[变异毒株]今日果，昨日因（掉书袋版）

❶ 前言

各位老铁情人节快乐！话说，前几天咱随意写了点关于变异株新旧交替的随笔，请看这里：今日果·昨日因然后部分朋友纷纷写下读后感：
“不会吧拍老师，情况不会这么悲观吧？”“这跟流感他们家的抗原漂移模式完全不一样啊！”
以及

“口说无凭啊能不能放点干货？”
那么正好今天有点空余时间，（别问我为啥偏偏是情人节有空余时间…）咱就来东拉西扯组织一点干货吧~或者说，借用咱视频合作伙伴三个老爸实验室的一句大实话：
“知道的越多，恐惧的越多”（误）
here we go！

❷ 一点背景小常识

首先咱照例走一点背景小知识。

以下截图来自哥大巨咖Racaniello老爷的病毒学入门教程，

（别怕，本科一年级难度而已）

各位如果感兴趣的话不妨去老爷的个人网站看完全版。

——首先，请品鉴：

↑ 今天要掉的书袋，第一个相关概念是“错误阈值”（error threshold），

用人话来解释，

基因突变是病毒（以及其他病原体）最强大的保命武器之一，

但突变的速率是有边界的，

突变得太快太猛的话呢，

分分钟都有可能翻车，

而翻车最直接的下场，

就是失去感染性（infectivity），

更常见的后果，

则是影响适应性，

然后在适者生存的残酷内卷中被长江后浪推前浪~

但另一方面，

如果突变不够快不够猛的话呢，

病原体又有可能被宿主免疫系统围追堵截，一举歼灭，

死得不能再死……

总之，

突变速率不是越高越好，

也不是越低越好，

而是刚刚好才好。

或者对于包括新冠病毒在内的RNA病毒们而言，

一个形象的说法是：

突变总是在翻车的边缘疯狂徘徊

（evolve close to the error threshold）

……

——请再品鉴：

↑ 现在咱知道啥是“错误阈值”了，

然后再走俩基本概念呗~

分别是“准种”（quasispecies）和“基因瓶颈”（genetic bottleneck）。

——名词解释顺便走一个：

↑ 翻译成人话，

所谓准种（quasispecies）模型，

主要是为了避免一个定势思维，

也就是认为感染宿主的病毒，

只是一个单独的病毒颗粒，

或一小撮基因结构完全一致的病毒颗粒~

实际情况从来没有这么简单……

对宿主造成感染的，

从来都是一大堆基因结构各异的病毒乌合之众。

或者拿新冠病毒来举例的话，

假设有100个病毒颗粒合伙成功造成了感染，

那么这100个共襄盛举的病毒颗粒里面，

就有可能包括了50个BA.1，30个BA.1.1，外加15个BA.2和5个BA.3。

而且吧，实际情况比上述例子还要更复杂一些，

一方面，每一坨准种里头的病毒颗粒们，

基因差距很可能比上面举的BA家族例子更小，

但另一方面，真实世界的准种又更加无规律，

所以就算冒出来基因差别更大的病毒颗粒也说不准……

以上准种的概念应该还算比较直观，对吧？

然而可能不太直观的是，

病毒的传染性（或者更准确地说，适应性），

居然和准种内部的多样性息息相关。

如果在某种极端的选择压之下，

某坨准种丧失了多样性，

那么就有可能导致原本没有适应性优势的变异持续累积，

然后这坨准种最终扑街。

而准种多样性丧失，

就是最开始所说“错误阈值”背后的机制（之一）。

对此，Racaniello老爷介绍了一个很简单的验证方案：

也就是上面某图所示的连续传代（serial passage）试验。

但又不是常见的那种连续传代，

而是从蚀斑到蚀斑的连续传代（plaque to plaque passage）。

至于啥是蚀斑？

用大白话来解释，

蚀斑试验就是对绝大多数有细胞病变效应（cytopathic effect，CPE）的病毒都管用的病毒学入门基操。

而所谓蚀斑（plaque），

就是把病毒液接种到单层细胞培养环境里面，

病毒因此感染细胞，并持续增殖，

进而导致细胞破裂死亡（CPE效应发威）。

但是由于培养皿里面介质的限制，

细胞破裂之后释放的病毒，

只能由最初感染的细胞逐渐向四周扩展，

并逐渐形成一个局限性的病变细胞区域，

这个区域用肉眼看起来就是一个小圆点，

所以有个形象的名字叫做蚀斑。

另外，一般做蚀斑测定的时候，

都会用某些染料给活细胞染色，

但如上所述，

蚀斑区域的细胞已经扑街，没法着色，

所以也称作空斑。

——一图秒懂：

根据上面的解释，

各位老铁应该不难猜到：

虽然整个培养皿里的病毒丰度很可观，

但具体到每一个蚀斑，

里面的病毒准种，

丰度显然不会太高。

所以如果只取一个蚀斑的活病毒来进行下一轮感染试验的话，

必然会导致准种的多样性损失。

这样连续几轮下来，

多样性损失得差不多了，

非适应性变异也累积得差不多了，

病毒本身一般就扑街了

综上所述，

每次传代造成的多样性损失，

有一个很形象的名称，

就叫做基因瓶颈（genetic bottleneck）~

——请品鉴：

不过呢，虽然上面是面向本科生的病毒学讲义，

但瓶颈效应这玩意儿放在国内就是高三生物课内容而已，

所以咱就不深入八卦了，

总之，根据Racaniello老爷的说法，

瓶颈效应在真实世界的案例，

大概包括下面这些~

——请品鉴：

↑ 翻译成人话，真实世界病毒传播发生瓶颈效应的场景主要包括：

• 呼吸道感染病原体空气传播或气溶胶传播；

• 潜伏在体内的少量病毒重新激活；

• 虫媒传播等。

所以，上面啰嗦了这么多，

其实咱只是引入一个论点——

新冠病毒的空气传播（或气溶胶传播），

天生自带瓶颈效应。

❸ 狭窄的瓶颈

咱继续照惯例翻一点旧账先~

——请品鉴：

↑ 以上是咱4个月之前在知乎贩卖的一小坨焦虑~

——来源则如下：

简而言之，

上面这篇Science文献，

主要研究了发生在奥地利的某次超级传播事件，

然后根据这起事件当中，

确诊病例相互之间病毒序列基因差异，

作者通过某些各位不需要了解的黑算法，

估算出了新冠病毒建立感染所需的病毒颗粒数量~

或者结合Racaniello老爷的课程来说，

就是新冠病毒人传人的传播瓶颈。

虽然其实咱已经大概猜得到，

作为一种R0偏高的呼吸道传播病原体，

这玩意儿的传播瓶颈必然很窄，

但实在没想到，

居然能窄到这种程度，

只需要3个病毒颗粒就足以造成续发感染

而这个情况有两方面的现实意义：

一方面，直观来说，

瓶颈越窄，

续发感染就越防不胜防，

很焦虑！

但另一方面，

瓶颈越窄，

则每次传播的准种多样性损失就（可能）越大，

后续演化也就越容易翻过错误阈值的悬崖，

进而导致演化无疾而终。

而这种因为瓶颈太小而导致容易翻车的情况，

其宏观表现就是优势变异相对不容易累积；

或者说——抗原漂移不明显；

又或者说——不容易出现新变异株。

这一点可能比较烧脑，

但并不是咱在信口开河……

——不信请品鉴：

↑ 以上是经常被咱搬运的哈金森研究所大佬Jesse Bloom老师当初搞的一个关于流感病毒体内演化的literature review，

篇幅所限，咱就不深入八卦了，

总之，Bloom老师的结论是：

传染瓶颈会限制（流感病毒）人传人过程中的基因多样性积累

——或者说，一图秒懂（需要点开大图）：

更悬乎的是，

对于新冠病毒而言，

大伙儿可能会下意识地认为，

在空气传播的场景下，

如果病毒吸入量偏低，

因此导致传播瓶颈狭窄，

这倒也不奇怪~

但众所周知，

新冠病毒的主要传播场景其实是室内三密场景（流感其实同理），

这类高危场景下，

病毒可谓漫山遍野无处不在，

吸入量想低可能都低不下来，

所以瓶颈什么的，

想必不是问题了吧？

但事实证明，

由于某些不明原因，

哪怕在高危三密场景下，

传播瓶颈仍然硬硬的还在……

——请品鉴：

以上又是Bloom老师预印本一枚~

（没办法，他就是这个细分领域的权威）

标题：

