突變，到底怎麼變？

COVID-19 疫情自 2019 年底爆發，隨著時間流逝，疫情不但沒有趨緩，多國甚至掀起二波感染潮。因為在一年的時間裡，新冠病毒沒有被壓制，突變種還像雨後春筍般現身。日前英國更出現了傳染力更高的新變種病毒。究竟是什麼原因讓新冠病毒變化得如此快速？

生物學中的突變（mutation）一詞，指的是細胞核裡的遺傳物質發生改變，可能是 DNA 最基本單位─核苷酸（nucleotide）發生一個或好幾個的缺失、重複或插入等變化。造成 DNA 突變的原因很多，像是 DNA 受到化學物質、紫外線、輻射或病毒影響，或僅僅只是細胞分裂、DNA 複製的過程發生失誤。

細胞全年無休，不停複製、分裂，DNA 受損或是複製出錯其實並不少見。但就像人類工廠對於商品會有瑕疵檢測、修復的 SOP，細胞對 DNA 突變也有相對應的修正機制。即使 DNA 序列異動後嚴重到無法修復，如果突變發生在無意義片段，或是單一核苷酸，大多成為沒有帶來任何影響的「中性突變」。（但，如果突變發生在會影響蛋白質製造的核苷酸片段（基因），就可能對生物有所影響。一般來說，這種基因突變的機率約莫是十萬分之一。）

這次的疫情元凶新冠病毒是RNA病毒，比起 DNA 病毒或是一般細菌，更加容易突變。

RNA 病毒突變，比你想得容易！

「新冠病毒的遺傳物質是單股的 RNA （ribonucleic acid），RNA 結構不太穩定。」本次研究團隊的楊欣洲研究員幫讀者劃重點。相較於遺傳物質為 DNA 的病毒，RNA 病毒在複製遺傳物質 (RNA) 的過程，更加容易突變，如需要年年選株的流感病毒即為 RNA 病毒。（新冠病毒雖然有校對酶、突變速度比流感病毒稍慢，但突變速度仍高。）

面對新冠病毒不斷冒出的變種，中研院研究團隊從最常見的突變 — 單一核苷酸變異（single-nucleotide variantion, SNV）著手研究。研究人員結合病毒變異分析與分類樹分析兩種方法，著手分析從全球共享流感數據倡議組織（GISAID）取得的 1932 株病毒基因序列樣本。

病毒變異發生位置與頻率方面，則以中研院統計科學研究所陳君厚所長的統計矩陣視覺化，解析新冠病毒近三萬個核苷酸的 RNA 序列中，各個核苷酸變異之間的關聯；另一方面，使用一種統計分類樹和四種親緣關係樹，來瞭解各病毒株之間的距離與親緣關係。「各國上傳的病毒株樣本資料都會附註收樣時間，也多少輔助親緣樹評判定演化前後關係的參考。」楊欣洲補充。

14個印記，快速分類六大病毒

研究結果顯示，目前世界上的病毒株可以被分成六大型，每一型都有一組自己獨特的單一核苷酸變異（SNV）位點，這樣的 SNV 位點印記共有 14 個。研究團隊在六千株、三萬多株以及三十萬株等，幾次擴大樣本數的病毒分析中都能得到重複的驗證。

上圖為新冠病毒六大型的突變位點，每一橫條代表某一型的 RNA 序列，向下的區塊為突變的單一核苷酸變異 (SNV) 位點所座落的基因。目前世界上的病毒株可以被分成六大型，每一型都有一組自己獨特的 SNV 位點，這樣的 SNV 位點印記共有 14 個。（製表：楊欣洲）

「未來不用再看完整病毒基因體，只要針對新樣本檢查這 14 個 SNV 印記，就可以在幾分鐘內將新病毒株分類歸檔。」楊欣洲指出。原本的分析方法是將病毒株樣本的 RNA 全部定序，但各國處理的標準操作程序不一、技術也存在些許落差，即使取得各國定序結果，因為提供的病毒全基因體長度不盡相同，也得再花費一番功夫比對。然而，當病毒基因序列樣本快速增加，病毒分類研究耗時耗力至幾乎難以執行。

但搭配分類樹與矩陣視覺化的新技術，讓病毒分析變得非常簡單方便。研究團隊還進一步開發出病毒株定型的快速演算法，即使有大量病毒株要定型也能在幾分鐘內完成，未來面對其他種類病毒的分型時也可以派上用場。（中研院團隊僅用14個SNV印記，用一對一序列排比（Pairwise Alignment）和文字探勘（Text Mining）兩種方法，幾乎只要幾分鐘就能完成分類，且正確率分別是百分之 100 與 98 以上。）

第六型病毒大解析

今年四月，研究團隊定義出病毒六大型時，原先是以病毒株發生的地理位置命名，稱作亞洲一、亞洲二、歐洲一、歐洲二、美洲、大洋洲／亞洲型。但隨著病毒株在全世界各地快速交流傳播，很快就不再適用以地理位置區分，最後以Type I ~ VI 命名。

進一步分析發現，第一到第五型的病毒，除了有各自獨特的一組 SNV 位點印記外，在病毒外觀、致病力、傳染力方面還沒有觀察到顯著的差異。但第六型的病毒就不太一樣了。病毒樣本數據資料顯示，六種型的病毒在國際間交流競爭後，目前在世界各地均是由第六型勝出，成為主要的優勢型。

