新冠病毒正在变异——这重要吗？【译】（10月25日更新）_风闻

译者：上个月看到这篇文章前后正好去听了一个北大的外籍学者讲他们如何筛选针对新冠病毒的中和性抗体，领导们给了他们的工作很高的评价；然而，作为一个进化生物学者，我的知识让我觉得抗体疗法并不是什么真正值得大书特书的工作方向，再加上我之前一直对新冠的变异会引发什么后果有兴趣，所以就把这篇文章加到了我的翻译日程里。不过正如我之前所述，我个人现在内外交困，除非被什么东西刺激到了，否则这种义务翻译也会比较慢。【】内为译者注。

原文发表于2020年9月8日

不同的新冠病毒菌株尚未对此次世界性大流行得进程造成显著影响，但今后未必【一直】如此。

作者：Ewen Callaway

新冠刺突蛋白的构象变化，红圈内为D614G突变引起变化的位置。据信，这个突变能让刺突蛋白更易进入与RBD结合的构象。图源：Structural data from K. Shen & J. Luban

当COVID-19在今年席卷全球之际，David Montefiori便对这个全球大流行背后的致命【推手】病毒会在人际传播的过程中如何变化感到好奇。作为一个病毒学家，Montefiori在他大半的职业生涯中都在研究HIV【注：即人类免疫缺陷病毒，艾滋病的病原体】的小概率突变如何帮助其逃脱免疫系统【的攻击】。【因为】他认为同样的事情可能会发生在SARS-CoV-2【译注：即新冠病毒】上。

三月份时，Montefiori这个在杜克大学（Durham, North Carolina）指导着一个艾滋病疫苗研发实验室的人联系了另一位【研究】艾滋病病毒进化的专家、也是他的长期合作者Bette Korber。Korber是一位在新墨西哥州Sante Fe的Los Alamos国立实验室（LANL）工作的计算生物学家。他【此时】已经开始了对数千个冠状病毒的基因序列进行探查，以【发现】那些可能在此病毒的传播过程中改变其特性的突变。

与HIV相比，SARS-CoV-2在其传播中的变异速度要慢得多。但【其中】一个突变引起了Korber的注意。它位于编码【病毒】刺突蛋白的基因中，而病毒颗粒正是在此蛋白的协助下得以穿透细胞【膜】。Korber发现这个突变在COVID-19患者的【生物】样本中屡次出现。在刺突蛋白的第614个氨基酸位点上，天冬氨酸（D）经常会因为在这个病毒的长达29903个字母【译者：即核算序列】的RNA编码中的一个单核苷酸的复制错误而被甘氨酸替代。病毒学家们称之为D614G突变。

四月时，Korber、Montefiori和其它科学家在bioRxiv【译者：一个生物类的线上预出版网站】的一篇论文中警示“D614G【在病例中的】频率正在以一个引人警惕的速度增加”[1]。这个变种【在那之后】迅速成为了欧洲SARS-CoV-2【病例】的主要毒株，并且随后占据了美国、加拿大和澳大利亚。他们在文章中宣称，作为自然选择的产物，D614G【可能】代表着一种“传染力更强的SARS-CoV-2类型”。

这些论断让很多科学家感到不快。这些科学家说，现在【的证据】并不能弄清楚D614G病毒株是否感染性更强，也不能清楚它的扩散是否意味着任何不同寻常之事。但是媒体已经迅速拉响了警报。尽管许多新闻报道也纳入了这些研究者们的提醒，但有些却在标题中宣布这个病毒正通过变异变得更加危险。当回顾【这件事】时，Montefiori说，他和他的同事们都后悔将这个【病毒】变种的扩散描述为“引人警惕”的。【而】这个词在这篇论文7月出版于《细胞》期刊的同行评议版本中被去除了。

这个著作激起了一阵对D614G的狂热兴趣。因为它的快速扩散和普遍性，就连那些对这个变异改变了新冠病毒特性持怀疑态度的人都同意这【个情况】引人遐想。在数月时间里，这支病毒株已经被发现于几乎所有的SARS-CoV-2样本中了 （参见‘Global spread’）。“目前，这个变种就是大流行本身。因此，【了解】它的特性事关重大。” 来自耶鲁大学（New Haven）公共健康学院的病毒传染病学家Nathan Grubaugh和他的两个同事在一篇《细胞》上发表的关于Korber和Montefiori的发现的评论文章中这样写到[3]。

