Undersøgelse opdager skjulte mekanismer bag hurtige COVID-varianter

Undersøgelse opdager skjulte mekanismer bag hurtige COVID-varianter

SARS-CoV-2-virussen, der forårsager COVID, har den foruroligende evne til ofte at skabe varianter af sig selv. Andre vira muterer også, men da SARS-CoV-2 spredte sig hurtigt i hele den menneskelige befolkning under pandemien og dræbte millioner af mennesker, udgjorde den dynamiske udvikling af virussen et alvorligt problem: den udfordrede gentagne gange vores krops immunrespons i kampen mod virussen og hindrede processen med at levere opdaterede vacciner.

At forstå den genetiske mekanisme, der driver SARS-CoV-2's evne til at generere varianter, kan gå langt i retning af at holde COVID i skak. I denne undersøgelse offentliggjort iNaturlig mikrobiologiForskere fra Baylor College of Medicine og samarbejdende institutioner udviklede en ny teknologi kaldet tARC-seq, som afslørede en genetisk mekanisme, der påvirker SARS-CoV-2 divergens og gjorde det muligt for holdet at beregne mutationshastigheden af ​​SARS-CoV-2. Ved hjælp af tARC-seq opdagede forskere i laboratoriet også nye mutationer i SARS-CoV-2 i inficerede celler, hvilket opsummerer observationer fra globale pandemiske virussekventeringsdata. Resultaterne kan være nyttige til overvågning af virusudvikling i den menneskelige befolkning.

SARS-CoV-2-virussen bruger RNA i stedet for DNA til at lagre sin genetiske information. Vores laboratorium har længe været interesseret i at studere RNA-biologi, og da SARS-CoV-2 dukkede op, besluttede vi at studere processen med RNA-replikation, som typisk er tilbøjelig til fejl i RNA-vira."

Dr. Christophe Herman, tilsvarende forfatter og professor i molekylær og human genetik, Baylor College of Medicine

Forskerne ønskede at spore RNA-replikationsfejl, fordi de er afgørende for at forstå, hvordan virussen udvikler sig, ændrer sig og tilpasser sig, når den spredes gennem den menneskelige befolkning. De nuværende metoder manglede imidlertid præcisionen til at detektere sjældne nye SARS-CoV-2-mutationer, især i prøver med et lille antal vira, for eksempel fra patienter.

"Fordi prøver fra patienter indeholder meget få SARS-CoV-2 RNA-kopier, er det svært at skelne mellem fejlene i SARS-CoV-2 RNA-afhængig RNA-polymerase (RdRp), enzymet, der laver kopier af denne viruss RNA, og fejlene i de andre enzymer, der bruges i sekvensanalysen," sagde L Hermans Cancer Comprehensive Cancer Center. "Vi har udviklet en teknik, vi kalder Targeted Accurate RNA Consensus Sequencing (tARC-seq), der giver os mulighed for at måle reelle fejl i kopiering af specifikt RNA, der er til stede i meget små mængder."

Et nyt perspektiv på driverne bag SARS-CoV-2 variant diversitet

Den oprindelige tanke var, at fordi SARS-CoV-2 har en intern mekanisme til at reparere de fejl, som RdRp laver, skulle virussen ikke udvikle sig eller mutere meget hurtigt.

"Denne idé stod i kontrast til det faktum, at nye COVID-varianter ofte dukkede op rundt om i verden under pandemien," sagde Herman. "Siden starten på pandemien har vi set en række fremtrædende varianter, herunder Alpha, Beta, Delta og Omicron, samt varianter inden for disse grupper."

Ved hjælp af deres forbedrede analyseværktøj bestemte Herman og hans kolleger præcist mutationsfrekvensen af ​​SARS-CoV-2 og typerne af mutationer, både i cellekulturer i laboratoriet og i kliniske prøver. "Vi fandt ud af, at mutationsraten var højere end oprindeligt forventet, og dette forklarer den hyppige fremkomst af COVID-varianter," sagde Herman.

De opdagede også, at der er hotspots i SARS-CoV-2 RNA, steder der er mere modtagelige for mutationer end andre. "For eksempel har vi identificeret et hotspot i RNA-regionen, der svarer til spidsproteinet, det protein, der tillader virussen at trænge ind i cellerne. Derudover består RNA'et af spidsproteinet af mange vacciner," sagde Herman.

tARC-seq-metoden afslørede også, at generationen af ​​nye varianter involverede skabelonskift. "Vi fandt ud af, at når en RNA-skabelon eller -sekvens kopieres, springer RdRp til en anden skabelon på en nærliggende virus og fortsætter derefter med at kopiere RNA'et, så den resulterende nye RNA-kopi er en blanding af begge RNA-skabeloner," sagde Herman. "Dette skabelonskifte fører til sekvensindsættelser eller deletioner, der fører til viral variabilitet. Vi observerede også komplekse mutationer. SARS-CoV-2 udnytter disse to kraftfulde biologiske mekanismer, skabelonskift og komplekse mutationer, som muliggør hurtig evolution." Generering af varianter for at tilpasse sig og fortsætte i menneskelige befolkninger."

"Det var interessant og spændende at se, at tARC-seq gav os mulighed for at fange fremkomsten af ​​nye mutationer i laboratoriecellekulturer, der rekapitulerer mutationerne observeret med globale pandemiske sekventeringsdata," sagde Herman. "Vores nye teknologi fanger et øjebliksbillede af nye mutationer i kliniske prøver fra individuelle patienter og kan være nyttig til at overvåge virusudvikling i den menneskelige befolkning."

Hovedforfatter Catherine C. Bradley, Chen Wang, Alasdair JE Gordon, Alice X. Wen, Pamela N. Luna, Matthew B. Cooke, Brendan F. Kohrn, Scott R. Kennedy, Vasanthi Avadhanula, Pedro A. Piedra, Olivier Lichtarge, Chad A. Shaw og Shannon E. Ronca er bidragydere til dette værk. Forfatterne er tilknyttet en eller flere af følgende institutioner: Baylor College of Medicine, University of Washington og Texas Children's Hospital.

Undersøgelsen blev støttet af National Institutes of Health-bevillinger R01GM088653, 3R01AG061105-03S1, 1R21CA259780 og 1R21HG011229 og National Science Foundation-bevilling DBI-2032904.

Kilder: