早在Covid-19爆發之初，甚至還沒引起世界其他地區的注意，〔後來普遍公認為疫情最可能發源地的〕中國、還有一些澳洲科學家就從首批患者分離出病毒基因組。不久後，新冠病毒（SARS-CoV-2）的第一個基因藍圖於2020年1月10日公開發表。該基因組與隨後不久公布的其他基因組，指引國際對疫情採取有效的科學應對，包括及時開發診斷測試、監測策略、疫苗研發與其他控制疫情的新工具。

 

　　正如世界衛生組織的報告所說，由於現代科技可在幾小時內提取病患身上的病毒樣本基因組，因此「基因組定序能即時為公共衛生如何應對疫情提供資訊」。各國在應對疫情取得的所有成功，都建基在人類對病毒基因組的瞭解而產生的因應措施之上。

 

　　然而，收集新冠病毒基因組的需求仍未結束。世界衛生組織的熱帶與新興病毒疾病研究中心副主任梅美玲（Meng-ling Moi）說：「現在就斷言疫情會如何與何時結束還為之過早。」雖然感染人數有所減少，但在2021年6月22日的前一周報告顯示，確診人數新增超過250萬，死亡人數超過6.4萬人，許多國家的感染人數仍然大幅增加。新冠病毒的強度與持久性，歸因於正在全球蔓延的高傳染性變種病毒。

 

　　基因組定序是瞭解病毒如何演化的基本工具，以及瞭解該如何防禦與應對病毒的手段。在科學家手中，基因組能揭開新冠病毒最深層的秘密，包括從病患身上無法獲取的流行病學行為。

 

　　由於定序的特殊重要性，〔備受爭議的〕世界衛生組織總幹事譚德塞在2020年12月的線上新聞記者會上，呼籲各國加強對新冠病毒基因組定序。幾周後，歐盟委員會也採取了相同行動，要求歐盟成員國至少對5％（最好是10％）檢測為陽性的病患進行定序，美國疾病控制與預防中心（CDC）也在2021年2月份設定了5％的目標。

 

　　然而，根據全球共享流感數據倡議組織（GISAID）的數據，各國離目標實現還很遙遠。該組織管理全球最廣泛應用的新冠病毒基因組數據庫，全球報告了近1.8億例新冠肺炎確診病例，但僅提交了約204.2萬個病毒基因組序列，只佔病例總數1％多。許多國家正在改善定序率，但速度還不夠快。這些數字對於感染人數最多的國家來說尤其令人擔憂：在美國3,320萬例病例中，僅定序了1.7％；巴西和印度分別確診近1,820萬例和3,010萬例，卻只定序了約0.1％的病例。

 

　　科學家擔心，如果對新冠病毒的變異瞭解不足，可能會災難性地加重與拖延疫情。不久前還是英國新冠病毒基因組聯盟（COG-UK）副主任的賈斯汀‧歐格雷迪（Justin O 'Grady）說：「我們對全球流行的變種病毒的知識差距越大，就越有可能忽略某種重要變異的演化，最後發現我們輸掉了控制疫情的戰鬥。」

 

　　如果目前阻礙病毒監控的因素無法解決，未來可能會有更多不受控的變種病毒爆發，加州大學聖克魯茲分校基因組學研究所的科學主任大衛‧豪斯勒（David Haussler）說：「如果病毒定序監控存在很大的『盲點』，那麼在快速傳播感染的情況下，你就無法預防疫情爆發。因此，有必要對世界各地的病毒基因組進行定序，並立刻共用這些資訊。」

 

　　病毒基因組序列是科學家瞭解病毒演化的寶貴線索來源，病毒基因組的變異速度相對容易從實驗室中預估，但這跟病毒本身的演化速度不同，後者取決於變異在種群中傳播的速度與成功程度。藉由比較不同患者在不同時間採集的病毒樣本的基因組，可以更準確地評估病毒的演化速度。研究表明，以新冠病毒來說最好每隔至少兩個月採集一次樣本，在較長的時間收集越多的樣本效果也更好。

