暨南大学张其威/吴建国等发现，奥密克戎曾发生多次基因重组

       当前世界各地新冠肺炎（COVID-19）的大流行主要是由更具传染性的奥密克戎（Omicron）变异株引起的。科学家一直在持续关注可能出现的新的重组变异株，因为基因重组是新发和再现的人类病毒病原体产生的重要进化机制，同时也是冠状病毒进化适应的一种重要途径。冠状病毒通过基因重组可以在单次进化事件后迅速累积多个突变，导致病毒传染性提高或者免疫逃逸增强。由于新冠病毒流行株序列间高度相似且在进化上相对保守，经典的重组检测方法难以检测到不同毒株间的重组信号及相应进化轨迹，单一序列发现的重组需要与共感染相区别。

       近日，暨南大学病原微生物研究团队张其威教授和吴建国教授等在预印本 bioRxiv 在线发表了题为：Tracking SARS-CoV-2 Omicron diverse spike gene mutations identifies multiple inter-variant recombination events的研究论文。

       该研究对全球出现的新冠病毒奥密克戎变异株的全基因组序列及其刺突蛋白（Spike）基因序列进行了精细分析，首次发现奥密克戎变异株刺突蛋白基因与阿尔法（Alpha）、贝塔（Beta）、德尔塔（Delta）等变异株之间发生了多次跨变种重组的可靠证据，并且推测奥密克戎毒株与德尔塔毒株的重组产生的“德尔塔克戎”样变异株 （“Deltacron”-like Variants）最早在2021年11月时已在南非和博茨瓦纳等地相继出现。

       新冠病毒的刺突蛋白（Spike），主要负责受体识别和介导冠状病毒入侵宿主细胞。病毒S蛋白氨基酸序列突变能改变S蛋白与宿主细胞受体的结合效率、从而影响病毒感染和传染性。S蛋白具有免疫原性，带有许多T淋巴细胞和B淋巴细胞表位，抗原识别位点的突变会导致中和抗体与抗原结合效能的变化、影响抗体中和效价，甚至发生抗原漂移与免疫逃逸现象。

       研究团队首先对2022年1月15日之前流行的新冠病毒奥密克戎变异株S蛋白的52563条基因序列进行了全面和细致的比较，发现早期出现的奥密克戎变异株自身已携带多种既往VOC流行株具有的特征性氨基酸突变，提示奥密克戎变异株S蛋白基因经历了多发基因重组事件（图1）。进一步鉴定发现 18个BA.1亚变种的核心突变（频率>99%）（8 个在 NTD，5 个在 S1/S2 切割位点附近，5 个在 S2）。BA.2 亚变种与 Alpha变异株共享三个额外的氨基酸缺失。BA.1亚变种与VOC变异株在S蛋白总共有9个常见的氨基酸突变（比 BA.2 多三个），这表明奥密克戎变异株可能来自与这些VOC的重组。BA.1 中包含的阿尔法（Alpha）相关突变（del69-70、del144）比 BA.2 多三个，因此 BA.1 在系统发育上可能更接近阿尔法变异株。

图1. 奥密克戎毒株BA.1亚变种与阿尔法变异株共享6个突变 (del69-70、delY144、N501Y、D614G和P681H)，与贝塔毒株共享3个突变 (K417N、N501Y和D614G)，与伽马毒株共享3个突变 (N501Y、D614G和H655Y)，与德尔塔毒株共享2个突变 (T478K和D614G)。

       通过分析2020年11月至2021年1月全球发布的奥密克戎变异株的基因组序列，筛选奥密克戎变异株的S蛋白基因序列，研究团队发现奥密克戎变异株在流行期间，不断新增和整合多个非原生的来自其它既往的VOC/VOI毒株的典型氨基酸突变。其中最值得注意的是，部分奥密克戎变异株的S蛋白RBD区出现了L452R及R346K突变，可能是与德尔塔（Delta）及缪（B.1.621）变异株重组获得。L452R及R346K突变位于S蛋白受体结合区域，前期研究已经证明L452R及R346K可导致对应区域的中和抗体结合效能下降，导致病毒免疫逃逸能力增强（图2）。

图2. 部分奥密克戎变异株的刺突蛋白各区域新增获得来自于其它变异株的氨基酸突变。

       对2021年11月至2022年1月全球公布的S蛋白序列建立系统发育网络，发现奥密克戎变异株在最初的2个月流行期间，S蛋白的单倍型存在多态性，序列类型主要为BA.1亚变种，还分别进化出在BA.1基础上整合了S蛋白A701V、R346K、L452R等突变的亚群，以及BA.2亚变种、返祖型（Reversion）等几个亚群（图3）。奥密克戎变异株在最初与其它变异株共流行期间，可能已经发生了多次重组事件，导致获得了来源于其它变异株的特征性突变的基因转移。奥密克戎变异株与较早流行的其它毒株之间进行序列交换，可能导致了奥密克戎变异株S蛋白基因部分原生突变的丢失，发生回复突变，氨基酸序列更接近于原始毒株。

图3. (A) 奥密克戎变异株S基因呈现一定的基因多态性，形成多个亚群。(B) 部分亚群S基因的一些区域呈现出返祖现象。(C) 奥密克戎变异株与其它毒株共流行与重组导致S基因形成各种不同的亚群。

       L452R突变是德尔塔变异株携带的特征性突变。研究团队对携带德尔塔变异株L452R突变的疑似“德尔塔克戎样变异株”（“Deltacron”-like Variants）的奥密克戎重组株进行了溯源和全基因组分析，发现“Deltacron”-like变异株在全球多个国家均有检出。最早于2021年11月在南非和博茨瓦纳收集的新冠标本中即出现了L452R “Deltacron”-like的奥密克戎重组株，目前该重组株主要分布在北美洲和欧洲，以及西亚地区（图4），出现的频率达近千株。重组的奥密克戎变异株的在全基因组序列水平上也呈现出多态性，表现出来源的复杂多样化，提示奥密克戎变异株与其它毒株发生了共感染（图4）。

图4. (A) 携带L452R突变的奥密克戎BA.1亚变种在全球的分布。(B) 携带L452R突变的奥密克戎BA.1亚变种的全基因进化树呈现序列多态性。

       除了奥密克戎BA.1亚变种，研究团队还在部分奥密克戎BA.2亚变种S基因中也发现少量疑似重组整合的德尔塔突变。通过对大量奥密克戎毒株S基因序列的分析，研究发现奥密克戎和其它毒株S基因存在的多发跨变种重组事件，表明合并感染和随后的基因组重组促进新冠病毒的持续进化。一些重组事件可能导致病毒传染性和免疫逃逸能力的变化。因此，持续监测新冠病毒基因组的突变，对于理解病毒进化及溯源至关重要，同时抗新冠病毒药物及新型疫苗设计也需要考虑重组对病毒靶向位点形成的影响。

       暨南大学病原微生物研究院/广东省病毒学重点实验室的张其威教授、吴建国教授为论文的通讯作者，博士生欧俊贤为论文的第一作者，哈佛医学院James Chodosh教授以及乔治梅森大学Donald Seto教授对本研究提供了指导和帮助。

论文链接：

https://doi.org/10.1101/2022.03.13.484129