文章导读

全球流行的季节性人类冠状病毒 (Seasonal Human Coronaviruses, sHCoV) 有四种 (229E、NL63、OC43 和 HKU1)，占人类呼吸道感染疾病的 5~30%。由于人类感染这类冠状病毒后，仅表现出轻度症状，因此相关人员尚未对其进化及流行性展开深入研究。基于此，来自美国国立卫生研究院的 Nídia S. Trovão 研究团队在 Viruses 发表了文章，通过多基因和完整基因组分析方法对 sHCoV 的起源与进化展开研究。研究结果表明，OC43 可能起源于蹄类动物、犬科动物或兔源冠状病毒 (CoV)；229E 可能起源于蝙蝠、骆驼或者未取样的中间宿主；HKU1 可能起源于鼠源冠状病毒，并且进化为两个不同的分支 (基因型 A 和 B)，分别代表来自鼠源冠状病毒的两个独立传播时间；sHCoV 的非人类宿主跳跃分支的多种蛋白质中存在共享氨基酸替换。

研究方法

研究人员通过整理数据集建立起病毒进化枝，使用 IQ-TREE 生成了一个最大似然树，并通过探索性线性回归方法来观察数据集在采样时间间隔内的时间信号或分歧积累的程度；随后通过比较基因组学、重组分析、系统动力学、宿主跳跃分析和氨基酸取代分析等方法探究了 sHCoV 的起源与进化。

研究结果

季节性人类冠状病毒的人畜共患病起源

为调查 sHCoV 的人畜共患起源，研究人员从全基因组 (Whole Genome Sequences, WGS) 的数据集推断出最大进化枝可信度 (Maximum Clade Credibility, MCC) 树 (如图 1)，分支按推断的冠状病毒宿主进行颜色编码。对包膜、膜和核衣壳的 CoV 宿主间传播过程 (MJs) 的分析能够推断出四种人类季节性冠状病毒的推定祖先，如表 1 所示。

图 1. α 和 β 冠状病毒的 MCC 树。

表 1. 四种人类季节性冠状病毒的估计人畜共患病起源。

研究表明，如表 1 所示，NL63 和 HKU1 的人畜共患起源分别为蝙蝠和鼠 CoV，没有明显的中间宿主；牛 CoV 是 OC43 的祖先，OC43的 WGS、刺突蛋白、核衣壳蛋白、膜蛋白和包膜蛋白直接来源于牛的概率分别为 36%、35%、23%、2% 和 20%。OC43 起源概率最高的宿主是猪 CoV 的核衣壳 (25%)、骆驼 CoV 的膜 (75%) 和鼠 CoV 的包膜 (30%)。

进化率和出现日期

四种 sHCoVs 病毒的平均替代率在 WGS 和四个 ORFs 中相似。其中，HKU1 和 OC43 的平均替换率分别为最高和最低。虽然 229E、NL63 和 HKU1 的 MRCA 中值年龄最大，但 OC43 和 HKU1 基因型 A 和 B 的 MRCA 中值年龄最小 (如图 2)。

图 2. 季节性人类冠状病毒物种的全基因组和四个开放阅读框 (数据集 D5) 的 (A) 进化率和 (B) MRCA 年龄的估计。

重组模式

重组是 CoVs 中的一种已知现象，研究人员以数据集中 α 和 βCoVs 的进化史为依据确定了重组信号 (如图 3)。除了宿主之间的 CoV 重组，人类 CoV 之间也存在重组现象，包括 sHCoV 种内和种间重组。然而，sHCoV 物种之间的重组只在同属的物种之间观察到，即 229E 和 NL63 之间以及 HKU1 和 OC43 之间，并且只在尖峰和 WGS 数据集中发现。

图 3. 由 RDP4 识别的宿主/物种重组模式内部和之间的总结，适用于 (A) alphaCoV 和 (B) betaCoV。

重组率

研究人员使用 ClonalFrameML 评估了 CoVs 之间和整个基因组的明显重组率 (表 2)。穗状蛋白中的重组替换比点突变 (r/m) 多 29~42 倍，整个基因组的替换大约是点突变的 0.8 倍，这说明重组 (特别是在穗状蛋白中发生的重组) 在 CoVs 的进化中有巨大贡献。相关研究结果表明，尽管 βCoVs 的重组与点突变的比率较高，但 αCoVs 的重组事件会引入更多的替换。据此可推测，虽然 sHCoV 的种间重组率主要随种属而变化，但种内重组率似乎随 sHCoV 物种的首次分离日期而变化。

表 2. 来自 D4 数据集的重组率与点突变率之比 (R/theta)、重组相对于点突变的替换 (r/m) 、每个重组事件的替换数 (δν) 和同源重组导入 DNA 的平均长度 (δ) 的估计值。

成对多样性

表 3 列出了 sHCoV 的平均配对遗传多样性。四种 sHCoVs 的遗传多样性排序为 229E < OC43 < NL63 < HKU1。HKU1 基因型 B 的遗传多样性独立于 229E、NL63 和 HKU1，而 HKU1 基因型 A 的遗传多样性最小。

表 3. 每个 sHCoV 物种的平均成对遗传距离。

氨基酸替代

在整个 sHCoVs 的谱系中，穗状物、核壳、膜和包膜的 AA 排列位置分别有 29~57%、29~35%、16~26% 和 19~48% 的 AA 替换。图 4 显示了与 sHCoVs 有关的包膜、膜、核衣壳和穗状蛋白的 AA 变化数量。

图 4. 与 sHCoVs 有关的氨基酸变化 (AA) 的数量，包括包膜、膜、核壳和穗状蛋白的 AA 位置。

观察到的 AA 变化大致可分为以下几类：(i) 对同一 AA 的趋同变化；(ii) 从同一 AA 到不同 AA 的分歧变化；(iii) 平行的 AA 变化；(iv) 与 SARS-CoV-2 趋同的 AA 变化；(v) sHCoV 物种之间完全相反的 AA 变化；(vi) sHCoV 物种之间部分逆转的 AA 变化 (表 4)。

表 4. 导致 sHCoVs 的至少两个宿主跳跃分支中存在 AA 变化的位置列表。

研究结论

CoVs 具有重组、变异和感染多个宿主的能力，因此 SARS-CoV-2 肯定既不是最后一个蔓延到人类的 CoV，也不是最后一个具有大流行潜力的 CoV。进一步研究 CoVs 的进化史，能够帮助我们更好地了解这些病毒如何在物种间跳跃并建立反复感染的情况，也可以对控制策略的制定提供帮助。此外，对非人类 CoV 宿主的持续监测对于潜在人畜共患疾病爆发的早期监测至关重要。

原文出自 Viruses 期刊：Origins and Evolution of Seasonal Human Coronaviruses 

Otieno, J.R.; Cherry, J.L.; Spiro,D.J.; Nelson, M.I.; Trovão, N.S. Origins and Evolution of Seasonal Human Coronaviruses. Viruses 2022, 14,1551.

Viruses 期刊介绍

主编：Eric O. Freed, Center for Cancer Research, National Cancer Institute, USA

涵盖动物病毒、植物病毒、抗病毒和疫苗、噬菌体以及朊病毒等各方面研究，目前已被 SCIE (Web of Science)、MEDLINE (PubMed) 等数据库收录。

2021 Impact Factor：5.818

2021 CiteScore：6.6

Time to First Decision：15.6 Days

Time to Publication：36.5 Days