病毒的进化是突变(替换、插入或缺失以及重组)和自然选择的结果，以获得更有效的病毒复制、传播和逃避宿主防御等有利特征。新选择的性状可能以不可预测的方式联系在一起，并引起人们对病毒的传播和进化可能导致更大的毒性(疾病严重程度)的担忧。2020年报告的严重急性呼吸系统综合症冠状病毒2 (SARS-CoV-2)的有限多样性归因于非结构蛋白14 (nsp14)的3′-5′核酸外切酶校对功能，这导致人们认为，即基于介导进入宿主细胞的病毒刺突(S)蛋白单个序列的疫苗可能对所有循环变异株产生免疫保护^[1]。然而，在全球范围内已经出现了S突变的SARS-CoV-2突变株，这给疫苗接种和基于抗体的治疗带来了潜在的挑战。SARS-CoV-2的持续传播为S和整个病毒基因组积累后续突变创造了机会。

尽管SARS-CoV-2与导致2002-2004年SARS爆发的SARS-CoV病毒具有高度的序列同源性，冠状病毒家族在序列和宿主受体偏好上都是多样性的。例如，SARS-CoV-2和一种“普通感冒”人冠状病毒HCoV-NL63都将血管紧张素转换酶2 (ACE2)作为宿主细胞识别受体，但二者属于不同的冠状病毒属，在S的受体结合结构域(RBD)中具有主要序列和结构差异，具有小于30%的序列同源性^[2]。S的这种多样性表明冠状病毒具有耐受序列和结构变化的广泛潜力，而不会显著丧失功能。这可能部分解释了为什么冠状病毒可以通过人畜共患传播，并暗示SARS-CoV-2的全部进化潜力尚未被揭示。

S蛋白由两个亚单位组成:包含RBD的S1亚基和介导病毒-宿主细胞融合的S2亚基。抗体中和表位分散于整个S蛋白，且主要集中于RBD。尽管存在变异性，但在传播近一年(从2019年12月)至超过1亿人后，SARS-CoV-2 S蛋白的进化证据有限。唯一显著的进化事件是S1的D614G (Asp⁶¹⁴→Gly)替换，增加了ACE2亲和力，导致更高的传染性和可传播性。公共数据库中的病毒序列大多是在急性感染期间，在主要免疫反应发生之前，从上呼吸道获得的。这种序列可能无法捕捉宿主内免疫选择对病毒多样性的影响。

至少有5名因血液恶性肿瘤或自身免疫治疗导致的免疫功能损害而长期感染的患者报告了广泛的SARS-CoV-2宿主体内演变^[3-7]。在清除感染或因新冠肺炎罹难之前，他们平均有115天的活动SARS-CoV-2感染期。每位患者还至少接受了一次恢复期血浆(CP)治疗(静脉输注新冠肺炎康复供体的血浆)和/或单克隆抗体治疗。其中一些人在出院时或死亡前释放出高滴度的SARS-CoV-2，这表明存在传播的可能性。其中两例患者的SARS-CoV-2变异体对CP的中和敏感性降低了多达5倍^{[3, 7]}。虽然这些是针对免疫功能低下个体的病例研究，但它们引起了关注，因为在5例感染中的4例^{[3, 5-7]}中观察到S1中氨基酸69-70、141-144或242-248缺失；两例出现N501T (Asn⁵⁰¹→Thr)或N501Y (Asn⁵⁰¹→Tyr)突变^{[5, 6]}；一例RBD中出现E484K (Glu⁴⁸⁴→Lys)和Q493K (Gln⁴⁹³→Lys)突变，体外选择后导致病毒产生针对抗体的抗性。

这些报告先于检测到的三种主要流行变异株—B.1.1.7、B.1.351和P.1—均包含至少八种单一的非同义核苷酸变化，包括与ACE2表面接触的RBD中的E484K、N501Y和/或K417N (Lys⁴¹⁷→Asn)。B.1.1.7和B.1.351 变异株S1亚基的氨基末端结构域(NTD)也有各种缺失(见图)。尽管在大流行的第一年，在一小部分SARS-CoV-2序列中观察到了这些变异株的大多数突变，包括K417N、E484K和N501Y，但没有证据表明这些变异株是在宿主间传播期间通过顺序添加每个替代而产生的。

因为在2020年的大部分时间里只有少数SARS-CoV-2突变在流行，所以这三种主要突变株很可能是病毒在长期个体感染和随后传播过程中的选择性压力和适应的结果。所有具有广泛的SARS-CoV-2宿主体内进化个体病例报告表明，他们接受了次优中和抗体治疗（即CP治疗未中和全部病毒群）。无论抗体治疗是否发挥作用，由于体内选择和随后的传播，相同的变异株或含有新突变的变异株很可能会继续出现在不同的地理位置。实际上，已报告了在S1亚基上具有多重突变的其他突变株，包括谱系B.1.526（在纽约检测到）和B.1.429（起源于加利福尼亚），其在RBD含有不同于其他突变株的替换；B.1.525和A.23.1分别源自尼日利亚和乌干达^[8]。