 

　　監控新冠病毒的演變肯定有助於開發和保持診斷的準確性：隨著時間過去，或在不同的地點，如果病毒資料因演化而過時，檢測結果可能會變得不再可靠。疫苗也跟基因組資訊直接關聯，特別是現在臨床醫學正在使用的mRNA疫苗。

 

　　豪斯勒說：「我們必須在一種疾病廣泛傳播到全世界以前就製造出疫苗。有了mRNA疫苗，只要有感染源的基因組序列，我們就能開始研發。這意味著現在最重要的問題是在新菌株爆發的初期獲得基因組序列，在它開始大肆傳播以前先行阻止。」

 

 

　　在疫情爆發期間，對病毒的多樣性有完整的記錄也很重要，因為它可以揭示疾病的流行病學。由於病毒基因組大約每兩周累積一次隨機變化，樣本之間基因組的差異數量可以決定被檢測的病患是否屬於同一種病毒的傳播網路。威斯康辛大學麥迪遜分校的病理學和實驗室醫學教授大衛‧歐康納（David O 'Connor）說：「病毒的基因組就像分子指紋。我們一開始擔心醫護人員會被他們護理的患者感染，但醫護人員和患者的病毒基因組很少相同，這表明醫護人員是在社區被感染的，而不是在醫院裡。」

 

　　類似的基因組流行病學幫助科學家在疫情初期就確定，康乃狄克州的疫情爆發來自多個美國的來源，而不是直接來自國際旅客。它還幫助科學家確定，在巴西口罩和社交距離等非藥物的干預措施減少了疾病在州內的傳播，但在減緩州與州之間傳播的效果較差。

 

　　分析病毒基因組還能找出變種病毒之間的細微差異。全世界都對更容易傳染的幾種變種病毒感到擔憂，其中包括：B.1.1.7（alpha），首次在英國發現，可能有更高的死亡風險；B.1.351（beta），首次在南非發現，可能對某些疫苗具有額外的耐藥性；B.1.617.2（delta），首先在印度發現，已成為新病例的主因；P.1（gamma），在日本和巴西發現；B.1.427和B.1.429（都被稱為epsilon），首次在加州發現。

 

　　無疑還會出現更多變種病毒，這些變種將使疫情複雜化，影響究竟會有多大目前尚不清楚，梅美玲說：「正在進行的基因組定序的關鍵是，要確定是否出現『疫苗逃逸』的變種。」然而，大多數國家甚至未能達到基因組定序的目標，這更加令人不安。

 

　　38個國家的基因組監控情況最為嚴峻，而且沒有與全球共享流感數據倡議組織共用定序數據。這些國家是全世界最貧窮的國家，比如查德和蒲隆地。截至2021年6月27日，非洲大陸共報告了530多萬例的感染病例（其中390萬例確診），但這些國家只定序與公佈了約22,700個基因組，只占病例總數的0.6％。其中超過40％的基因組序列（約9600個）都來自單一國家——南非。

 

　　對全世界來說，缺乏非洲數據的後果可能很嚴重，蘇丹遺傳學家、喀土木大學分子生物學教授蒙塔薩‧易卜拉欣（Muntasar Ibrahim）說：「有鑑於非洲人口的變化，它可能成為越來越多的致病與難治變種病毒的來源。」

 

　　定序不足不完全是因為缺乏資金（根據豪斯勒的說法，每個新冠病毒基因組的定序成本約為120美元，透過對基因組進行大規模定序能夠大幅降低成本）。一些貧窮國家甚至比一些富有國家進行了更多的病例定序，因此財富不可能是唯一的決定因素。以甘比亞為例，其排名為7.8％，超過了德國的3.6％，而德國的國內生產總額（GDP）是甘比亞的60倍。

 

　　低定序率也不一定反映各國受疫情打擊的程度。美國約有10％人口確診，儘管美國定序的新冠病毒基因組最多，但定序率很低（1.7％）。但在英國，約有7％人口確診，而英國定序的病例卻超過總病例數的10％：英國的定序率在世界上雖然只排在第13位，但它所定序的病毒基因組數量超過了所有領先國家的總和。

