撤稿后再次发表，石正丽团队揭开中国蝙蝠冠状病毒的起源及跨物种传播

学术 2025-01-13 07:43 北京

冠状病毒（CoVs）是引起呼吸道和肠道疾病的RNA病毒，能够感染人类和动物，且大多起源于蝙蝠。SARS冠状病毒于2002年首次在人类中爆发，造成全球约800人死亡，翅蝠属蝙蝠被确认是其天然宿主。2016年，猪急性腹泻综合症（SADS）冠状病毒在广东省暴发，来源于翅蝠属蝙蝠。2019年，新型冠状病毒（SARS-CoV-2）爆发，引发COVID-19，与SARS-CoV关系密切，也起源于翅蝠属蝙蝠。

蝙蝠被认为是SARS和MERS冠状病毒的源头，同时也是人类冠状病毒NL63和229E的祖先来源。SARS-CoV-2的出现突显了蝙蝠来源冠状病毒对全球健康的重要性。中国是蝙蝠物种多样性丰富的地区，拥有超过100种蝙蝠，其中许多是特有物种。然而，冠状病毒在中国蝙蝠宿主中的进化和传播机制仍然不完全了解。

2024年12月19日，中国科学院武汉病毒所石正丽等人在Nature Communications在线发表题为“Origin and cross-species transmission of bat coronaviruses in China”的研究论文，该研究使用贝叶斯统计框架以及来自中国的蝙蝠冠状病毒（包括589条新型冠状病毒序列）的庞大序列数据集，来研究它们的宏观进化、跨物种传播和扩散。研究发现，α型冠状病毒的宿主交换频率较高，且跨越的宿主类群较为遥远，而β型冠状病毒的宿主交换则更多受限于系统发育距离。此外，跨科和跨属的宿主交换在菊头蝠科（Rhinolophidae）及菊头蝠属（Rhinolophus）中最为常见。作者的分析还识别出了中国冠状病毒进化多样性的热点宿主类群和地理区域，这为菊头蝠冠状病毒的发现和积极的动物源性疾病监测提供了潜在的目标。最后，作者展示了一项系统发育分析，提出SARS-CoV-2可能起源于菊头蝠属的蝙蝠。

越来越多的研究表明，蝙蝠是SARS冠状病毒和中东呼吸综合症（MERS）冠状病毒的进化来源，并且也是人类冠状病毒NL63和229E的祖先来源。SARS-CoV-2的出现进一步强调了蝙蝠来源冠状病毒对全球健康的重要性，理解其来源和跨物种传播机制是为应对大流行做准备的重中之重。

在本研究中，作者分析了来自中国各地的蝙蝠冠状病毒序列的广泛野外采样数据集，旨在增进作者对冠状病毒如何进化、多样化、在蝙蝠科和属之间流行及传播的理解，以帮助识别那些冠状病毒溢出风险较高的蝙蝠宿主和区域。

分类和地理抽样

作者从中国收集的蝙蝠直肠拭子中生成了589个RNA依赖性RNA聚合酶（RdRp）基因的部分序列，并将608个来自蝙蝠和8个来自穿山甲的冠状病毒序列添加到数据集中。根据宿主和地理信息，作者分别创建了宿主数据集和地理数据集。通过层次聚类，将中国划分为六个生物地理区域：西南、北方、中北、中部、南方和海南岛。宿主数据集包含676个α型和503个β型冠状病毒序列，分别来自40种和29种蝙蝠。地理数据集包括652个α型和477个β型冠状病毒序列，分别来自21个省和20个省。为避免样本偏倚，作者还使用了每个宿主科或区域随机选择30个序列的子集进行分析。

图1. 在本研究中鉴定出RdRp冠状病毒序列的样本采集点的地理位置

祖先宿主和跨物种传播

作者使用BEAST中的贝叶斯离散种群地理学方法重建了每个节点的祖先宿主，采用蝙蝠宿主科作为离散性状。对中国α型冠状病毒（CoVs）的系统发育重建表明，这些病毒的进化起源于翅蝠科和耳蝠科。α-CoVs的第一个分支是隶属于Rhinacovirus亚属（L1），源自翅蝠科，并包括与HKU2-CoV和SADS-CoV相关的序列。随后，多个支系（L2–L7）分别从耳蝠科蝙蝠中分化。β-CoVs的系统发育树显示，它们很可能起源于耳蝠科和果蝠科，分为四个主要谱系：Merbecovirus（C谱系）、Nobecovirus（D谱系）、Hibecovirus（E谱系）和Sarbecovirus（B谱系），其中SARS-CoV-2形成了Sarbecovirus谱系中的一个分支，并最接近来自马来犁头蝠（Rhinolophus malayanus和R. affinis）和马来穿山甲的病毒。

图2. 中国蝙蝠冠状病毒RdRp序列的系统发育树和祖先宿主重建

作者通过贝叶斯随机搜索变量选择（BSSVS）方法识别了蝙蝠科和属之间的病毒宿主交换事件。结果显示，α-CoVs和β-CoVs之间分别有九个和三个高度支持的科间宿主交换事件（BF > 10）。进一步分析表明，α-CoVs的宿主交换速率（0.015次/单位时间）是β-CoVs（0.002次/单位时间）的七倍。

图3. Sarbecovirus亚属（β- cov）中蝙蝠源RdRp序列的系统发育关系

对于α-CoVs，翅蝠科和小翼蝠科的宿主交换事件比其他蝙蝠科更多，而翅蝠科是β-CoVs的最大供体科。作者还识别了18个α-CoVs和15个β-CoVs的属间宿主交换事件，α-CoVs的宿主交换率（0.017次/单位时间）是β-CoVs（0.005次/单位时间）的三倍。

图4. 根据RdRp序列分析推断中国蝙蝠α -冠状病毒和β -冠状病毒的家族间宿主切换

图5. 根据RdRp序列分析推断，中国蝙蝠α -冠状病毒和β -冠状病毒属间宿主切换

冠状病毒在中国的时空分布

作者使用贝叶斯离散种群地理学模型，重建了冠状病毒（CoVs）在中国的时空扩散动态。结果显示，α-CoVs和β-CoVs分别有12条和5条显著的扩散路径。α-CoVs的扩散起源于中国西南（SW）和南方（SO）区域，之后扩散至其他区域；β-CoVs则主要源自SO和SW，且多次扩散到其他区域。α-CoVs的迁移事件发生频率（0.037次/单位时间）比β-CoVs（0.01次/单位时间）高约四倍，SO区域在两种CoVs的迁移事件中都起到了核心作用。

图6. 从RdRp序列推断冠状病毒在中国的时空传播

系统发育多样性

作者计算了中国冠状病毒（CoVs）系统发育多样性的热点区域，使用了平均系统发育距离（MPD）、最近物种距离（MNTD）及其标准化效应值（SES）。

图7 .来自蝙蝠的α和β冠状病毒的系统发育多样性

结果表明，除了Hipposideridae科及部分属的α-CoVs外，大多数蝙蝠科和属的α-CoVs与β-CoVs都表现出显著的系统发育聚类。β-CoVs在多样性上低于α-CoVs，且具有较强的基线聚类，表明其宿主结构效应较强。CoVs在同一生物地理区的蝙蝠群体中显示系统发育聚类，西南地区的α-CoVs进化多样性较高。蝙蝠物种丰富度与CoV多样性关系不显著，表明其他生态或生物地理因素可能影响CoV多样性。

图8. 蝙蝠宿主类群中冠状病毒的系统发育转换/分化

此外，CoVs在蝙蝠科间有较高的系统发育差异，尤其是Rhinolophidae科与其他科之间。西南和海南地区的CoVs表现出较深的进化分化，具有显著的独特性。

图9. 中国动物地理区域间冠状病毒的系统发育转换/分化

曼特尔检验

Mantel检验显示，α-CoVs的基因分化（FST）与地理距离矩阵之间存在显著的正相关，无论是否包括省份；β-CoVs则仅在包含省份且少于四个病毒序列时，地理距离矩阵与基因分化之间存在显著正相关，而在不包括省份的情况下无显著性。此外，作者还发现，β-CoVs的基因分化（FST）与其宿主的系统发育距离矩阵之间存在显著正相关，无论是否包括属，但α-CoVs则未表现出显著相关性。

总而言之，本研究确定了中国冠状病毒（CoV）系统发育多样性和多样性中心的宿主分类和地理区域，为蝙蝠携带的冠状病毒的靶向发现提供了策略，并有助于早期检测蝙蝠冠状病毒在家畜和人类中的爆发。建议未来的采样应集中在中国南方和西南部的CoV多样性热点，并扩展到邻近国家。由于这些地区具有亚热带气候、人口密集和快速城市化等特点，它们可能促进跨物种传播和疾病发生。

同时研究发现，SARS-CoV-2的近亲病毒出现在马蹄蝙蝠中，强调了加强靶向采样和发现新型CoV的必要性，尤其是在中国邻国如缅甸、老挝和越南。α-CoVs在宿主转换中的潜力较高，且具有较强的跨物种传播能力，尤其是在SARS-CoV和SADS-CoV的爆发中表现明显。因此，未来应加大对α-CoV的采样和研究，特别是对马蹄蝙蝠、扇蝙蝠、大夜蝙蝠和小翼蝙蝠等蝙蝠属的监测，以评估其对人类或家畜的潜在风险。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-55384-7

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