MBE | 中国学者揭示新冠病毒变异在宿主内/间的拮抗演化特性

2023-09-24 00:09

2023年9月14号，中山大学吴仲义/文海军团队联合广州医科大学附属市八医院李锋/唐小平团队在 Molecular Biology and Evolution 杂志上发表了题为 Intra- vs. inter-host evolution of SARS-CoV-2 driven by uncorrelated selection - The evolution thwarted 的文章，该文章发现新冠病毒的变异在宿主内和宿主间两个演化阶段存在一定的拮抗性，该拮抗演化特性可能是高传播力变异株出现和流行的主要进化驱动力。

新冠病毒的演化主要分两个阶段：第一阶段是在宿主内，涉及病毒颗粒的组装，复制效率等；第二阶段是在宿主间，涉及病毒在空气中的存活时间，病毒的感染效率等。新变异在两个阶段所受到选择压力是否存在相关性，将直接影响病毒的进化效率。若两个阶段所受的驱动力存在正相关，即某变异在宿主内有明显的复制增殖优势，同时在个体间也具备传播的优势，那么病毒能够快速地累积和固定新的变异；反之，若变异在在两个阶段存在一定的拮抗性，那么病毒的进化效率则会有所减缓。

为了探讨病毒在宿主内和宿主间两阶段所受进化驱动力的区别，研究者收集了2021年5月在广州发生的Delta变异株集群感染的数据，把个体内基因组数据和传播对信息结合起来，跟踪变异在个体内和个体间的演进动态。研究者从79个新冠病人中鉴定出116个变异（图1），同时根据变异在病人中出现的次数，将116个变异分成三类：private（只在一个病人中检测到），public（在2-78个病人出现），global（在所有79个病人均被检测到）。有趣的是，研究者发现不少变异首次在某病人出现时，通常以高频的形式被检测到的，即变异短时间内就在宿主内完成了从发生（低频）到频率快速增长的转变，表示该变异在个体内有一定的选择优势。然而这些变异往往只出现在一个或极少数个体中，表明其在宿主间传播的局限性。这些证据表明，变异在个体内的选择优势似乎无法转换成个体间的传播优势，即变异在宿主和宿主间两个阶段所受的进化驱动力可能存在一定拮抗性。

图 1. 新冠病毒变异在79个集群感染病人的频率分布。

为了进一步验证变异在宿主内和宿主间的拮抗演化性，研究者统计了非同义突变（A）和同义突变(S)数目在两个阶段的变化动态（图2），从两个层面来探讨拮抗演化的特性。首先是个体内层面，研究者发现随着变异在宿主内频率的升高，A:S的比值也逐渐变大（从21:11，11:11到9:0），表示宿主内高频出现的变异在宿主内复制增殖过程有一定的选择优势。然而在个体间传播阶段，这些高频变异（宿主内频率大于0.9），随着传播人数的增加，其A:S比值则明显下降，由单个病人检测到的9:0转换多个病人的1:3，表明有利的非同义突变在个体间传播过程反而更容易丢失。以足球比赛打比方，个体内演化过程比作小组赛，个体间传播过程比作淘汰赛，在小组赛阶段表现相对优越的红队（对应非同义突变），在淘汰赛阶段反而被快速淘汰。

图 2. 非同义突变（红色）和同义突变（蓝色）数目在宿主内和宿主间的分布。

此外，基于变异在宿主内和宿主间的拮抗演化特性，研究者提出了高传染性变异株出现和流行的可能演化模型（图3）。在该模型中，变异主要分三类。第一类是在宿主内有利，但在宿主通常有害的变异，这种变异在宿主内以高频的形式存在，但在个体间不易传播。第二类变异是在宿主内中等有利，但在宿主间中性或轻微有害的，该变异在宿主内的频率会逐渐升高，且因为传播瓶颈等随机性，偶尔在多个个体中被检测到。第三类是在宿主间传播有利的突变，但该类突变往往无法突破宿主内瓶颈。变异的拮抗性导致某些有害突变能够以中低频的形式存在人群中，极大保留了遗传的多样性，给病毒变异发生组合提供了机会。当第二类和第三类变异发生特定的组合时，就有可能形成在个体内和个体间整体有利的、高传播力的变异株。

图 3. 高传播力变异株的拮抗演化模型。

中山大学生命科学学院博士生侯眉和广州医科大学附属市八医院博士生石静蓉为论文的共同第一作者，中山大学阮永森副研究员、吴仲义教授和广州医科大学附属市八医院李锋研究员、唐小平教授为论文的共同通讯作者。

原文链接：https://academic.oup.com/mbe/advance-article/doi/10.1093/molbev/msad204/7273775

来源：BioArtMED

小编微信

注：添加小编请备注昵称+单位+研究

生命科学综合交流QQ群:681341860

微信学科群：病毒学群，神经科学群、临床医学、肿瘤学科群、硕博交流群和医药投资交流群（微信群审核要求较高，请各位添加小编后主动备注单位研究方向）

微信扫码关注该文公众号作者

戳这里提交新闻线索和高质量文章给我们。

来源: qq

点击查看作者最近其他文章