图源：Ref. 8

至今，这项研究的最终结果并未像Korber和Montefiori的预出版论文中所示的那般清楚。一些实验表明，带有这种突变的病毒会更容易感染细胞。另一些研究则带来了一些好消息：这个变种可能意味着可以【让】针对SARS-CoV-2的疫苗更容易【被开发】。但是仍有许多科学家认为支持D614G能够显著影响病毒的传播或其【在病例中的比例】上升，是源于自然选择的证据并不充分。北卡罗莱纳大学（Chapel Hill）的Timothy Sheahan说到：“此时尚无定论。这个变异可能意味着什么，也可毫无意义。”

Sheahan、Grubaugh和其他人认为，对于新冠病毒的突变，研究者们【未解】的问题要远多于【能给出的】答案，并且迄今为止还没有发现任何足以引起公众健康问题的SARS-CoV-2变异。但细致研究这些突变可能对控制这场大流行起到重要作用。这也可能有助于提前排除那些最令人担忧的突变，即那些能够帮助病毒逃避免疫系统、疫苗和抗体疗法【的突变】。

缓慢的变异

当SARS-CoV-2在中国被发现后不久，研究者们就开始分析病毒样本并在线公布了其基因序列。突变——其中大多数都是来自不同病人的病毒【所携带】的点突变——让研究者们能通过联系近缘的病毒株来追踪SARS-CoV-2的传播，并推测其开始感染人类的时间。

以RNA编码其基因组的病毒，诸如SARS-CoV-2，HIV和流感病毒，因为控制其复制的酶容易出错，所以它们在宿主体内增殖时常常快速变异。例如，当严重急性呼吸综合征（SARS）【译者：即“非典”】病毒开始在人类中传播后，它产生了一种被称为“缺失”的、可能减慢了其传播的突变【译者：作者原文如此。但这里实际上可能意为：一个缺失突变可能减慢了其传播速度。】[4]。

不过测序数据显示，冠状病毒要比其它的RNA病毒变异得更慢，这可能是由于其拥有一个修复潜在得致死性复制错误的“校对”酶。瑞士Basel大学的分子流行病学家Emma Hodcroft说，一个典型的SARS-CoV-2病毒【平均】每月只能在其基因组中累积两个点突变。这个速率是流感病毒的一半，是HIV的四分之一。

其它的基因组学数据也也加强了【对】这种稳定性【的支持】——超过90000个【病毒】分离株已被测序并公开（见www.gisaid.org）。Lucy Van Dorp是一位伦敦大学学院的计算遗传学家【译注：即生物信息学家】，她主要致力于追踪那些能带来进化优势的【基因】差异。她说，世界上任何地方获得的两个SARS-CoV-2病毒在其【长达】29,903【个碱基】的基因组中最多也仅仅有10个RNA单字【译注：即单核苷酸】不同。

尽管这个病毒变异缓慢，研究者们还是从SARS-CoV-2的基因组中罗列出了超过12,000个【点】突变。然而，科学家们发现变异的速度要凌驾于他们能找出这些突变的意义的速度。许多突变对病毒的传染性或致病性毫无影响，因为它们不会改变【所编码的】蛋白质的形状，而那些确实会改变蛋白质的突变比起提高更可能会损害病毒【的适应性】（见‘A catalogue of coronavirus mutations’）。作为SARS-CoV-2基因组实时分析工程Nextstrain【译注：其实这个项目所搜集分析的远不止新冠病毒的信息，还包括其它多种微生物，我之前的文章也从上面扒过数据。大家有兴趣可以去看看，有条件可以去参与】的参与者，Hodcroft说：“破坏一件东西总比要修复它容易得多。”

图源： L. Van Dorp et al. (http://go.nature.com/3GSRNH6); Refs 2, 11, 12; B. E. Young et al. Lancet 396, 603–611 (2020)

