重要发现：宿主内多样性是新冠病毒进化的主要阶段

在目前研究SARS-CoV-2病毒进化的过程中，假设每个宿主只携带一种高度流行的病毒株。因此，对于宿主内的所有病毒粒子，只需要提供一个基因组序列。在这种主流观点中，每个人的多样性可以忽略不计。驱动适应性进化的选择优势不会在宿主内部而将主要发生在人类宿主之间。尽管这是主流观点，但是病毒进化可能主要发生在每个宿主体内。毕竟，任何病毒突变都应该从其宿主内的单个病毒体开始其旅程，并变得足够普遍以进行传播。

2021年6月21日，中山大学联合北京大学、首都医科大学在bioRxiv平台上发表了一篇题为“One viral sequence for each host? – The neglected within-host diversity as the main stage of SARS-CoV-2 evolution”的文章。文章创新性的提出：

1、全球 SARS-CoV-2 种群是一个病毒集合，由所有受感染宿主中的病毒组成，每个宿主都具有遗传多样性的亚种群。

2、有利的突变必须首先作为宿主内的多样性出现，然后才能显示为宿主间的多态性。

3、在多个宿主中早期检测到某种多样性可能是潜在危险突变的警报。

图片来源：bioRxiv

从同一宿主收集的样本显示多样性

研究者研究包括 2020 年1月20日至4月20日期间在北京地坛医院的23个家庭集群的 60 名 COVID-19 患者。共采集样本135份（咽拭子47份、痰液59份、粪便29份），其中6个家庭16名境外患者34份，本地17个家庭44份101份样本。有5个由流行病学数据证实供体-受体传播对。

研究者发现无论是比较在不同时间点从同一患者的相同组织收集的样本中的变体，还是从同一患者但从不同组织收集的样本的结果，均显示出SARS-CoV-2变异体的多样性。同一个体样本之间的这些差异会让人怀疑比较来自两个个体的样本的价值。

图片来源：bioRxiv

从宿主内多样性 (iSNV) 到宿主间多态性 (SNP)如何实现？

通过推演计算，研究者提出病毒的进化分阶段进行，如下图所示，其中每个圆圈描绘了受感染个体的病毒多样性。阶段1a和1b主要是关于宿主内的进化，而阶段2a和2b是关于宿主之间的进化。一个阶段中的多个圆圈构成元种群（整个病毒集合）。进化始于iSNV，它可能会或可能不会进化为 SNP（宿主群体中的单核苷酸多态性）。所有 SNP 显然都是从一些iSNV演变而来的，但大多数 iSNV可能无法成为SNP。

在阶段1a 中，T 突变体从受感染个体的 A 病毒群中出现。如果 T 具有选择优势，它会上升到“可传播”频率，这取决于 N0 （感染中传播的病毒粒子数）的大小，并且进化进展到阶段1b。当突变体“走出大门”时，阶段 1a 和 1b 之间是最关键的过渡。从阶段 1b 开始，T的频率会增加一些个体，而 A/T 多样性将继续感染更多个体。阶段 2a 是 SNP 与 iSNV 重叠的唯一阶段。阶段 2b 是进化的下一阶段，但似乎是阶段1b的镜像，两者都没有 SNP 多态性。

图片来源：bioRxiv

最令人感兴趣的阶段是阶段 2a，在北京患者队列的数据中得到充分的展现。Y 轴上的 SNP 频率与 X 轴上的平均 iSNV 频率之间呈现正相关，高相关系数 (R2 = 0.75) 支持 SNP 频率随着 iSNV 变得更常见而增加的观点。

图片来源：bioRxiv

小结

每个被感染个体呈现一个病毒序列的标准做法假设每个宿主内遗传多样性较低，它将重点放在宿主之间而不是宿主内部的病毒进化上。为了确定这种多样性，研究者多次从同一名患者收集 SARS-CoV-2 样本，结合之前的报告表明，由于宿主内部的多样性，从同一个人收集的两个病毒样本通常非常不同。研究者提出病毒进化的主要力量，即突变、漂移、重组和选择，都在宿主内部运作，应该进行相应的研究。并且提出当有利突变在宿主之间传播之前，有可能检测到它们的出现，这可以用作早期预警系统。

全文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2021.06.21.449205v1