毒，其病毒顆粒直徑約100 nm，包括入侵宿主細胞所需的RNA遺傳物質和結構蛋白。病毒一旦入侵宿主細胞，即會進行RNA的復制、轉錄和翻譯，最后完成病毒顆粒的組裝。SARS-CoV-2基因組包含14個功能性開放閱讀框（ORF），編碼4種主要結構蛋白，包括刺突蛋白（S蛋白）、包膜蛋白（E蛋白）、膜或基質蛋白（M蛋白）和核衣殼蛋白（N蛋白），以及16種構成復制酶復合物的非結構蛋白（NSP），見圖1［4］。其中，S蛋白是病毒感染宿主細胞、新冠疫苗和治療性中和抗體（Nab）研發的重要靶點［5］。在病毒入侵宿主細胞的過程中，首先通過位于S蛋白的氨基末端S1亞基的受體結合區域（RBD）識別并結合宿主細胞表面的血管緊張素轉化酶2（ACE2），隨后羧基末端S2亞基被跨膜絲氨酸蛋白酶2（TMPRSS2）切割，觸發病毒與宿主細胞膜融合，隨后病毒進入受感染細胞內進行復制及組裝；此外，Furin蛋白酶可切割S1/S2亞基交界處多堿基Furin蛋白酶的切割位點（PRRAR），這有利于ACE2識別S蛋白的構象變化，且TMPRSS2與Furin蛋白酶對S蛋白的切割在病毒感染及高致病性中起協同作用［6］。

Fig.1 Schematic diagrams of SARS-CoV-2 genome structure圖1 SARS-CoV-2基因組結構示意圖

2 SARS-CoV-2變異株

為了便于研究人員向公眾科普介紹病毒變異體系，提高公眾健康意識，WHO（www.who.int/）、全球共享流感數據倡議組織（GISAID，www.gisaid.org/）、Nextstrain（nextstrain.org/）以及命名全球流行爆發譜系彭高命名系統（PANGOLIN，cov-lineages.org/）均免費共享基因組數據，并為所有新的和重要的變異株提供直接監測服務。WHO定期跟蹤和調查SARS-CoV-2變異株，將新出現的變異株分類為值得關切的變異株（VOC）、待留意的變異株（VOI）及受監控的變異株（VUM）［7］。SARS-CoV-2-VOC是在符合VOI特征的基礎上，還要有明確證據表明這些突變株對全球公共衛生造成巨大影響，使用于控制疾病傳播的疫苗、治療藥物、診斷或公共衛生和社會措施的有效性嚴重削弱。SARS-CoV-2-VOI具有增強病毒傳播能力、毒力的突變，影響病毒流行病學模式或疾病嚴重程度，具備社區傳播或多點爆發，使公共衛生面臨新的風險；SARS-CoV-2-VUM具有影響病毒特征的特定突變，并可能在未來構成潛在威脅，但目前尚無表型或流行病學影響的明確證據，需要加強監控和評估［8］。

根據WHO最近的流行病學更新，自大流行開始以來，已確定了5種SARS-CoV-2-VOC，包括B.1.1.7（Alpha）、B.1.351（Beta）、P.1（Gamma）、B.1.617.2（Delta）及最新出現B.1.1.529（Omicron），見表1［9-10］；并描述了8種SARS-CoV-2-VOI，包括B.1.427/B.1.429（Epsilon）、P.2（Zeta）、B.1.525（Eta）、P.3（Theta）、B.1.526（Iota）、B.1.617.1（Kappa）、C.37（Lambda）及B.1.621（Mu），見表2［10］、圖2。另外，WHO在其網站上公布了2種SARS-CoV-2-VUM，包括2021年9月多個國家報告的B.1.640譜系和2022年1月法國報告的XD（Delta與Omicron亞變種BA.1重組），但其特性尚未明確，相關信息較少，需要進一步監測。值得注意的是，之前有Delta亞變種AY.4與Omicron亞變種BA.1重組毒株“德爾塔克戎”（Deltacron）的報道［11］，這種重組毒株起源于2種變異株感染了相同細胞后，病毒復制過程中相互交換遺傳物質，由此產生2套遺傳物質兼具的新毒株。GISAID提供的數據顯示，歐洲多國及美國均相繼報告了Deltacron相關病例，但樣本數量依然非常有限。然而有研究人員表示，Deltacron可能是序列污染所