某渔船新冠病毒爆发事件当中的狭窄传播瓶颈和有限的宿主内病毒多样性

剪断截说，

Bloom老师他们研究了2020年5月份发生在西雅图的一起渔船超级传播事件。

一共122位渔民挤在一艘渔船上面共同出海，

并且登船前还专门做了核酸检测和抗体检测~

结果可能由于假阴性（吧），

病毒还是混上了船……

十六天之后，

船上超过八成的渔民都中了招，

渔船也不得不提前返航~

总之，重点在于，

就算在渔船这种无比密集的环境里，

就算全船八成渔民都已中招~

可想而知病毒载量理应奇高无比，

但这104名感染者病毒序列的计算结果显示，

瓶颈居然还在

——请品鉴：

❹ 今日果，昨日因

看完上一节，

各位估计都快掀桌了：

这尼玛明显跟实际观测不符啊拍老师！

要是新发变异株被瓶颈缚手缚脚而不容易冒头的话，

那为啥现如今希腊字母都快不够用了？

这到底是为啥？？？

这一点吧……

其实咱已经提到过了，

——请品鉴：

具体请看：Omicron与艾滋病……到底是啥恩怨？

所以情况就是这么一种情况啦……

这也是前几天那篇随笔背后的逻辑脉络：

瓶颈狭窄，抗原漂移此路不通是吧？

没关系，

有大量的免疫缺陷病例在，

（以及有潜在的跨物种回传风险在），

瓶颈什么的，

轻轻松松就绕过去了。

或者不如说，

正是由于狭窄的传播瓶颈堵住了抗原漂移的常规晋升通道，

所以长期感染养蛊模式和跨物种回传模式，

反而因为缺乏同行竞争而变得更加猖獗，

“今日果·昨日因”，

这种前后跨度长达半年甚至一年多，

因此更加防不胜防的变异株产生方式，

也就顺理成章地成为本次大流行的病毒变异主旋律。

哦对了，

顺便提一句，

“今日果·昨日因”，

这个套路可能不只是新冠病毒的绝招，

它似乎也是流感病毒阴间株系诞生的潜在方式之一~

——比如说，请品鉴：

↑ 密歇根大学Lauring老师的研究，

证明了流感病毒也存在类似的瓶颈狭窄的情况~

（1-2 genomes可还行……）

——再比如说，请再品鉴：

↑ Bloom老师再次出马……

证明免疫缺陷病例在感染流感病毒之后，

也会长期无法清除病毒，

并且也会在体内养蛊，

最后也会慢慢憋出各式阴间突变……

Bloom老师甚至把这种情况比喻成平行演化，

可谓是非常形象了……

不过吧，由于流感有更奇葩的大招——重配，

所以显得长期感染的养蛊模式相对没那么醒目而已。

❹ 重组狂潮

上面提到了流感的大招重配，

各位可能已经联想到了~

新冠病毒其实也有自己的大招——重组

是的各位你们没猜错~

重组正是绕开瓶颈、克服错误阈值的另一种有效方式。

——请品鉴：

↑ 让我们回到Racaniello老爷的讲义~

在课程的结尾，

Racaniello老爷提到：

想要打破蚀斑连续传代扑街的怪圈，

除了靠着提升基因多样性的方式刚正面之外，

也完全可以靠着重组（和重配）淘汰那些累积的非适应性变异。

而且吧，以上这些阴间变异株诞生模式：

• “今日果·昨日因”的免疫缺陷病例体内养蛊模式、
  

• 同样“今日果·昨日因”的跨物种传播与回传模式，
  

• 以及现世报的重组模式。

它们其实并不是三选一的关系，

反而完全有可能相辅相成，多管齐下~

比如当前的流行毒株Omicron，

应该就是上述两种甚至三种模式合力结出的恶果

最后，

例行贩卖一点焦虑吧~

前两天咱提到，

咱们这边最近已经观察到十几组独立的Delta/Omicron重组事件~

这个数字……又双叒叕过时了~

现在的最新记录是接近30组。

其中甚至包括一个有27个序列的大型cluster~

（又是在英国）

以及另外一个有十几个序列的cluster，

已经提交给Pango委员会~

（土澳昆士兰）。

然后呢，

UKHSA也磨磨唧唧地提到了咱最早抢跑的那三组~

——请品鉴：

所以还是那句老话~

苦海无边，

回头是岸，

现在回头还来得及~

最后再次祝各位情人节快乐呗。