 

　　真正決定各國在疫情期間基因組定序表現的關鍵，似乎是它們的策略選擇與生物醫學基礎設施。

 

 

　　紐約基因組中心（NYGC）執行長湯姆‧曼尼提斯（Tom Maniatis）指出，由於醫院、公共衛生實驗室和商業檢測機構等擁有病毒樣本的機構之間缺乏系統性的聯繫，美國的病毒監控受到了影響，他說：「雖然情況有所改善，但後勤方面的挑戰依然存在。」

 

　　紐約基因組中心的定序和分析團隊負責人曼尼提斯和索倫‧格默（Soren Germer）指出，獲取樣本一直是美國最大的挑戰。即使是最注重研究的醫院往往也沒有資源收集樣本來進行研究，他們不得不優先治療患者與保護醫護人員，直到最近才開始有聯邦政府的支持。

 

　　歐洲生物資訊學研究所所長拉夫‧阿普韋勒（Rolf Apweiler）表示，各國將新冠病毒序列存入專用的基因組數據平台的積極程度也有很大的差異。對於積極參與基因組定序的一些國家來說，這些研究可能已經取得了成果。由基因組專家組成的英國新冠病毒基因組聯盟，在英國政府撥款2000萬英鎊的支持下，英國科學家得以在疫情初期採取措施，以確保大規模的基因組定序。在2020年3月成立的幾周內，該聯盟就公開了第一批基因組樣本；目前已經對超過45萬個病毒基因組定序。

 

　　歐格雷迪認為這大大幫助了英國的疫情控制，他說：「基因組定序確定了alpha變種病毒的出現，為我們提供了為什麼在2020年底病例數量急劇增加的答案，並使我們能夠實施成功的監控措施。」當其他變種病毒在南非和其他地方被發現時，英國增加了檢測與追蹤力度，成功限制變種病毒在英國的傳播。

 

　　許多國家正努力擴大基因組定序的計畫。2021年2月，美國疾病控制與預防中心承諾提供2億美元作為基因組監控的「首期撥款」。2021年4月，拜登政府撥款17億美元，用於加強基因組定序研究以對抗變種病毒，歐康納說：「美國意識到目前取得的成果還是很不堪一擊，隨時可能被變種病毒破壞，因此現在正大舉投資定序研究。」

 

　　2021年1月，印度政府成立了印度新冠病毒基因組聯盟，透過機構網路加快基因組定序的工作。這個全國性的基因組定序計畫在大約三個月的時間裡定序了1.5萬個基因組，該聯盟的資深科學家阿努拉格‧阿格拉瓦爾（Anurag Agrawal）說：「我預估數字會越來越好。」

 

　　非洲的情況也在改善。烏干達病毒研究所的遺傳流行病學和生物資訊學助理教授賽貢‧法圖莫（Segun Fatumo）指出，非洲各國政府迫切需要為相關研究與基礎設施提供資金，不過非洲已經在對抗新冠病毒方面取得了一定的成功，基因組定序有著巨大的貢獻。阿普韋勒認為，只有藉由盡可能多的協調與合作，全球聯手才能成功控制疫情，他說：「當一個國家出現新變種，可能很快就會成為一個全球性的問題。」

 

　　真正的問題在於，共享資訊的網路與基礎設施能否讓病毒監測成為常態，以便隨時發現下一個潛在的大流行病毒。世界衛生組織指出，在準備應對未來的威脅時，將基因組定序納入全球衛生界的常規做法是「必要」的。

 

　　豪斯勒也同意，建立全球病原體定序與共享基因組資訊有助於預防未來的病毒爆發，他表示：「這是目前全世界能做的最重要的投資之一。從長遠來看，這可能會挽救許多生命和數萬億美元。」

 

 

原文出處：Quanta

 

編按：〔〕內之文字與科學期刊參考資訊超連結為編輯Gerda所加。