致的實驗烏龍［12］。WHO衛生緊急項目技術負責人指出，目前沒有發現這一毒株在流行病學和嚴重程度等方面帶來任何變化，但許多研究正在進行。

Tab.1 Genetic characteristics of SARS-CoV-2-VOC and their impacts表1 SARS-CoV-2-VOC的遺傳學特征及其影響

Tab.2 Genetic characteristics of SARS-CoV-2-VOI and their impacts表2 SARS-CoV-2-VOI的遺傳學特征及其影響

Fig.2 Global SARS-COV-2 variants圖2全球SARS-COV-2變異株

3 Omicron變異株

3.1 Omicron流行病學特征2021年11月11日，在博茨瓦納發現了一個SARS-CoV-2新變異株，其后南非多地報告了這種變異株。WHO于2021年11月26日將該突變株BA.1/B.1.1.529歸類為VOC，并將其命名為Omicron，這是繼Alpha、Beta、Gamma和Delta之后出現的第5個VOC。從12月開始，Omicron變異株已經傳播到英國、美國、法國、荷蘭、德國、丹麥、澳大利亞、以色列及印度等多國［13］。我國內地于2021年12月9日在對天津市入境閉環管控人員中篩查出一例Omicron變異株感染病例，為內地首次檢出境外輸入Omicron病例［14］。當前Omicron已在全球近180個國家/地區傳播，并迅速取代Delta成為SARS-CoV-2感染優勢流行毒株。

與之前流行的VOC相比，Omicron的傳播性更強并呈現隱匿性傳播。據英國衛生安全局報告，Omicron傳播力為Delta的3～4倍。研究顯示，Delta的基本傳染數（R0）平均為5.8，而Omicron的R0可能在4～8之間，即每個感染者平均傳染4～8個人。其中被稱為“隱形Omicron”的BA.2亞變體傳播速度比早前BA.1快75%左右［15］。我國本輪疫情主要由BA.2引起，R0可 能高 達9.5。2022年3月Nyberg等［16］在Lancet發表的英國150萬Omicron病例流行病學特征研究顯示，相比Delta，Omicron造成的住院和死亡風險顯著下降，HR值分別為0.41（95%CI：0.39～0.43）及0.31（95%CI：0.26～0.37），由Omicron感染的內在死亡風險總體降低了80%。近日，英國科學家發布研究報告顯示，英國1例男性患者自2020年感染SARS-CoV-2近一年半（長達505 d）后死亡，可能是世界上已知感染持續時間最長的病例，其免疫系統較弱，在對其死亡前的505 d持續觀察中發現，SARS-CoV-2檢測一直呈陽性［17］。倫敦國王學院及蓋伊和圣托馬斯國家醫療服務體系基金會的研究人員對9例頑固性COVID-19患者進行的跟蹤調查發現，這些患者的免疫系統因器官移植、艾滋病、癌癥等疾病的治療而被削弱，特別容易長期感染SARS-CoV-2，其中有4例死亡；遺傳分析顯示，有5例患者體內的病毒至少完成了1種突變，感染505 d的患者體內SARS-CoV-2則攜帶了10種突變，包括Alpha、Gamma和Omicron在內的幾個主要變異毒株；持續感染可能是新的變異株的來源，因為SARSCoV-2在患者體內也會不斷進化，隨時可能會獲得新的突變［17］。Omicron變異株快速傳播的另一特點是它在各種環境的物體表面上存活時間顯著延長。當前，Omicron變異株已達到社區傳播階段且呈聚集性特征。與其他SARS-CoV-2-VOC相比，Omicron變異株再感染風險增加與之前接種的疫苗中和活性降低有關。

