2022年4月26日，Nature子刊 《Signal Transduction and Targeted Therapy》（IF：18.187）在線發表了太阳集团app首页生物學學科研究團隊張其威教授和吳建國教授關于新冠病毒奧密克戎（Omicron）變異株的最新重要發現： “Tracking SARS-CoV-2 Omicron diverse spike gene mutations identifies multiple inter-variant recombination events”。該研究對全球新冠病毒奧密克戎變異株(BA.1和BA.2)流行初期的全基因組序列及其刺突蛋白（Spike）基因進行了精細分析，首次發現奧密克戎變異株與阿爾法（Alpha）、貝塔（Beta）、德爾塔（Delta）等Variants of Concern (VOC) / Variants of Interest（VOI）株之間發生了多次跨變種基因重組的重要機制，推測奧密克戎株與德爾塔株産生的重組“德爾塔克戎”樣變異株（Deltacron-like Variant）最早在2021年11月已在南非和博茨瓦納等地出現。該項研究建議：加強防控新冠病毒在免疫功能低下人群以及未接種疫苗人群中的感染和傳播，避免新冠不同亞種變異株感染者的聚集，有助于阻斷新的病毒變異株的産生。

目前世界各地新冠肺炎大流行主要是由更具傳染性的奧密克戎變異株引起的，它是目前變異最多的一類新冠病毒，2021年11月首次于非洲發現，全球對目前出現的新冠變異株高度關注。基因重組是新發和再現病毒的重要進化機制，也是冠狀病毒進化适應的重要途徑。冠狀病毒通過基因重組可在單次進化事件後累積多個突變，導緻病毒傳染性提高和/或免疫逃逸增強。由于新冠病毒流行株序列間高度相似，在進化上相對保守，經典的重組檢測方法難以确定不同毒株間的重組信号及進化軌迹。

新冠病毒S蛋白，主要負責受體識别和介導病毒入侵宿主細胞。S蛋白氨基酸序列突變能改變其與細胞受體的結合效率、從而影響病毒的感染性和傳染性。此外，S蛋白具有免疫原性，帶有許多T淋巴細胞和B淋巴細胞表位，抗原識别位點的突變會導緻中和抗體與抗原結合效率的變化、影響抗體的中和效價，甚至能導緻抗原漂移與免疫逃逸現象。

研究團隊首先對2022年1月15日之前流行的新冠病毒奧密克戎變異株S基因的52,563條序列進行了全面和細緻的分析，發現早期出現的奧密克戎變異株已攜帶多種既往流行株具有的特征性氨基酸突變，提示奧密克戎變異株S基因經曆了多次基因重組事件（圖1）。進一步研究發現，奧密克戎BA.1亞變種含有 18個核心突變，奧密克戎BA.2 亞變種含有27個核心突變，提示奧密克戎BA.2亞變種有更強的免疫逃逸能力。BA.1亞變種與VOC變異株相比，S蛋白有9個常見的氨基酸突變，表明奧密克戎變異株可能來自于部分VOC株的重組。

圖1. 奧密克戎毒株BA.1亞變種與Alpha變異株共享6個突變（del69-70、delY144、N501Y、D614G和P681H），與Beta株共享3個突變（K417N、N501Y和D614G），與Gamma株共享3個突變 （N501Y、D614G和H655Y），BA.1和BA.2與Delta株共享2個突變（T478K和D614G）。

通過分析2020年11月至2021年1月全球公布的奧密克戎變異株的基因組序列，研究團隊發現奧密克戎變異株在流行期間，不斷新增和整合多個來自其它變異株的氨基酸突變。最值得注意的是，奧密克戎變異株S蛋白的受體結合結域（RBD）出現了L452R及R346K突變，可能是與德爾塔（Delta）及缪（B.1.621）變異株重組獲得，這些突變導緻中和抗體結合效能下降、病毒免疫逃逸能力增強（圖2）。

圖2. 奧密克戎變異株的刺突蛋白獲得的來自于其它變異株的氨基酸突變。

對2021年11月至2022年1月全球公布的S蛋白序列建立系統發育網絡，發現奧密克戎變異株在最初的2個月流行期間，S蛋白的單倍型存在多态性，主要為BA.1亞變種；在BA.1基礎上，進一步進化出整合了S蛋白A701V、R346K、L452R等突變的亞群、BA.2亞變種以及返祖型（Reversion）等（圖3）。奧密克戎變異株在最初與其它變異株共流行期間，已發生多次重組事件，獲得了具有其它變異株的特征性突變的基因轉移。奧密克戎變異株與較早流行的其它毒株之間進行序列交換，導緻奧密克戎變異株S基因部分原發突變丢失，發生回複突變（Reversion），氨基酸序列反而更接近于原始毒株（圖3），有可能更加适應在人群傳播。這是首次報道奧密克戎變異株的回複突變，需要引起高度關注。 

圖3. (a) 奧密克戎變異株S基因呈現一定的基因多态性，形成多個亞群。(b) 部分亞群S基因的一些區域呈現出返祖現象。(c) 奧密克戎變異株重組進化示意圖。

S基因L452R突變是Delt變異株攜帶的特征性突變。研究團隊對攜帶德爾塔變異株L452R突變的疑似“德爾塔克戎樣變異株”（Deltacron-like Variant）的奧密克戎株進行了溯源和全基因組分析，發現德爾塔克戎樣變異株在全球多個國家均有檢出。最早于2021年11月在南非和博茨瓦納收集的新冠樣本中即發現了的奧密克戎重組株，該重組株主要分布在北美洲和歐洲，以及西亞地區（圖4）。重組的奧密克戎變異株在全基因組水平上也呈現出多态性，衍生出更多的進化分枝，提示奧密克戎變異株與其它毒株可能發生了共感染（圖4）。在部分奧密克戎BA.2亞變種S基因中也發現L452R的德爾塔克戎樣變異，今後需要密切關注類似突變的出現。

圖4. (a) 攜帶L452R突變的 Deltacron-like BA.1亞變種在全球的分布。(b) 攜帶L452R突變的Deltacron-like BA.1亞變種的全基因進化樹呈現序列多态性。(c) 攜帶L452R突變的Deltacron-like BA.1亞變種的全基因組進化樹。

通過對大量奧密克戎變異株S基因序列的分析發現，奧密克戎和其它變異株S基因存在多次跨變種重組事件，合并感染和随後的基因重組促進了新冠病毒的持續進化，導緻病毒傳染性和免疫逃逸能力的變化。因此，持續監測新冠病毒基因重組，對于理解病毒進化及溯源，尤其是預防新變異株的出現至關重要；抗新冠病毒藥物研發及疫苗設計也需要考慮病毒基因重組産生的影響。

太阳集团app首页病原微生物研究院/廣東省病毒學重點實驗室的張其威教授、吳建國教授為論文的通訊作者，博士生歐俊賢為論文的第一作者，哈佛醫學院James Chodosh教授和喬治梅森大學Donald Seto教授對本研究提供了技術指導和幫助。本研究得到了國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金重點項目、廣東省自然科學基金等支持。

參考文獻：Ou J, Lan W, Wu X, Zhao T, Duan B, Yang P, Ren Y, Quan L, Zhao W, Seto D, Chodosh J, Luo Z, Wu J, Zhang Q. Tracking SARS-CoV-2 Omicron diverse spike gene mutations identifies multiple inter-variant recombination events. Signal Transduction and Targeted Therapy, 2022 April 26; 7(1): 138. Doi: 10.1038/s41392-022-00992-2.