中国山东地区SARS-CoV-2奥密克戎变异株的宿主内变异与传播动态研究

本研究深入解析了SARS-CoV-2奥密克戎变异株在宿主内的遗传多样性（iSNV）特征及其传播机制，揭示了高密度基因组区域中共享iSNV形成的共突变模式，指出其在缺乏流行病学关联样本间的独立出现现象，并证实iSNV可作为单核苷酸多态性（SNP）的突变库，为病毒进化与传播链推断提供了关键分子依据。

　　

分布特征与检测方法

研究团队对2022年3月山东奥密克戎疫情中4个传播集群（SD-1至SD-4）的803份样本进行深度测序分析，这些样本分属BA.1.1、BA.2和BA.2.3三个遗传亚系。采用严格生物信息学流程进行iSNV检测：测序读数通过BWA-MEM比对至参考基因组（Wuhan-Hu-1），使用Picard去除PCR重复序列，并设定多重过滤标准（Phred碱基质量≥20、测序深度≥100×、支持读数≥10、链偏倚<10倍、等位基因频率介于3%-70%）。为排除交叉污染，特别验证了iSNV与SNP位点的重叠率仅为8.37%，显著低于既往报道。

宿主内变异全景图谱

共鉴定出1,470个iSNV位于1,133个基因组位点，中位数为每样本1个iSNV。54.05%的样本（434/803）携带至少一个iSNV。随时间推移，iSNV密度从0.03升至0.23个/千碱基，显示流行病进程中变异积累加剧。全基因组iSNV密度为0.06个/千碱基，其中编码区占97.69%（1,436个），非编码区密度较低（5′ UTR:0.08, 3′ UTR:0.07）。ORF1ab承载最多iSNV（73.96%），S基因和N基因分别占11.49%和4.60%；经长度标准化后，ORF7a密度最高（0.09个/千碱基）。

基因组距离分析显示iSNV分布非随机（Kolmogorov-Smirnov检验, P<0.001）。密码子位置分析揭示ORF1ab中第三密码子变异最多，第二密码子最少（Fisher精确检验, P<0.05）。N基因呈现第三密码子偏好性及较低非同义/同义突变比（1.13 vs 1.91, P=0.03），提示其受负向选择压力较强。

研究特别识别出两个高频变异区：位于nsp3的5,700-5,800区域（密度1.12个/千碱基，全基因组19倍）和nsp13的16,700-16,800区域（密度0.42个/千碱基，全基因组7倍）。这些区域呈现第一密码子变异优势及极高非同义/同义突变比（23.8 vs 1.7, P<0.001），等位基因频率分析显示非同义突变中位AF（0.10）高于同义突变（0.06），暗示强正选择作用。

共突变模式与网络关联

高频变异区共享iSNV比例高达96.8%（其他区域仅22.9%），其中非同义突变G5743C、T5744C、G5765A、G5766C和C16708G形成显著共现簇。网络分析（Cytoscape构建）显示这些变异通过样本连接形成紧密集群。单倍型分析揭示CCAC模式（对应四联突变）在752个高深度样本中占主导，且该模式样本均携带C16708G。线性回归证实五处变异强相关（Pearson相关系数>0.7, P<2.5×10^?87），表明其构成协同进化单元。功能注释指出前四突变位于nsp3编码的木瓜样蛋白酶（PLpro），参与病毒蛋白切割与宿主免疫逃逸；C16708G位于nsp13（解旋酶），干扰干扰素产生，提示这些变异可能增强病毒适应性。

共享变异的流行病学意义

70.82%的iSNV为样本独有，29.18%存在于≥2个样本。197个高频共享iSNV（>5样本）未位于测序错误或同质位点。七处高频共享位点中，仅G13109A为非同义突变（ORF1ab-D4282N），且C7303T跨传播集群出现，表明独立起源。样本对分析显示仅1.06%（994/93,961对）共享≥1个iSNV，其中24.4%（243对）无流行病学关联。15对样本虽SNP差异仅2-3个且采集时间相近（≤2天），但74%在不同测序批次处理，排除了交叉污染可能。共感染分析确认所有样本均为单一亚系感染，避免了混合毒株对结论的干扰。

从iSNV到SNP的进化路径

排除奥密克戎特征突变位点后，鉴定出37个“潜在固定位点”（iSNV在一样本中与另一样本同位置SNP对应）。固定位点AF显著高于非固定位点，且同义突变比例更高，非同义突变仅分布于ORF1ab、S和ORF3a基因。系统发育分析显示，20个编码区固定位点中，含iSNV样本与同SNP分支的patristic距离显著更近（P<0.001），11个位点经多重校正后仍显著（如位点13,051：C→T突变在系统树中与iSNV聚集于祖先节点）。动态监测揭示C23978T和C20404T在单一传播集群内AF随时间逐渐升高并固定。尤为重要的是，BA.1.1样本中检测到BA.2和BA.2.3特征突变（C21618T和C26060T）的iSNV形式，证实iSNV作为新亚系突变的储备库。

讨论与展望

本研究系统刻画了奥密克戎变异株的宿主内多样性图景，揭示高频变异区在驱动共突变模式中的核心作用。尽管共享iSNV具有进化意义，但其在无关联样本中的趋同发生限制了传播链推断的可靠性，提示需结合多证据链进行精准溯源。iSNV向SNP的转化机制为理解病毒适应性进化提供窗口，尤其早期亚系中潜伏的变异可能成为后续优势毒株的奠基突变。研究局限包括未直接观测iSNV固定全过程及共突变功能的实验验证，未来需扩大样本与时间尺度解析关键突变的全进化轨迹。