許多大規模流行病的起源，皆包含一個關鍵步驟，那就是當原本存在動物體內的病毒感染人類後，會逐漸演化變得更能在人與人之間傳播。因此，科學家與醫師會密切監測可能跨物種從動物感染人類的病毒，例如禽流感病毒株與蝙蝠冠狀病毒，同時也會密切注意那些已感染過人類但目前在人群中傳播效率不高的病毒，例如漢他病毒與伊波拉病毒。
研究人員證實，可在短短數月內，透過體外實驗重現冠狀病毒在 COVID-19 疫情期間的關鍵演化路徑，包括從最初武漢株到高傳染力 Omicron 變異株出現的演化趨勢。這項成果來自以色列魏茲曼科學研究院 Gideon Schreiber 教授實驗室，與捷克布拉格查理大學第一醫學院 Jiří Zahradník 博士實驗室及 BIOCEV 中心之間的合作。此研究結果發表於《Nature Communications》，顯示科學家未來或許能預測病毒的演化方向，並判斷在何種條件下可能出現新一波感染。
2021 年 8 月，Schreiber 教授與同事發表了體外演化實驗結果，能成功辨識出冠狀病毒結合位點中的一對突變。這對突變能提升病毒與人類呼吸道受體的結合能力，使病毒具有高度傳染性。大約三個月後，Omicron 變異株首次在南非被辨識出來。研究人員對其進行基因定序後，發現其正好帶有完全相同的兩個突變。Schreiber 教授因此意識到，該實驗室所建立的體外演化方法，可能具備預測大流行病進程中重要轉折點的能力。演化是透過突變與天擇進行。病毒為了存活與傳播，會快速複製，而這個過程經常產生遺傳錯誤。這些錯誤逐漸累積後，便可能形成新的變異株。
這項研究利用體外蛋白演化方法，重現病毒適應人類受體的過程，探討 SARS-CoV-2 棘蛋白如何適應人類 ACE2 受體。研究人員針對不同病毒譜系施加不同程度的選汰壓力，藉此觀察棘蛋白受體結合基序（receptor-binding motif，RBM）的演化軌跡。研究團隊使用高通量體外酵母表面展示系統，刻意採用容易出錯的機制，複製負責編碼冠狀病毒結合位點的基因，以快轉方式模擬突變出現。接著，他們利用經基因工程改造的麵包酵母細胞，讓數百萬種由此產生的變異版本接觸人類 ACE2 受體，同時仿照天擇，只保留能成功結合受體的版本。研究人員設定兩種不同的選汰條件。高嚴格度選汰（high-stringency selection，HSS）要求變異蛋白同時具備對人類 ACE2 的高結合親和力與良好的熱穩定性；低嚴格度選汰（low-stringency selection，LSS）則模擬較寬鬆的環境，只要求維持基本的受體結合能力。透過反覆進行突變與篩選，科學家重建了整場疫情期間病毒與人類受體間交互作用的演化過程。
研究結果顯示，無論最初使用哪一種病毒譜系，高嚴格度選汰都會使病毒迅速趨向 Omicron 及其亞型的特徵性突變。即使從較早期的原始武漢病毒株開始，也會出現 N440K、S477N、T478K、Q498R 與 N501Y 等與 Omicron 相關的突變，並迅速在族群中取得優勢。相較之下，低嚴格度選汰會產生種類更廣泛的突變，但這些突變通常僅以較低比例存在，也常包含中性或略為不利的序列變化。Schreiber 教授表示，無論最初使用哪一種病毒變異株，在強烈選汰壓力下，與 Omicron 及其亞型高度相似的變異株都會在早期出現，並迅速取代整個族群。他指出，COVID-19 疫情期間也出現了相同的演化軌跡。自 Omicron 於 2021 年底出現並成為主流後，病毒至今未再發生另一次同等規模的重大轉變。研究團隊因此認為，他們在僅僅數個月的實驗中，成功重現冠狀病毒在數十億人口中歷時三年的重要演化路徑。