许多研究者怀疑，如果增强这个病毒传播力的突变确实发生了，那它很可能在以前——也就是这个病毒第一次感染人类或开始在人际间迅速传播时——就已经发生了。在这个几乎所有地球人都是易感体的时刻，已经不会有什么选择压去推动病毒进化出更强的传染性了，所以即使有有益突变【出现】，可能也不会扩散开来。哈弗T. H. Chan公共健康学院（Boston, Massachusetts）的流行病学家William Hanage说：“对这个病毒来说，人人皆为鱼肉。它【在这方面】完全不需要变得更好了。“

更快的传播速度？

当Korber发现D614G快速扩散时，她想她或许发现了一个有【适应性进化】意义的自然抉择案例。这一突变之所以引起了她的注意是因为它位于刺突蛋白上，而后者正是中和抗体与该病毒结合以消除其感染性的位点。况且，带有这个突变的病毒发生的频率正在全世界不止一个地方上升。

带有D614G的病毒最初在一月下旬被发现于中国和德国；大部分科学家怀疑这个突变起源于中国。现在，这个突变大多会被和位于SARS-CoV-2基因组其它部分的【另外】三个突变一同发现，【而这】可能是大部分D614G病毒起源于一个共同祖先的证据。

D614G在欧洲的快速上升【同样是】引起Korber注意【的原因】。三月以前——即【欧洲】大陆大部分都在实施封锁之时——未变异的‘D’型病毒和变异的‘G’型病毒【译注：即新冠病毒的两个病毒株，或品系】都存在【于欧洲】，而遗传学家采样发现，D型病毒为当时大部分西欧国家所流行的病毒株。根据 Korber、Montefiori及其团队的报告[1，2]，在三月，G型病毒的出现频率在整个大陆【开始】上升；至四月为止，它们已经成为占绝大多数的毒株了。

但是，自然选择有利于G病毒并非对这种情况唯一的、甚或是最可能的解释。G型变种在欧洲大陆占统治地位【的原因】或许仅仅是出于偶然——例如，可能这个突变恰巧在传入欧洲的病毒中更常见那么一点。【由于】一小撮个体【译者：大概是指人，我不能完全确定】似乎导致了大部分的病毒传播事件，【因此】一个早期的倾向于【携带】G病毒的偶然性【传播】事件【也】可以解释该品系【为何能】在现在占主导地位。这种“建立者效应”在病毒中十分常见，尤其是在像SARS-CoV-2在三月中下旬传入欧洲时那种未被察觉的情况下。

通过显示D614G在加拿大、澳大利亚和米国部分地区快速成为统治毒株（【这项研究中】冰岛是个例外，其G病毒在爆发早期就被D病毒所取代了），Korber及其同事在他们四月份发表的预出版物中1尝试去排除建立者效应。通过分析来自英国谢菲尔德的住院数据，该团队没有发现任何关于该型病毒能够加重人们病情的证据。但是G病毒的感染者的鼻腔和口腔内的病毒RNA含量似乎要比D病毒的感染者更高。

许多科学家并不认同D614G的增长是一件什么大不了的事——或者干脆觉得这跟大流行无关。Sheahan说：“我认为这个预出版物【的内容】还很不成熟。”

Montefiori说，他和Korber关于D614G的观点受到了他们关于HIV工作的影响。而他们在那些研究中发现，就连最不起眼的变异都可能会对免疫系统的病毒识别【能力】产生深远的影响。“我们对它【译注：指D614G】保持警惕，将看看它会不会对疫苗产生影响。”他补充道。

快速推进的实验室研究

为了进一步研究D614G是否让这个病毒变得更具传染性，Montefiori在实验室中对它的效果进行了测试。因为【无法满足】特定的生物安全防护要求，他无法在他的实验室中研究天然的SARS-CoV-2病毒。所以他使用了一种能用SARS-CoV-2刺突蛋白感染细胞的转基因艾滋病毒进行研究。【译注：虽然HIV听起来很可怕，但其传染性限于体液，且传染力不高；这就导致了在生物安全等级的分类中，其威胁远逊于能够通过呼吸道传染的各种病原体。】这样的的“假病毒”颗粒是病毒实验室【研究活动】的中坚力量：它们让【人类对】对诸如埃博拉病毒之类致命性病原体进行安全研究成为现实，并让【人类】能轻易地测试突变的效果。