S1亚基突变的个体表型效应尚不完全清楚，但一些初步线索正在显现。在小鼠模型中，在Asn501位用Thr或Phe取代会增加对结合ACE2的亲和力^[9]，Tyr⁵⁰¹会增加传染性和毒性^[10]。某些流行突变株可能对直接结合RBD（归因于RBD ACE2结合表面上关键氨基酸的三重替代：Lys⁴¹⁷、Glu⁴⁸⁴和Asn⁵⁰¹）或NTD（ACE2附着需要NTD的构象变化）的中和抗体敏感性降低。需要更多的研究来揭示病毒基因型和表型之间的联系。

降低中和抗体结合的突变，如E484K，可能需要补偿性突变来恢复传染性，如N501Y。突变之间似乎存在趋同关联，例如以两个不同谱系(B.1.351和P.1)进化的三重RBD突变(Lys⁴¹⁷、Glu⁴⁸⁴和Asn⁵⁰¹)。此外，最近还在B.1.1.7谱系中用N501Y检测到E484K。S1的69–70缺失使SARS-CoV-2假病毒的传染性增加了一倍，这意味着可能需要该缺失来补偿D796H突变(Asp⁷⁹⁶→His)，该突变降低了抗体中和敏感性，但以牺牲病毒适应性为代价^[7]。新兴B.1.525谱系也支持补偿性突变的作用，该谱系同时具有E484K（抗体敏感性降低）和69–70缺失突变（传染性补偿增加）。目前尚不清楚在SARS-CoV-2突变体中观察到的复杂突变模式是否与同一病毒基因组相关，还是代表同一患者体内不同突变体的混合。需要使用单基因组扩增和测序来评估单个SARS-CoV-2基因组中这些突变的联系，如已用于表征HIV-1和其他病毒的遗传多样性，以准确评估传染性和表型的个别变异株。宿主内SARS-CoV-2进化的病例报告表明，SARS-CoV-2可以在同一个体中进化出多个不同的谱系^[6]。

几项研究表明，主要流行的突变株降低了新近接种个体对CP和血浆的中和敏感性。例如，来自感染B.1谱系(含D614G突变的SARS-CoV-2)的个体的CP对B.1.351谱系活病毒分离株的中和活性有不同程度的降低。此外，疫苗引发的抗体降低了含有P.1和B.1.351突变株^[12]的S1亚基三重突变(K417N、E484K和N501Y)的假病毒的中和作用。带有B.1.1.7谱系中的缺失和突变的假病毒也显示中和敏感性降低，但抗体滴度足以完全中和接种BNT162b2 (Pfizer/BioNTech)的40名受试者的血清中的B.1.1.7^[13]。继续对新出现的、迅速传播的变异体（包括在S1 (NTD和RBD)和S2具有非同义突变的变异体）进行表型评估，以通过CP和疫苗接种后的血清进行中和，应是监测对疫苗效力的可能影响的高度优先事项。

源自单个S序列的新型冠状病毒疫苗的III期试验显示，它们在预防初始SARS-CoV-2突变株（包括D614G突变）感染方面非常有效^{[14, 15]}。最近的数据表明，某些疫苗对B.1.351突变体的保护作用较低，但需要进行额外的研究。研究显示针对新突变株的抗体敏感性的降低并不能从本质上证明疫苗效果较差。除效应B细胞（产生中和抗体）外，先天性和适应性免疫系统还有许多其他疫苗诱导的反应，可防止感染和进一步的病毒免疫逃逸。相反，在S之外还有一些非特征性突变，可能有助于新型冠状病毒免疫逃逸。

越来越多的证据表明，在长期SARS-CoV-2感染中出现了免疫逃逸突变，并且出现了多种迅速传播的变异株，这应引起广泛的关注并采取行动。减少SARS-CoV-2的传播最有可能阻止免疫逃逸变异株的进一步选择。这将需要一个协调和全面的全球疫苗接种和预防战略。个体免疫接种的部分推出和不完全免疫导致中和抗体滴度次优，这可能会促进免疫逃逸变异株的选择，从而对疫苗效力产生负面影响。提高基因型和表型检测能力在全球范围内对于检测和表征通过自然或疫苗介导的免疫应答选择产生的循环SARS-CoV-2突变株至关重要。对于在接种疫苗个体中发生的感染，应积极评估突破机制。SARS-CoV-2的全球传播及其造成的破坏是一个严峻的警告，表明新变异病毒有可能使大流行控制进一步复杂化。疫苗制造商现在正在测试针对流行SARS-CoV-2变异株的潜在增强疫苗，并且正在开发更广泛活性的单克隆抗体用于治疗。可能需要这种积极主动的方法来确保控制和消除大流行病。

参考文献：

1. B. Dearlove et al., Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 117, 23652 (2020).

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