3.2 Omicron基因突變Omicron是迄今為止所有SARS-CoV-2變異中突變位點數量最多的變異株，基因組序列分析顯示Omicron基因組中包含大約60個插入、替換及缺失，這顯著超過了之前的4種VOC，其中32個突變位于S蛋白編碼序列，包括T478K、N501Y、N655Y、N679K和P681H在內的一些突變，其與既往VOC流行株中的特征性氨基酸突變重疊，提示Omicron變異株經歷了多發基因重組事件［18］。更令人擔憂的是，其中15個突變位點位與ACE2具有更高的親和力，可增強病毒感染/傳播性，如N501Y（增強S蛋白和ACE2之間親和力/增加病毒傳播）、P681H（增強Furin蛋白酶與S蛋白的結合親和力并促進病毒進入宿主細胞）、D614G（增加病毒適應性以增強病毒復制和傳播）、H655Y/N679K（增強S亞基切割及病毒傳播）?？贵w結合區域內K417N、E484A、Q493K、Q498R、N501Y、Y505H或抗體 結 合 區 附 近S477N、T478K、G496S、G446S及N440K可能造成Nab抵抗，對單克隆抗體治療表現出耐藥性及免疫逃逸［19］。Ou等［20］對全球出現的Omicron變異株全基因組序列及其S蛋白基因序列進行了精細分析，發現部分Omicron變異株的S蛋白RBD區域出現了L452R和R346K突變，可能是Omicron與Delta及Mu變異株重組獲得，從而導致對應區域的Nab結合效能下降，病毒免疫逃逸能力增強。Cameroni等［21］指出Omicron變異株S蛋白突變位點，見圖3。另外，Omicron變異株具有許多疏水性氨基酸，如RBD區域的亮氨酸和苯丙氨酸，導致S蛋白局部構象、所帶電荷和疏水性微環境發生改變，使其不被大多數以RBD和NTD為抗原結合表位的Nab識別，從而導致病毒具有了抗體免疫逃逸特性。

3.3 Omicron感染的臨床特征Omicron的平均潛伏期約為3 d，確診病例一般在首次出現癥狀前1～2 d就開始體外排出病毒。Omicron變異株感染以無癥狀和輕癥感染為主，臨床癥狀包括頭痛、肌肉酸痛、流涕、干咳、咽痛、發熱、呼吸急促、鼻塞、嗅覺/味覺減退或喪失、結膜炎、腹瀉、盜汗、嚴重疲勞和血栓風險等，與之前流行的Delta相比更易感染中青年人群［16］。香港大學的研究團隊通過使用手術切除的肺組織樣本進行體外培養發現，在感染24 h后Omicron在人支氣管細胞中的復制速度比Delta大約快70倍，而在肺組織內的復制速度僅為Delta的10%，這可能說明Omicron變異株感染患者的臨床癥狀較輕。2022年4月Menni等［22］進行了前瞻性縱向觀察研究，結果顯示Omicron感染患者最常出現的癥狀有流涕（76.5%）、頭痛（74.4%）、咽痛（70.5%）、打噴嚏（63.0%）、持續性咳嗽（49.8%）、聲音嘶 ?。?2.6%）。另有研究對Delta和Omicron感染的癥狀做了對比分析，結果顯示，Omicron流行期間的感染者的嗅覺喪失僅有17%，而Delta感染者中為52.7%（OR=0.17，95%CI：0.16～0.19，P＜0.01）；Omicron出現咽痛、聲音嘶啞的風險相比Delta感染者分別提高了55%（OR=1.55，95%CI：1.43～1.69，P＜0.01）及24%（OR=1.24，95%CI：1.14～1.34，P＜0.01），而其住院率低于Delta感染者（1.9%vs.2.6%，OR=0.75，95%CI：0.57～0.98，P＜0.05）；從癥狀出現到消失，Delta感染者平均經歷8.89 d，而Omicron感染者則為6.87 d；同時，接種加強疫苗的Omicron患者癥狀持續時間平均為4.40 d，而Delta感染者為7.71 d［23］。盡管如此，Omicron高傳染性對患有基礎疾病的人群構成嚴重威脅，尤其是有合并癥但尚未接種疫苗的人群，因為是否發展為重癥不僅取決于病毒復制速度，還取決于自身的免疫機能；有些情況下Omicron可以逃脫免疫應答進而不會誘導有效的免疫反應，而在其他情況下，過激反應會誘發“細胞因子風暴”，導致急性呼吸窘迫綜合征（ARDS）［24］。因此，全球衛生機構應盡快采取預防措施，以阻止這種新變異毒株在全球范圍內的流行。

