控制新冠病毒的傳播，重要的一點是對單鏈RNA病毒的新冠病毒進行高深度的全基因組測序，了解其突變與進化規(guī)律。該研究需要對多個新冠患者不同部位和時間點的樣品進行高深度測序，對測序平臺的特異性和精準性提出很高要求。華大智造DNBSEQ測序平臺為此次研究提供了有力的技術(shù)保障。

近日，深圳華大生命科學(xué)研究和廣州醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院/廣州呼吸健康研究院/呼吸疾病國家重點實驗室趙金存教授團隊聯(lián)合多家單位在國際期刊Genome Medicine和Frontiers in Medicine上分別發(fā)表了題為《新冠病毒在個體內(nèi)的變異和進化動態(tài)分析》（“Intra-host variation and evolutionary dynamics of SARS-CoV-2 populations in COVID-19 patients”）和《新冠病毒在個體間傳播的群體瓶頸效應(yīng)和體內(nèi)變異》（“Population bottlenecks and intra-host evolution during human-to-human transmission of SARS-CoV-2”）兩篇成果論文。

要控制新冠病毒的傳播，很重要的一點是了解其突變與進化規(guī)律。新冠病毒作為單鏈RNA病毒，在同一個體中往往會由于突變而形成高度相似但不盡相同的變異株組成的動態(tài)種群（病毒準種，viral quasispecies)。

其構(gòu)成往往受到遺傳變異、競爭以及選擇壓力的影響而發(fā)生動態(tài)變化。病毒群體在個體內(nèi)和個體間的變異與演化特征可反映病毒的進化適應(yīng)潛力與傳播侵染特征，對制定有效的治療方案和精確指導(dǎo)病毒防控策略有重要意義。

新冠病毒個體內(nèi)變異研究

揭示病毒在體內(nèi)的組織間群體差異和變異的積累變化過程

文章：新冠病毒在個體內(nèi)的變異和進化動態(tài)分析

為了解新冠病毒群體在患者體內(nèi)的時空演化特征，個體內(nèi)變異研究應(yīng)用華大智造自主研發(fā)的MGISEQ-2000和DNBSEQ-T7高通量測序平臺對廣東地區(qū)的8名新冠確診病例不同時間點的上呼吸道和下消化道樣品（鼻、咽、痰、糞、肛樣）進行高深度宏轉(zhuǎn)錄組和探針捕獲測序，并交叉驗證檢測體內(nèi)變異位點。本研究揭示了病毒群體在個體內(nèi)的時空分布差異性，并首次展示了新冠病毒在體內(nèi)的突變積累和連續(xù)變化過程。

                      新冠病毒基因組一致性突變信息

新冠病毒基因組的進化分布

該團隊通過DNBSEQ平臺，從其中32個樣品獲取了新冠病毒的全基因組序列。獲取的32個病毒基因組共包括14個核苷酸突變，反映出病毒仍處于持續(xù)的突變與進化過程。這32個基因組可以歸類到不同的進化分支上。值得一提的是，在一位患者身上，研究人員發(fā)現(xiàn)了不同新冠病毒基因型并存的情況，說明不同的病毒基因型可在同一患者中進行獨立的病毒復(fù)制。

體內(nèi)變異位點的分布

研究團隊進一步在其中六名患者中共檢測出40個體內(nèi)變異位點（iSNVs）。這些體內(nèi)變異位點在三個密碼子位置上數(shù)量相似，在同義和非同義位點上的堿基頻率無顯著差異，反映出它們的負選擇壓力較小。其中一個變異位點G11083T已在全球多個獨立進化分支被檢測到，暗示著部分病毒基因組位點突變頻率較快，具有適應(yīng)宿主體內(nèi)環(huán)境的遺傳可塑性。

 上呼吸道和下消化道間的病毒群體差異

在多次采樣的患者中，只有少數(shù)體內(nèi)變異在同一患者的所有樣品中被檢測到，揭示了同一個體組織間的病毒群體差異。研究人員發(fā)現(xiàn)患者的病毒群體差異主要體現(xiàn)在下消化道 （肛糞樣）和上呼吸道（鼻、咽、痰樣）之間，并且下消化道的病毒有著明顯較高的群體多樣性。這可能是病毒群體在體內(nèi)移行時的瓶頸效應(yīng)導(dǎo)致新病毒群體與原群體出現(xiàn)較大差別。另外，不同組織間的環(huán)境差異也可能影響病毒群體結(jié)構(gòu)的差異和演化。

