Картографиране на траекторията на еволюцията на SARS-CoV-2 вътре в хоста

В скорошно проучване, публикувано в bioRxiv* сървър за предварителен печат, изследователи в Съединените щати картографираха траекторията на еволюцията на инфекцията с остър остър остър респираторен синдром с коронавирус 2 (SARS-CoV-2) в рамките на хоста.

Проучвания: Еволюционна динамика в рамките на гостоприемника и компартментализация на тъканите по време на остра SARS-CoV-2 инфекция. Кредит на изображението: ktsdesign / Shutterstock

Заден план

Мащабните усилия за цялостно геномно секвениране в глобален мащаб и филогенетични анализи на клинични проби по време на пандемията на коронавирусната болест 2019 (COVID-19) са уловили глобалната еволюционна динамика на SARS-CoV-2. Въпреки това, липсва разбиране на еволюционната динамика на SARS-CoV-2 в гостоприемника.

Въпреки че няколко проучвания преди това са уловили динамиката на SARS-CoV-2 в рамките на гостоприемника, но са фокусирани само върху имунокомпетентни гостоприемници. Тези проучвания показват ниско разнообразие в рамките на гостоприемника, като повечето проби съдържат 15 или по-малко вътре-гостоприемни еднонуклеотидни варианти (iSNVs). Заедно данните от тези проучвания показват, че предизвиканата от селекция поява на iSNV до висока честота по време на остра инфекция вероятно е рядка. Като цяло липсва профил с висока разделителна способност на еволюционната динамика на SARS-CoV-2 в хоста.

Освен това остава слабо разбрано как съществуващият имунитет, предизвикан чрез ваксинация или предишна инфекция, влияе върху еволюцията на SARS-CoV-2 вътре в гостоприемника. По-важното е, че е необходимо характеризиране на потенциала за поява на варианти за избягване на имунитета при имунно-компетентни индивиди с различни статуси на ваксинация.

Относно проучването

В настоящото проучване изследователите наеха 32 студенти, преподаватели и служители в Университета на Илинойс в Съединените щати (САЩ) за надлъжно вземане на проби, което позволи откриване на вариант с висока степен на доверие на SARS-CoV-2, за да разкрие еволюционната динамика, пренебрегвана от по-малко чести стратегии за вземане на проби. От тези 32 участници в проучването 20 са били наивни индивиди, а 12 са имали вече съществуващ имунитет, придобит чрез ваксинация или естествена инфекция със SARS-CoV-2. От всеки индивид, екипът събираше назални тампони и слюнка от среднокрайни (MT) носни тампони както от нелекувани, така и от имунни индивиди ежедневно за многократни измервания на iSNV честотите по време на ранната фаза на инфекция. По този начин те генерират профили с висока разделителна способност на динамиката на iSNV между тъканните отделения и временно.

Резултати от проучването

Индикациите за силна положителна селекция са редки в кохортното проучване. Въпреки това, изследователите отбелязват доста несинонимни замествания, включително N: P67S, S: Q677H и ORF1ab: P5402H от под границата на откриване до висока честота. Заместването при S: Q677 се появи независимо в множество подлинии на SARS-CoV-2 по целия свят, подкрепяйки, че мутациите на това място могат да имат еволюционно предимство. Честотата на S: Q677H е била 56,5%, когато асоциираният участник в проучването е имал откриваем инфекциозен вирусен товар в назален тампон, което показва потенциала за предаване напред на този iSNV.

Освен това, авторите наблюдават конкуренция между S: Q677H и S: P681H замествания в рамките на един и същи индивид, като S: Q677H се появява до висока честота за известно време в ден, в който първоначално фиксираната честота на S: P681H намалява. Въпреки това, наблюдаваната реверсия към генотип само за S: P681H след ден 7 показва, че селективното предимство, предоставено от S: P681H, е по-голямо от това на S: Q677H. Широкото разпространение на линиите на SARS-CoV-2, съдържащи S: P681H, в сравнение с S: Q677H допълнително подкрепя фитнес предимството, предоставено от тази мутация.

Освен това, картографирането на генома разкрива натрупването на множество горещи точки от несинонимни мутации, различаващи се между наивни и имунни индивиди. Наблюдаваното обогатяване на аминокиселинните замествания непосредствено нагоре от мястото на разцепване на шиповата субединица 1 (S1) / S2 на SARS-CoV-2 показва, че този регион може да бъде обект на по-силна селекция в рамките на гостоприемника при хора. Следователно, при наивни индивиди, те идентифицират горещи точки при остатъци 402-457 в ORF1ab и 655-681 в S, директно в непосредствена близост до мястото на разцепване на S1 / S2. Заместванията на местата на разцепване на S1 / S2 са характерни характеристики на линиите Omicron, Delta и Alpha SARS-CoV-2. Скорошно проучване на Y. Liu et al. демонстрира, че заместванията в мястото на разцепване S1 / S2 са отговорни за повишената относителна годност на варианта Delta в сравнение с Alpha.

Висока плътност на нуклеокапсидни (N) генни замествания в участниците в имунното проучване допълнително потвърди предишни данни, предполагащи значението на N гена по време на адаптацията на човека. Съответно, изследователите наблюдават гореща точка на натрупване на мутация в N: 199-204.

Разнообразие на единичен нуклеотиден вариант (iSNV) в рамките на гостоприемника в сравнение между проби и индивиди.  (A) Общият брой на iSNV за всяка проба от всеки неваксиниран участник.  Светлосивите полета показват общия брой на iSNV за всички проби, а хоризонталните черни линии показват броя на споделените iSNV за всеки участник.  (B) iSNV се брои за имунните участници.  (C) Брои на iSNV за отделни проби с Ct <25 от наивни участници като функция на броя дни след записването (Коригиран R-квадрат = 0,05007, p = 0,02255).  Линията представлява линейна регресия.  (D) iSNV брои за отделни проби с Ct <25 от имунни участници като функция на броя дни след записването (коригиран R-квадрат = 0,2857, p = 0,006359).  Линията представлява линейна регресия.

Разнообразие на единичен нуклеотиден вариант (iSNV) в рамките на гостоприемника в сравнение между проби и индивиди. (A) Общият брой на iSNV за всяка проба от всеки неваксиниран участник. Светлосивите полета показват общия брой на iSNV за всички проби, а хоризонталните черни линии показват броя на споделените iSNV за всеки участник. (B) iSNV се брои за имунните участници. (C) Брои на iSNV за отделни проби с Ct <25 от наивни участници като функция на броя дни след записването (Коригиран R-квадрат = 0,05007, p = 0,02255). Линията представлява линейна регресия. (D) iSNV брои за отделни проби с Ct <25 от имунни участници като функция на броя дни след записването (коригиран R-квадрат = 0,2857, p = 0,006359). Линията представлява линейна регресия.

Изследователите също наблюдават няколко общи мутации в нетранслираните региони на генома на SARS-CoV-2, като трите основни нетранслирани региона (3 ‘UTR). Най-честата е замяна на t29760c в 3’UTR, споделена между девет наивни индивида. Бъдещите проучвания трябва да проучат дали повтарящите се UTR мутации, наблюдавани в настоящото проучване, засягат годността на SARS-CoV-2 в гостоприемника.

Освен това, множество участници в проучването са имали екстремни флуктуации при или близо до iSNV. Те рязко паднаха под границата на откриване и се върнаха към високите честоти дни по-късно. Вероятно се дължи на пространствено структуриране, както е описано за грипния вирус от Amato et al. 2021. Пространственото структуриране насърчава флуктуациите, предизвикани от дрейф, в пробните iSNVs поради ефекти на тесни места, потенциално възникващи от некачествено вземане на проби от вирусната популация. Тази констатация допълнително подчертава предимствата на надлъжното вземане на проби.

И накрая, изследователите наблюдават значително разделяне на тъканите между устната и назалната среда по време на инфекцията със SARS-CoV-2 при някои участници в проучването. Това обяснява защо вземането на проби от единично тъканно място може да не предостави пълна картина на разнообразието на SARS-CoV-2 в рамките на гостоприемника.

Заключения

Данните от проучването предоставят профил с висока разделителна способност на еволюционната динамика на SARS-CoV-2 в гостоприемника. Резултатите от проучването показаха, че еволюцията на SARS-CoV-2 в гостоприемника както при наивни, така и при имунизирани индивиди изглежда се движи главно от стохастични сили по време на остри инфекции. В допълнение, изследователите идентифицират мутационни горещи точки в генома на SARS-CoV-2, в съответствие с натиска на селекция, който насърчава появата на iSNVs, способни да предават по-нататък.

Освен това, те също така откриха значителна тъканна компартментализация на SARS-CoV-2 между назални тампони и проби от слюнка при много индивиди. Освен това, повтарящото се откриване както на успешни, така и на не толкова успешни iSNV в глобален мащаб показва области на съюз и несъответствие между селективния натиск в рамките на хоста и между него. Тези данни хвърлят светлина върху силите, оформящи глобалните модели на еволюцията на SARS-CoV-2.

* Важно съобщение

bioRxiv публикува предварителни научни доклади, които не са рецензирани и следователно не трябва да се считат за убедителни, насочващи клиничната практика/поведение, свързано със здравето, или третирани като установена информация.

Референтен журнал:

  • Еволюционна динамика в рамките на гостоприемника и компартментализация на тъканите по време на остра SARS-CoV-2 инфекция, Мирей Фарджо, Катя Коле, Майкъл А. Мартин, Лора Л Гибсън, Кимбърли КО Уолдън, Глория Рендън, Кристофър Дж. Филдс, Фади Алнаджи, Никълъс Галахър, Чун Хуай Луо, Хеба Х. Мостафа, Юкари С. Манабе, Андрю Пекос, Ребека Лий Смит, Дейвид Д. Макманъс, Кристофър Б. Брук, bioRxiv предварителен печат 2022 г., DOI: https://doi.org/10.1101/2022.06.21.497047,, https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2022.06.21.497047v1

.