六月，来自Scripps Research研究所（La Jolla, California）的Hyeryun Choe和Michael Farzan首先对D614G假病毒实验做出了报告[5]。另外的几个团队【也】已经将类似的研究【内容】发表到了bioRxiv上（Montefiori以及另一位合作者的实验发表于《细胞》[2]）。这些团队运用不同的假病毒系统、对多种类别的细胞进行了测试，但实验结果都指向一个共同的结论：带有G突变的病毒要比D病毒更容易侵染细胞——在一些情况下，其【侵染】效率可能有高达十倍的差异。

马萨诸塞大学医学院（Worcester）的病毒学家Jeremy Luban说，在实验室测试中，“我们所有人都同意G比D让【病毒】颗粒传染性更强”。但这些研究也伴随着许多潜在的问题——那就是它们与人类感染之间的相关性不明。“令人气恼的是，有些人【拿着鸡毛当令箭，】把研究者们在严格的控制条件下得到的结果【强行】与这个大流行挂钩。而我们离能确定这点还有很长的路要走。”Grubaugh说到。【译者：建议各位自省一下，平时是否也常常会有同样的毛病？】在大多数情况下，假病毒只带有冠状病毒刺突蛋白。因此，这些实验也只是在检测这些病毒颗粒进入细胞的能力，而不是它们在细胞内会产生什么效果，更别提它们对于一个生物体的影响了。【同时，】它们也缺少其他三个D614G所具有的突变。Luban说：“一个基本点是：它们不是新冠病毒。”

现在，一些实验室正在用具有不同单氨基酸突变的、有感染性的SARS-CoV-2病毒进行研究。它们被用在了实验室培养的人体肺细胞和气管细胞上，以及像紫貂和仓鼠这些实验动物身上。Sheahan说，对于具有相关经验和生物安全能力来操控这些病毒的实验室而言，“这项工作就像为其量身定做的一般【容易】”。首个相关研究由德克萨斯大学医学系（Galveston）的研究者们于9月2日发表于一份预出版物上[6]。他们发现突变了的病毒在人类的肺细胞和气管组织中要比D病毒更具传染性，而且变异病毒在仓鼠的上呼吸道中含量更高[6]。

【但】就算这些实验可能也没有【让问题】变得完全明确。爱荷华大学（ Iowa City）的冠状病毒学家Stanley Perlman说，一些研究表明，某些中东呼吸系统综合征（MERS）病毒的刺突蛋白变异能够在小鼠中引起更严重的病症——而其它该蛋白的突变则几乎对人类和骆驼没什么影响，而后者很可能是人类MERS感染的【自然】病原库。

关于D614G对SARS-CoV-2在人类中扩散的效力有影响的最清晰证据出自一个雄心勃勃的、叫做“英国COVID-19基因组联合会”的英国团队，该团队已经分析了约25000个病毒样本的基因组。从这些数据中，研究人员已经辨别出了超过1300例病毒进入英国境内并传播的案例，【其中】既包括D型也包括G型病毒。

一个由英国爱丁堡大学的进化生物学家Andrew Rambaut、帝国理工学院的流行病学家Erik Volz以及卡迪夫大学的生物学家Thomas Connor所领导的团队研究了62个由D病毒和245个由G病毒在所引发的英国聚集性感染【案例】。研究者们没有发现感染这两种病毒的患者有任何临床【表现】上的不同。不过，G病毒要比没有携带变异的品系传播得稍快一点且造成了更大的聚集性感染。Volz说，据粗略估计，它们的传播效率大概有20%左右的不同，但实际的数值可能会略高或略低【于这个值】。Rambaut说：“对于【这个病毒的】绝对性质而言，这并没有什么大影响。”

他补充道，D614G可能是一个能帮助这个病毒侵染细胞或获得与其它未携带此突变的病毒的竞争优势的适应性变异，但对于SARS-CoV-2在人际间或种群内的传播影响甚微。Grubaugh说：“这或许的确是一个针对人体或人类细胞的适应性变异，但它并没有改变任何现状。一个适应性的突变并不一定要增强其传染力。”