Fig.3 The spike glycoprotein mutations of Omicron variant圖3 Omicron變異株S蛋白突變位點

3.4 Omicron新變體2022年1月19日，英國首先監測發現由Omicron BA.1亞變種及BA.2亞變種重組而成的一種新的SARS-CoV-2變異毒株，命名為XE。截至2022年3月底，XE的增長率/傳播速度比BA.2亞變種高9.8%，社區傳染率高出近10%，而BA.2已經是迄今為止已知傳染性最高的SARSCoV-2變異毒株［25］。WHO發出警告，新變異毒株XE或比以前見過的任何SARS-CoV-2毒株都更具傳染性，或是傳播速度最快的SARS-CoV-2。目前WHO尚未將其列為VOC。韓國首次在境內發現由Omicron BA.1亞變種及BA.2亞變種重組而成新重組毒株XL感染病例，該確診病例已接種完3劑新冠疫苗，患者于2022年3月23日確診，目前暫無癥狀［26］。我國于2022年3月28日在江蘇省常熟市核酸篩查發現1例輕型確診病例，其感染病毒測序中發現為Omicron變異株BA.1.1亞變種，將其與本土病例和輸入病例數據庫及全球GISAID數據庫進行對比，顯示均未發現與之基因組高度同源的序列，需要進一步監測驗證。Omicron亞變種BA.2繼續進化，據GISAID數據，美國多地發現了BA.2的新分支BA.2.12和BA.2.12.1，其傳播速度比BA.2提高23%～27%，與S蛋白L452Q突變有關；英國、印度、德國、加拿大等多國也發現了BA.2.12和BA.2.12.1的蹤跡。當XE正在世界各地快速傳播之際，Omicron再次變異出現了2個新亞變種BA.4和BA.5，4月11日WHO將這2個亞變種列為VOI。4月25日，山東煙臺市召開疫情防控新聞發布會，通報國內首現Omicron亞變種BA.2.3進化分支。因此，Omicron變異株很可能不是SARS-CoV-2最后一個變異毒株，各國要提前做好準備，積極接種疫苗來應對SARSCoV-2變異。

4 SARS-CoV-2樣本采集及檢測

4.1 SARS-CoV-2樣本采集方法根據SARSCoV-2的傳播途徑，SARS-CoV-2樣本采集方法包括呼吸道采集及胃腸道采集。上呼吸道樣本采集方式有鼻咽拭子、口咽拭子、鼻咽抽吸物、唾液等，下呼吸道樣本采集方式有深咳痰、分泌物、支氣管肺泡灌洗液及肺泡灌洗液，胃腸道樣本可用肛拭子采集［27］。根據臨床需要可留取全血標本和血清標本。對于確診患者，下呼吸道樣本檢出率更高?？傮w而言，樣本的選擇對于準確檢測SARS-CoV-2至關重要，也是判斷疾病嚴重程度的重要因素。

4.2 SARS-CoV-2檢測方法以分子生物學為核心的實驗診斷技術是當前SARS-CoV-2臨床實驗診斷的重要手段。SARS-CoV-2分子檢測方法有以下4類。（1）定量聚合酶鏈反應（PCR）技術：逆轉錄實時熒光定量PCR（RT-qPCR）、微滴式數字PCR（ddPCR）。（2）等溫擴增技術：轉錄介導擴增（TMA）、切口酶擴增反應技術（NEAR）、逆轉錄環介導的等溫擴增技術（RT-LAMP）、重組酶聚合酶擴增（RPA）。（3）分子雜交技術：成簇規律間隔短回文重復序列及其相關蛋白（CRISPR-Cas）系統、核酸微陣列分析。（4）二代測序（NGS）等［28］。目前，核酸檢測仍然是判定感染SARS-CoV-2的“金標準”。源自Omicron變異株多處基因突變，特別是對于檢測靶標為S蛋白編碼基因的核酸檢測試劑可能無法有效檢出Omicron變異株，會引起漏檢。我國核酸檢測試劑主要選擇了病毒序列保守性和特異性相對較高的ORF1ab和N基因作為靶標，Omicron仍然可以被核酸檢出，目前尚未發現脫靶和漏檢。NGS以相對無偏見的方式收集樣本，通過全長病毒核酸序列測序分析，有助于精準判斷SARS-CoV-2的突變類型、病毒溯源、流行病學調查、致病機制研究、藥物及疫苗的研發等。此外，還可以使用免疫學診斷方法識別病毒抗原及機體針對病毒的免疫反應。根據《新冠病毒抗原檢測應用方案（試行）》，在核酸檢測基礎上增加抗原檢測作為補充，SARS-CoV-2抗原快速檢測包括膠體金免疫層析法和熒光免疫層析法等［29］。SARS-CoV-2唾液/血清特異性抗體（sIgA、IgG和IgM）檢測包括膠體金免疫層析法、酶聯免疫吸附試驗（ELISA）、化學發光免疫測定（CLIA）等［30］，見圖4。2022年4月14日，美國食品藥品監督管理局（FDA）首次批準使用呼吸樣本進行SARS-CoV-2檢測，應用InspectIR COVID-19呼吸分析儀使用一種稱為氣相色譜-質譜（GC-MS）技術來分離和識別化學混合物，并能快速（3 min內）檢測出呼出氣體中5種SARS-CoV-2-VOC，當檢測到標志物存在時，將返回一個推定（未經確認的）陽性檢測結果，并通過分子檢測予以確認。

Fig.4 The collecting and detection for SARS-CoV-2 specimen圖4 SARS-CoV-2樣本采集及檢測

5 疫苗接種

鑒于Omicron變異株的過度突變和潛在的免疫逃逸機制，接種疫苗加強針（第3針）十分必要，因第3針疫苗能驅使體內記憶B細胞成為能產生抗體的效應B細胞，進而增加血清Nab水平以控制Omicron傳播/感染并將發病率降至最低。接種的第3針疫苗建議使用異種疫苗作為序貫接種。筆者認為序貫接種可誘導機體免疫系統產生高效的“交叉免疫記憶”或稱“互補免疫記憶”，以提升預防感染率。依據SARS-CoV-2的進化速度比流感等呼吸道病毒更快的特點，目前所提供的SARS-CoV-2疫苗可能需要及時更新，以確保疫苗繼續提供保護水平，預防包括Omicron和未來變異毒株的感染。

6 COVID-19的治療

2022年4月21日WHO更 新 了COVID-19治 療的指南［31］：（1）對于輕癥患者的治療，重要推薦的治療方法就是Paxlovid，有條件推薦的是Molnupiravir、Remdesivir及單抗藥Sotrovimab和REGN-COV2；不推薦伊維菌素和皮質醇激素治療；強烈反對使用康復者血漿、羥氯喹和克力芝。（2）對于有肺炎和缺氧表現的重癥患者，強烈推薦皮質醇激素、白細胞介素（IL）-6抑 制 劑 或Janus激 酶（JAK）抑 制 劑Baricitinib；但 不 推 薦JAK抑 制 劑Ruxolitinib和Tofacitinib、伊維菌素及康復者血漿；強烈反對使用羥氯喹和克力芝。（3）對于出現ARDS的危重患者，強烈推薦皮質醇激素、IL-6抑制劑或Baricitinib。

7 結論

由于不同SARS-CoV-2變異株發生基因突變和（或）跨變種重組，從而促進了SARS-CoV-2的持續進化。新變體增強了病毒傳播性、隱匿性和（或）增加再感染的風險，但隨著疫苗接種和自然感染導致機體免疫力的增強，新變體所致疾病的嚴重程度有可能隨著時間的推移而降低。目前世界各國針對SARS-CoV-2-VOC和SARS-CoV-2-VOI基 因 組 突變需保持足夠詳細和系統的監測，以便及時采取適當的公共衛生控制措施，同時亟需密切關注實驗室診斷試劑的適用性（研發識別突變的特異性PCR檢測方法以防止脫靶和漏檢）及現有疫苗的有效性，以利于有效控制和盡早消滅COVID-19疫情。