Группа ученых из Португалии недавно оценила скорость мутации в двух циркулирующих вариантах коронавируса 2 тяжелого острого респираторного синдрома (SARS-CoV-2), используя методы экспериментальной эволюции. Их результаты показывают, что в условиях отсутствия иммунного надзора SARS-CoV-2 потенциально может эволюционировать на первых этапах инфекции. В настоящее время исследование доступно на сервере препринтов bioRxiv *.

]

Справочная информация

Приобретение мутаций является основной движущей силой вирусной эволюции. Прогнозируемость вирусной эволюции можно оценить, оценив скорость геномных мутаций. ДНК-вирусы обычно демонстрируют постоянную скорость мутаций, в то время как РНК-вирусы широко различаются по скорости мутаций. В патогенах мутации возникают в ответ на давление отбора, включая терапевтические средства, типы клеток и иммунные ответы хозяина. В течение жизненного цикла вируса постепенное накопление мутаций при положительном отборе приводит к появлению новых вирусных вариантов с улучшенной приспособленностью.

С момента появления в декабре 2019 года в Китае SARS-CoV-2, возбудитель коронавирусной болезни 2019 года (COVID-19), претерпел более 12 000 мутаций. Большинство этих мутаций присутствует в гликопротеине шипа. Однако фактическая скорость мутации SARS-CoV-2 неизвестна.

В текущем исследовании ученые выполнили экспериментальную эволюцию вместе с секвенированием всего генома в вариантах SARS-CoV-2 для оценки скорости геномных мутаций, а также для характеристики накопления мутаций вдоль вирусного генома.

Для экспериментов они выбрали два циркулирующих варианта SARS-CoV-2: исходный вирусный штамм с шипом D614 и мутантный вариант с шипом G614. Спайковая мутация D614G, охарактеризованная в исследовании, возникла на ранней стадии пандемии и вызвала значительную индукцию вирусной инфекционности. Вскоре после появления варианты с мутацией D614G стали преобладающими во всем мире.

Важные наблюдения

Варианты SARS-CoV-2, изолированные от двух пациентов с COVID-19, непрерывно размножались в клетках. Зараженные вирусом клетки высевали на 96-луночный планшет и пассировали в течение 15 дней, что привело к получению 96 вирусных линий для каждого вирусного варианта.

Для варианта D614 размножение 96 линий привело к накоплению 1753 новых мутаций; из них 415 были синонимичными мутациями, 971 – несинонимичными мутациями, 367 – другими типами мутаций. Анализируя накопленные мутации и их частоту на 15-м пассаже, ученые оценили скорость мутаций 3,7х10 ^-6 на геном за цикл заражения для линии D614

.

Для варианта G614 размножение 96 линий привело к накоплению 6 181 новой мутации; из которых 724 были синонимичными мутациями, 4313 были несинонимичными мутациями, 1144 были другими типами мутаций. Примечательно, что ученые наблюдали появление вируса-мутатора в некоторых линиях варианта G614. У этих мутаторов было значительно больше мутаций, чем у немутаторов. Исключая мутаторы, они оценили частоту мутаций 2,9×10 ^-6 на геном за цикл заражения для линии G614. Статистический анализ показал, что разница в частоте мутаций между вариантами D614 и G614 небольшая, но значимая. Если предположить, что все мутации нейтральны, эти результаты указывают на снижение частоты мутаций для геномного фона G614.

В ходе дальнейшего анализа ученые определили, что мутации, накапливающиеся в РНК-зависимой РНК-полимеразе и / или корректирующем ошибки экзонуклеазе, могут быть ответственны за появление вирусов-мутаторов.

Дизайн экспериментальной эволюции и предки. а, Схема экспериментального дизайна экспериментов по накоплению мутаций, в которых два вирусных фона размножались в клетках Vero (создано с помощью BioRender.com). b. Мутации и их частота в клинических изолятах и ​​их соответствующих производных предках для размножения. Для простоты рисунка комплексные мутации, указанные на рисунке звездочкой, соответствуют: 8869-75_TTTGCCT> CAAACCA; 17543-56_TGTTCCTCGGAACT> AGTTCCGAGGAACA; 25314-17_GATC> TATG; 26714-23_TTTTGTGCTT> -GTTGTAC -;

Проведя серию имитационных экспериментов, ученые наблюдали значительные различия в скорости накопления мутаций вдоль вирусного генома. Кроме того, они заметили, что среди различных областей генома вариантов D614 и G614 ген шипа имеет самую высокую скорость накопления мутаций. Для варианта D614 они обнаружили, что частота спайковых мутаций почти в 5 раз выше, чем в среднем по геному. Однако для варианта G614 наблюдалась значительно более низкая частота спайковых мутаций.

Что касается типов мутаций, ученые наблюдали самый высокий уровень накопления несинонимичных мутаций в гене шипа как у вариантов D614, так и у G614. Взятые вместе, эти наблюдения показывают, что во время распространения вируса в клетках эволюция спайков формируется естественным отбором.

Путем количественной оценки уровня конвергенции между двумя вариантами они выявили, что 17 сайтов и 3 небольших участка в гене шипа демонстрируют эволюционную конвергенцию на нуклеотидном уровне. На аминокислотном уровне 20 сайтов и 3 области показали конвергенцию. В частности, они наблюдали, что три различные делеционные мутации возникали несколько раз в сайте расщепления шипа S1 / S2 (сайт расщепления фурином) для обоих вариантов. Проведя дальнейший анализ, они предположили, что конформационные изменения, связанные с мутацией шипа D614G, могут влиять на эволюцию вируса в направлении устранения сайта расщепления фурином.

Значение исследования

Исследование показало, что частота спонтанных мутаций SARS-CoV-2 составляет 0,1 на геном за цикл заражения. Важно отметить, что SARS-CoV-2 с более высокой частотой мутаций может появиться в течение 15 дней после его пролиферации в клетках.

В целом, исследование подчеркивает способность SARS-CoV-2 адаптироваться к новым условиям посредством конвергентной эволюции конкретных спайковых мутаций.