Tutkimus löytää piilotetun mekanismin nopeiden COVID-muunnelmien takana

Tutkimus löytää piilotetun mekanismin nopeiden COVID-muunnelmien takana

COVID-viruksen aiheuttavalla SARS-CoV-2-viruksella on häiritsevä kyky luoda usein muunnelmia itsestään. Myös muut virukset mutatoituvat, mutta kun SARS-CoV-2 levisi nopeasti koko väestöön pandemian aikana ja tappoi miljoonia ihmisiä, viruksen dynaaminen kehitys aiheutti vakavan ongelman: se haastoi toistuvasti kehomme immuunivasteen taistelussa virusta vastaan ​​ja esti päivitettyjen rokotteiden toimittamista.

Sen geneettisen mekanismin ymmärtäminen, joka ohjaa SARS-CoV-2:n kykyä tuottaa muunnelmia, voi auttaa pitämään COVIDin loitolla. Tässä vuonna julkaistussa tutkimuksessaLuonnollinen mikrobiologiaBaylor College of Medicinen ja yhteistyössä toimivien laitosten tutkijat kehittivät uuden teknologian nimeltä tARC-seq, joka paljasti geneettisen mekanismin, joka vaikutti SARS-CoV-2:n eroihin ja antoi tiimille mahdollisuuden laskea SARS-CoV-2:n mutaationopeuden. Laboratorion tutkijat havaitsivat tARC-seq:n avulla myös uusia mutaatioita SARS-CoV-2:ssa tartunnan saaneista soluista ja tiivistivät maailmanlaajuisen pandemian virussekvensointitiedoista saadut havainnot. Tulokset voivat olla hyödyllisiä seurattaessa virusten kehitystä ihmispopulaatiossa.

SARS-CoV-2-virus käyttää RNA:ta DNA:n sijasta geneettisen tietonsa tallentamiseen. Laboratoriomme on pitkään ollut kiinnostunut RNA-biologian tutkimisesta, ja kun SARS-CoV-2 syntyi, päätimme tutkia sen RNA-replikaatioprosessia, joka on tyypillisesti virhealtista RNA-viruksissa.

Tri Christophe Herman, vastaava tutkimuksen kirjoittaja ja molekyyli- ja ihmisgenetiikan professori, Baylor College of Medicine

Tutkijat halusivat seurata RNA:n replikaatiovirheitä, koska ne ovat ratkaisevan tärkeitä sen ymmärtämisessä, miten virus kehittyy, muuttuu ja mukautuu leviäessään ihmispopulaatiossa. Nykyisistä menetelmistä puuttui kuitenkin tarkkuus harvinaisten uusien SARS-CoV-2-mutaatioiden havaitsemiseksi, erityisesti näytteistä, joissa oli pieni määrä viruksia, esimerkiksi potilaista.

"Koska potilaiden näytteet sisältävät hyvin vähän SARS-CoV-2 RNA-kopioita, on vaikea erottaa SARS-CoV-2 RNA-riippuvaisen RNA-polymeraasin (RdRp), entsyymin, joka tekee kopioita tämän viruksen RNA:sta, virheitä ja muiden sekvenssianalyysissä käytettyjen entsyymien virheitä", sanoi Herman, Dan L Can Duncan Compare Centerren jäsen. "Olemme kehittäneet tekniikan, jota kutsumme Targeted Accurate RNA Consensus Sequencing (tARC-seq), jonka avulla voimme mitata todellisia virheitä kopioitaessa tiettyä RNA:ta, jota on läsnä hyvin pieniä määriä."

Uusi näkökulma SARS-CoV-2-muunnelmien monimuotoisuuden tekijöihin

Alkuperäinen ajatus oli, että koska SARS-CoV-2:lla on sisäinen mekanismi RdRp:n tekemien virheiden korjaamiseksi, viruksen ei pitäisi kehittyä tai mutatoitua kovin nopeasti.

"Tämä ajatus oli ristiriidassa sen tosiasian kanssa, että uusia COVID-variantteja ilmaantui usein ympäri maailmaa pandemian aikana", Herman sanoi. "Pandemian alun jälkeen olemme nähneet useita merkittäviä muunnelmia, mukaan lukien Alpha, Beta, Delta ja Omicron, sekä muunnelmia näiden ryhmien sisällä."

Parannetun analyysityökalunsa avulla Herman ja hänen kollegansa määrittelivät tarkasti SARS-CoV-2:n mutaatiotaajuuden ja mutaatiotyypit sekä laboratoriosoluviljelmissä että kliinisissä näytteissä. "Huomasimme, että mutaationopeus oli korkeampi kuin alun perin odotettiin, ja tämä selittää COVID-varianttien toistuvan ilmaantumisen", Herman sanoi.

He havaitsivat myös, että SARS-CoV-2-RNA:ssa on hotspotteja, paikkoja, jotka ovat muita herkempiä mutaatioille. "Esimerkiksi tunnistimme RNA-alueelta hotspotin, joka vastaa piikkiproteiinia, proteiinia, joka mahdollistaa viruksen pääsyn soluihin. Lisäksi piikkiproteiinin RNA koostuu monista rokotteista", Herman sanoi.

tARC-seq-menetelmä paljasti myös, että uusien varianttien luomiseen liittyi mallien vaihto. "Havaitsimme, että kun yksi RNA-templaatti tai -sekvenssi kopioidaan, RdRp hyppää toiseen templaattiin läheisessä viruksessa ja jatkaa sitten RNA:n kopioimista, joten tuloksena oleva uusi RNA-kopio on sekoitus molempia RNA-templaatteja", Herman sanoi. "Tämä mallinvaihto johtaa sekvenssien lisäyksiin tai deleetioihin, jotka johtavat viruksen vaihteluun. Havaitsimme myös monimutkaisia ​​mutaatioita. SARS-CoV-2 hyödyntää näitä kahta tehokasta biologista mekanismia, templaattivaihteita ja monimutkaisia ​​mutaatioita, jotka mahdollistavat nopean evoluution." Varianttien luominen ihmispopulaatioihin sopeutumiseksi ja niissä säilymiseksi."

"Oli mielenkiintoista ja jännittävää nähdä, että tARC-seq antoi meille mahdollisuuden vangita uusien mutaatioiden syntymistä laboratoriosoluviljelmissä, jotka toistavat havaitut mutaatiot globaalien pandemioiden sekvensointitiedoilla", Herman sanoi. "Uusi teknologiamme tallentaa tilannekuvan uusista mutaatioista yksittäisten potilaiden kliinisissä näytteissä ja voi olla hyödyllinen virusevoluution seurannassa ihmispopulaatiossa."

Pääkirjailija 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. Ronin osallistujat Shaw ja Shannon. Kirjoittajat ovat sidoksissa yhteen tai useampaan seuraavista laitoksista: Baylor College of Medicine, University of Washington ja Texas Children’s Hospital.

Tutkimusta tukivat National Institutes of Health -apurahat R01GM088653, 3R01AG061105-03S1, 1R21CA259780 ja 1R21HG011229 sekä National Science Foundationin apuraha DBI-2032904.

Lähteet: