COVID-19 患者病毒基因組系統進化分析

4月8日，PNAS線上發表文章Phylogenetic network analysis of SARS-CoV-2 genomes[1]。來自英國和德國的研究者對160例COVID -19患者的SARS-CoV-2病毒基因組進行了系統進化分析，發現了3個主要的基因組，定義為A，B和C型。

中科院武漢病毒所的研究發現，SARS-CoV-2與中華菊頭蝠冠狀病毒（Bat-CoV-RaTG13 ）有高達96.2%同源性，因此本文研究人員將該病毒株用作外群（outgroup），在他們的遺傳進化譜中定義了古老的分支A型。根據T29095C同義突變，A型分為兩亞群。T等位基因亞群，主要有攜帶原始基因組的4例中國廣東患者，以及帶有更多突變的3例日本患者和2例美國患者。美國患者有武漢逗留史。C等位基因亞群具有更長的突變分支，包括5例武漢患者（其中2例攜帶原始基因組），8例中國和鄰國，15例來自東亞以外，主要為美國和澳大利亞。

B型有93例，其中武漢22例，中國其它地區31例，中國相鄰亞洲國家21例，東亞外地區10例來自美國和加拿大，1例墨西哥，4例法國，兩例德國，義大利和澳大利亞各1例。B型起源於A型並具有2種突變：同義突變T8782C和亮氨酸到絲氨酸的非同義突變C28144T。B型突變長度大：東亞患者主要攜帶原始基因型，亞洲以外患者均衍生出不同的突變。這個現象可能是病毒為了適應非東亞人種的抗性。

C型來源於B型，具有G26144T的非同義突變（甘氨酸-纈氨酸）。在本研究中，主要患者來自歐洲，共11例，分佈於法國，義大利，瑞典，英國，美國加州和巴西。東亞則包括新加坡（5例），中國香港，臺灣和韓國。

 使用此系統進化圖可以重構感染通路。例如，2020年2月25日巴西的首例患者確診。系統進化圖譜顯示該巴西患者屬於C型，且其病毒基因組與一位元義大利患者具有突變關聯。

另一個來自安大略的患者，他在1月27日確診前由武漢旅遊至廣東，在加拿大發病。在系統進化譜中他的病毒位於B型，衍生於佛山和深圳的原始結點，與他的旅行史一致。目前他的病毒基因組分支中存在其它北美感染者（一位加拿大，兩位加州）。

2020年2月28日的墨西哥患者的系統進化分析顯示，他病毒來源於旅行過的義大利患者，而義大利患者的病毒來源於1月27日的德國Webasto公司慕尼黑病人。該德國患者感染源于中國上海的同事，他剛剛見過來自武漢的父母。在系統進化譜中，這個病毒從武漢到墨西哥經歷了10個突變。

這個系統進化譜的一個挑戰是使用已獲得的最早患者基因組是否能反應病毒進化的最初根源。目前結果顯示，2019年12月24日的患者病毒基因組和蝙蝠新冠基因組在系統進化上相距甚遠。

而此前各國均有對本國病例的全基因組測序並結合進化分析的報導[2,3]。

基因組資訊結合生物資訊學分析能更有效和系統地完成流行病學研究。

來自澳大利亞和英國的學者對181例患者病毒基因組的進化樹分析也獲得了3個主要的基因組C1-C3[4]。其中C2組與PNAS的文章C型重合，C3組與PNAS文章的B型重合。

進一步的主成分分析（Principal Component Analysis ，PCA)顯示這些病毒株的遺傳距離（genetic distance）相對較小，而不同冠狀病毒之間的遺傳距離相對明顯。

結論：生物資訊學結合流行病學和實驗室資料能提供重要的資訊。由於樣本量較小，隨著更多的病例納入研究，其研究的結論將更有說服力。同時不同的生物資訊處理也會產生不同結果，生物資訊分析在新冠病毒領域的研究還不成熟，需要進一步的深入研究探討。

參考文獻：

1. Forster P. et al. Phylogenetic Network Analysis of SARS-CoV-2 Genomes. Proc Natl Acad Sci U S A. 2020 Apr 8. [Epub ahead of print]

2. Giovanetti M. et al. The First Two Cases of 2019-nCoV in Italy: Where They Come From? J Med Virol.2020 May;92(5):518-521.

3. Park W.B. et al. Virus Isolation from the First Patient with SARS-CoV-2 in Korea. J Korean Med Sci. 2020 Feb 24;35(7):e84

4. Bauer D.C. et al. Supporting Pandemic Response Using Genomics and Bioinformatics: a Case Study on the Emergent SARS-Cov-2 outbreak. Transbound Emerg Dis. 2020 Apr 19 [Epub ahead of print]