病毒群體的時序變化

通過比較兩名患者（P01和P08）下消化道多個時間點樣品的體內(nèi)變異堿基頻率，研究團隊發(fā)現(xiàn)病毒群體處于頻繁的動態(tài)變化中。特別是在患者P01的下消化道，七個體內(nèi)變異的堿基比例在三個時間點上呈現(xiàn)出連續(xù)的變化趨勢，提示著病毒群體的變化是動態(tài)且連續(xù)的。通過比較同一鄰近變異位點在不同時間點的測序序列，研究團隊觀測到了病毒突變在同一單倍體型中逐步累積并擴張的過程，暗示著病毒在患者體內(nèi)通過變異逐步適應(yīng)宿主體內(nèi)環(huán)境的進化潛力。

新冠病毒在個體間的群體演化探索

揭示病毒群體的活性變化和人際間傳播時的群體瓶頸效應(yīng)

文章：新冠病毒在個體間傳播時的群體瓶頸效應(yīng)和體內(nèi)變異

進一步的，研究團隊將體內(nèi)變異的研究經(jīng)驗應(yīng)用到個體間的群體演化探索上。在個體間傳播研究中，科研團隊通過宏轉(zhuǎn)錄組和探針捕獲技術(shù)測序分析了13名廣東新冠肺炎患者（包括兩對分別來自同一家庭有流行病學(xué)關(guān)聯(lián)的患者）的30份上呼吸道樣品。

病毒活性隨病程遞減

為研究病毒群體的活性變化，研究人員通過檢索同時分開比對上病毒基因組前端區(qū)域和中間基因編碼區(qū)的測序序列來鑒定病毒的基因轉(zhuǎn)錄過程信號，并以此計算病毒活性。一方面，上呼吸道不同樣品類型間的病毒群體活性沒有體現(xiàn)明顯差異。另一方面，通過比較兩名患者多個時間點的樣品，研究人員發(fā)現(xiàn)在病毒載量隨恢復(fù)病程逐步遞減的同時（Ct值升高），病毒活性亦隨病程遞減，進一步驗證了病毒活性與其在患者體內(nèi)轉(zhuǎn)錄復(fù)制的密切關(guān)系。

家庭內(nèi)及家庭間個體的病毒群體遺傳距離

通過比較家庭內(nèi)及家庭間個體的病毒群體遺傳距離，研究人員發(fā)現(xiàn)家庭內(nèi)個體間的群體遺傳距離較近，其遺傳相似度由主要突變堿基所決定，且共享的次要變異堿基數(shù)較少。經(jīng)估算，樣品中人際間傳播的病毒顆粒數(shù)為6到8個顆粒，反映了新冠病毒群體在傳播時可出現(xiàn)較為明顯的病毒群體瓶頸效應(yīng)，暗示著較少的病毒顆粒即可造成感染。

參考文獻：

1. Xiao M, Xiao M, Liu X, et al. Multiple approaches for massively parallel sequencing of SARS-CoV-2 genomes directly from clinical samples. Genome Med. 2020. doi:10.1186/s13073-020-00751-4.

2. Ou Z, Ouzounis C, Wang D, et al. A Path toward SARS-CoV-2 Attenuation: Metabolic Pressure on CTP Synthesis Rules the Virus Evolution. Genome Biol Evol. 2020. doi:10.1093/gbe/evaa229.

3. Hu F, Chen F, Ou Z, et al. A compromised specific humoral immune response against the SARS-CoV-2 receptor-binding domain is related to viral persistence and periodic shedding in the gastrointestinal tract. Cell Mol Immunol. 2020. doi:10.1038/s41423-020-00550-2.

4. Wang Y, Wang D, Zhang L, et al. Intra-host variation and evolutionary dynamics of SARS-CoV-2 populations in COVID-19 patients. Genome Med. 2021. doi: 10.1186/s13073-021-00847-5.

5 Wang D, Wang Y, Sun W, et al. Population bottlenecks and intra-host evolution during human-to-human transmission of SARS-CoV-2. Frontiers in Med. 2021. doi:10.3389/fmed.2021.585358.