研究團隊進一步發現，當演化實驗直接從 Omicron 開始時，不論是高嚴格度或低嚴格度選汰，Omicron 的主要序列特徵都能被保留下來。這項結果顯示，Omicron 的受體結合基序可能代表一種高度最佳化且適應人類 ACE2 受體的人類化型態。它的演化優勢可能不只來自免疫逃脫，也來自更佳的受體結合親和力與蛋白質穩定性。研究團隊也將高嚴格度選汰下出現的突變，與全球 SARS-CoV-2 資料庫中的自然演化趨勢進行比較，發現兩者高度相似。這個結果進一步顯示，受體結合限制在病毒適應過程中扮演關鍵角色，而且即使沒有抗體驅動的免疫逃脫壓力，這些突變仍可能出現。Schreiber 教授表示，在這項演化實驗的每一階段，研究團隊都篩選出與人類受體結合力最強的變異株；在強烈選汰壓力下，並要求這些變異蛋白在高溫條件下維持穩定。儘管實驗中的病毒完全不需要面對免疫系統，Omicron 的大多數特徵性突變仍然出現。這顯示冠狀病毒演化最初主要受到感染力提升與受體結合能力改善所驅動。不過，研究團隊分析資料庫後也發現，隨著人群免疫力提高，病毒開始累積折衷型突變，也就是在感染力與免疫逃脫能力間取得平衡的突變。然而，在較弱選汰壓力下，研究人員並未觀察到導向 Omicron 取得主導地位的演化路徑。
研究團隊後續使用電腦模擬方法找到了原因。在突變過程中，有時會同時出現多個突變。如果其中一個突變賦予新的病毒變異株生存優勢，並協助它取得族群主導地位，其他中性甚至有害的突變也可能一同搭便車，隨之擴散。模擬結果顯示，在強烈選汰壓力下，有利突變會在這些搭便車突變累積之前，先取得主導地位。然而，在較弱選汰壓力下，有利突變會攜帶許多額外突變一起擴散，因而削弱自身原有的傳播優勢。研究也顯示，這些演化軌跡不僅可以在實驗中重現，也能透過電腦模擬加以預測。
直到今天，Omicron 的起源仍然存在許多未解之謎，因為它在遺傳上與其他冠狀病毒變異株有明顯差異。對健康個體而言，免疫系統會迅速清除病毒，使病毒沒有足夠時間累積大量突變。因此，研究人員推測，Omicron 可能是在免疫功能低下者體內出現，因為這些人的感染可能持續數月。Schreiber 教授解釋，病毒若要在這些人體內存活，就必須反覆對抗其殘餘免疫活性，並反覆與呼吸道細胞上的受體結合，進而感染細胞。這些正是強烈選汰壓力的條件，而研究顯示，這些條件對 Omicron 的出現至關重要，因而進一步支持 Omicron 起源於免疫功能低下者的假說。當研究人員從 Omicron 開始進行篩選時，不論是強烈或較弱的選汰壓力，都足以維持 Omicron 序列，這也有助於解釋 Omicron 為何能持續存在於一般人群中。研究團隊也將這套方法應用於 SARS 病毒 SARS-CoV-1，以評估其適應人類受體的潛力。當 SARS-CoV-1 在強烈選汰壓力下進行體外演化時，一種能夠更有效結合人類呼吸道受體的變異株迅速成為主流。研究人員進一步發現，單一 Y442S 突變，就能大幅縮小 SARS-CoV-1 與 SARS-CoV-2 在 ACE2 結合親和力上的差距。這項結果顯示，這套研究架構可用於預測新興病毒的演化軌跡，並評估其跨越物種屏障、提升人類感染能力的風險。Schreiber 教授指出，由於 SARS-CoV-1 與造成 COVID-19 疫情的冠狀病毒具有相似性，人類可能已具備部分免疫力。
整體而言，這項研究顯示，體外實驗演化對自然病毒適應具有相當強的預測能力。研究結果強調，受體結合所形成的限制，是塑造病毒演化的重要力量，並提供一套預測未來變異株的研究架構。Schreiber 教授表示，研究團隊所開發的體外演化方法，未來可應用於其他值得關注的病毒。研究人員可以分離病毒蛋白，並探討它們在不同情境下可能如何演化。這項方法有助於在危險變異株成為主流之前先辨識它們，讓防疫工作更能聚焦於避免形成使這些變異株取得優勢的條件，並提前做好準備。
SARS-CoV-2 在複製過程中會持續產生突變。根據研究所提供的估算，平均每複製約 100 萬個 RNA 鹼基，可能出現一次複製錯誤。由於 SARS-CoV-2 的基因體約包含 3 萬個 RNA 鹼基，因此平均約每 30 個複製週期可能產生一次突變；每個複製週期約需 10 小時。相較之下，流感病毒的基因變化速度更快。
資料來源：https://wis-wander.weizmann.ac.il/life-sciences/pandemic-fast-forward