Grubaugh认为，部分是由于D614G【的相关研究】产出了一批有影响力的论文，这个突变已然吸引了科学家们过多的目光了。他说：“科学家们被这些突变所疯狂吸引。”但是，他也将【对】D614G【的研究】看作是一个了解一种没有多少遗传多样性的病毒的途径。他说：“我作为病毒学家的一部分在看到这些东西时会说：这项研究一定会十分有趣，它孕育了许多值得深究的奇特现象。”

而他将不得不迎合这一趋势。Luban说，对D614G的深入研究应该会有助于解释SARS-CoV-2是如何与细胞融合的，而这一过程可能可以被药物阻碍或被疫苗所针对【译注：实际上应该是被药物或抗体所阻碍】。在他们发表于bioRxiv上的假病毒实验7月16日的更新中[8]，Luban的团队应用了冷冻电镜来分析带有D614G变异的刺突蛋白的结构。这个刺突蛋白由三个相同的、各自呈“开启”或“关闭”状态【译者：这里原文orientation，其实应该是comformation（构象）吧】的肽链组成。之前的研究显示，病毒颗粒要想与细胞膜融合，至少三个肽链中的两个 都需要呈开启状态。而Luban的团队发现，具有G型突刺变异的病毒呈现这个状态要容易得多（参见‘The mutation that loosens the spike protein’）。Montefiori和Korber研究中由Korber在LANL的同事Sandrasegaram Gnanakaran所领导的计算机建模工作，给出了相同的结论[10]。Luban说：“看上去这台分子机器【译注：指G病毒颗粒】进行了D所没有的优化。”

图源：Structural data from K. Shen & J. Luban

抗体尚可一战……吧？

大部分现有的证据表明，D614G并没有像Montefiori担心的那样阻碍免疫系统产生的中和抗体识别SARS-CoV-2。这或许是因为此种突变并没有发生在刺突蛋白的受体结合域（RBD）【译注：有些人会翻译为为位点，但’domain’译作蛋白质的域其实更接近原意】——一个很多中和抗体的靶向区域：而RBD与【宿主表面】细胞受体蛋白ACE2的结合是病毒进入细胞的关键一步。

但是，越来越多的证据表明，其它的突变可能将协助这个病毒避开部分抗体【的攻击】。一支由洛克菲勒大学（New York City）的病毒学家Theodora Hatziioannou和Paul Bieniasz所领导的团队修改了一种畜病病毒——口腔小泡病毒【译注：即vesicular stomatitis virus】的基因，使它能够使用SARS-CoV-2的刺突蛋白感染细胞，并在中和抗体的存在下生长。他们的【研究】目的是筛选出能够躲避抗体识别的刺突蛋白的变异。这个实验产生了能够抵抗从COVID-19康复患者的血液中所提取的、及正在研发中的单克隆抗体疗法中的抗体的刺突蛋白突变体。根据Hatziioannou、Bieniasz及其团队的报道，虽然这些突变中的每一个都【已经】从病人中分离的病毒序列中被发现，但是它们出现的频率还很低，这意味着这些突变还没有因正向选择而扩散开来[11]。

其他的科学家正在通过预测哪些突变可能【比较】重要来试图走在SARS-CoV-2的进化之前。西雅图Fred Hutchinson癌症研究中心（Washington）的进化病毒学家Jesse Bloom所领导的团队创造了接近4000种刺突蛋白的RBD突变，并且测量了这些替换会如何改变刺突蛋白及其与ACE2结合的能力。虽说大多数的突变都对【病毒的】这些性能没有影响或有负面效果，但有少量的【突变】提升了病毒的性能[12]。其中的一些已经在COVID-19的病人身上被检测到了，但Bloom的团队还没有发现任何针对这些变异的自然选择的迹象。他说：“很可能这个病毒与ACE2之间的结合已经足够好了。”*【译者：那是因为还没有足够的选择压。】

研究者们没有测试其中是否有任何突变能够使这个病毒阻碍抗体的功能，但是他的团队的结果显示这种可能性是存在的。Bloom说：“这个病毒获得能改变其对抗体其免疫的敏感性的突变【确实】是一个可能事件，但无论如何都不该被视作一个必然事件。”