所謂的第六型，是將 SNV 位點分析結果與新型冠狀病毒株的參考序列（MN908947）相比，如果在 C241T、C3037T、C14408T、A23403G 四個核苷酸位點都發生變異，即歸類在第六型。楊欣洲認為，第六型成為全球優勢型，而非僅在少數地區盛行這個現象，透露出這四個 SNV 很可能為病毒株帶來較好的適應能力。

中央研究院根據全球共享流感數據倡議組織（GISAID）資料，分析二十萬筆以上的病毒基因序列樣本資料。發現病毒可歸類為六大類型。其中「第六型」(藍色線段) 自 2020 年 2、3 月開始在各國急速竄升，4 月雄霸一方，佔目前流傳病毒類型的 99%。（圖片取自Tracking SARS-CoV-2 Variation）

事實上，今年八月一篇發表在生物權威期刊《細胞》（Cell）的論文指出，新冠病毒的核苷酸位點 A23403G 變異，導致病毒刺突 S 蛋白上、第 614 位置的胺基酸由原本的天門冬胺酸（aspartic acid）變為甘胺酸（glycine）後，會強化病毒的感染能力。但楊欣洲表示，單靠一個 A23403G 變異其實無法解釋：為什麼第六型能夠逐漸成為數量最多的一型，而是需要四個突變一齊到位。

四個突變到位，病毒生命力大增

原來在研究過程中，團隊曾經發現隔一段時間偶爾會出現 C241T、C3037T、C14408T、A23403G 四個核苷酸位點裡，只有其中幾個位點突變的病毒株。但是只要沒有四個同時突變，這些病毒都傳不久。「就算有 A23403G 但缺乏另外三個變異的話，病毒株還是沒有辦法持續傳播。」楊欣洲強調。當四個 SNV 不齊全的時候，突變對病毒沒有實質影響、甚至不利其傳播。（C241T、C3037T、C14408T、A23403G 四個突變位點齊全後，才會擴充病毒性能，提升第六分型的適應力與傳播力。）

此外，其他研究似乎也暗示第六型的四個 SNV 疑似有帶來更多特殊功能。2020 年 11 月，一篇發表在著名學術期刊《科學》（Science）的論文提到，新冠病毒會經由人傳給水貂，且會再回傳給人類。中研院團隊分析論文中的病毒樣本，發現人傳給水貂的病毒約有 22% 屬於第一型，76% 屬於第六型。但分析水貂回傳人類的十八個病毒株後，發現全部都屬於第六型。

「這個結果實在頗耐人尋味。」楊欣洲指出，第六型病毒株適應力與傳播能力增加，很可能與 四個核苷酸變異之間的交互作用有關，背後的生物機制都還有待未來更多的追蹤與研究來解答。

當前疫苗可以應付變種病毒嗎？

不過民眾最關心的，首推目前的疫苗能夠抵抗當前的變種病毒嗎？「跟疫苗研發與疫苗效果直接相關的，是刺突蛋白基因上的變異點：A23403G，也就是突刺 S 蛋白 D614G 突變。」楊欣洲指出，已有初步研究顯示，D614G 變異雖然會提升病毒的適應能力，卻不影響血清抗體對病毒的中和力。而且在這之前科學家們就已經發現這個帶有A23403G 變異的病毒越來越盛行，各疫苗廠於研發過程中大多也都有將這個 SNV 的變異納入研發考量，因此目前第六型的病毒還不致讓疫苗失去防禦力。（病毒變異株雖互有消長，但尚不致影響防疫策略。）

楊欣洲也坦白說，新的變異一直在進行，無法排除任何可能性。況且，研究會受到資料庫樣本的限制。 GISAID 目前約有三十萬筆資料，英國上傳大十四萬筆最多，美國居次；中國則宣稱沒有多少新增病例，即使前陣子北京發生二波感染，也就提供三隻病毒株，沒有資料，就沒辦法全面掌握病毒變化。

「現在病毒是以第六型為主，但隨著各國的邊境管制，各地又開始出現新興的子型病毒。像是北京提供的三個樣本，就是第六型的子型。」楊欣洲提醒。2020 年 12 月 21 日，英格蘭公共衛生署（Public Health England）的報告指出，在英國發現新冠病毒變種，並已造成單日新增感染案例暴增。英國立刻通報世界衛生組織此高傳染性的英國變種新冠病毒株，讓世界各國提高警覺，善盡世界公民的職責。

因應病毒的快速變異，中央研究院設置「病毒變異全球即時監測網」，廖俊智院長帶領，統計所研究團隊進行大數據分析，陳伶志資服處長開發網站，中研院病毒與生物化學專家參與討論，即時監測世界各國正在發生的新興病毒變異，發現需要密切注意的變異株時，盡速提供資訊給各個病毒傳播研究與疫苗研發單位，與全球繼續對抗這場世紀大疫。

中研院團隊設立網站，即時監測世界各國正在發生的新興病毒變異，發現需要密切注意的變異株時，盡速提供資訊給各個病毒傳播研究與疫苗研發單位。（圖片取自Tracking SARS-CoV-2 Variation）

※本文授權轉載自研之有物（中央研究院）官方網站／原標題：各國驚爆新冠病毒變種！中研院持續追蹤病毒變異