基于对其它冠状病毒所积累的经验，这一过程或将长达数年。对横跨多个季度的普通感冒冠状病毒的样本进行的研究揭示出一些【病毒】应对免疫的进化迹象。不过，病毒学与免疫学研究所（德国波恩）的RNA病毒学家Volker Thiel说，这个变化的速率是缓慢的，“这些病毒株多少还会保持稳定。”

当世界上大部分【人】仍然处于SARS-CoV-2的易感状态时，免疫不太可能对这个病毒的进化产生什么重大影响。然而，Sheahan说，当整个种群开始获得免疫力时——不论【这种免疫力】是通过感染还是接种疫苗【产生的】——能规避免疫的突变的缓慢而稳定的扩散可以帮助SARS-CoV-2【在人群中】永久地立足，并有大概率在那些因之前的感染或接种而存有残余免疫力的个体中引发轻症。“如果这个病毒作为一种更普通的、引发感冒的冠状病毒而存在，我不会感到惊讶。”但是也可能，我们针对包括SARS-CoV-2在内的冠状病毒感染的免疫反应，并没有强到或持续到产生能够显著改变这些病毒的选择压的程度。

如果抗体疗法被滥用，也可能导致【这些】令人担心的突变变得更常见。例如，如果罹患COVID-19的人【都】接受一种抗体【的治疗】，而这种抗体能够被一个病毒突变所抑制。研究者们表示，单克隆抗体的鸡尾酒疗法——即其中每一个都可以识别刺突蛋白的多个区域【译注：原文如此。但应是作者理解有误，鸡尾酒疗法的实际上应为：每个抗体能识别刺突蛋白的一个不同区域，当复合使用时可以确保有效抑制所有病毒。】——或许可以降低某一突变被自然选择而固定的概率。疫苗则不会引发这么多这方面的担忧，因为它们就如人体的天然免疫反应一样能产生一系列【不同】的抗体。

在Montefiori的团队发表于七月的一份研究中发现，D614G突变甚至有可能让其更容易成为疫苗【译注：原文如此。实际应为免疫系统产生的抗体】的目标[13]。#接受了包括纽约辉瑞制药（Pfizer）所研发的一种疫苗在内的【译者：这段好突兀，感觉作者是不是收了辉瑞的钱？】众多实验性RNA疫苗中的一种的小鼠、猴子和人所产生的抗体被证明，其阻挡G病毒的能力比阻挡D病毒的能力更强。

Montefiori说，在如今G病毒随处可见的情形下，这项发现是个好消息。但是作为一个观察过HIV通过变异来规避多种针对它的病毒的疫苗的科学家来说，他对SARS-CoV-2躲过人体免疫反应的潜在可能保持警惕。Luban同意道：“我们需要对额外的变化保持关注。”

参考文献

1.

Korber, B. et al. Preprint at bioRxiv https://doi.org/10.1101/2020.04.29.069054 (2020).

2.

Korber, B. et al. Cell 182, 812–827 (2020).

3.

Grubaugh, N., Hanage, W. & Rasmussen, A. Cell 182, 794–795 (2020).

4.

Muth, D. et al. Sci. Rep. 8, 15177 (2018).

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Zhang, L. et al. Preprint at bioRxiv https://doi.org/10.1101/2020.06.12.148726 (2020).

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Plante, K. et al. Preprint at bioRxiv https://doi.org/10.1101/2020.09.01.278689 (2020).

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Volz, E. M. et al. Preprint at bioRxiv https://doi.org/10.1101/2020.07.31.20166082 (2020).

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Yurkovetskiy, L. et al. Preprint at bioRxiv https://doi.org/10.1101/2020.07.04.187757 (2020).

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Wrapp, D. et al. Science 367, 1260–1263 (2020).

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Mansbach, R. A. et al. Preprint at bioRxiv https://doi.org/10.1101/2020.07.26.219741 (2020).

11.

Weisblum, Y. et al. Preprint at bioRxiv https://doi.org/10.1101/2020.07.21.214759 (2020).

12.

Starr, T. N. et al. Cell 182, 1295–1310 (2020).

​13.

Weissmann, D. et al. Preprint at bioRxiv https://doi.org/10.1101/2020.07.22.20159905 (2020).

原文信息：

Nature 585, 174-177 （2020）

doi: 10.1038/d41586-020-02544-6

https://www.nature.com/articles/d41586-020-02544-6