Studie ontdekt een verborgen mechanisme achter snelle COVID-varianten

Studie ontdekt een verborgen mechanisme achter snelle COVID-varianten

Het SARS-CoV-2-virus dat COVID veroorzaakt, heeft het verontrustende vermogen om regelmatig varianten van zichzelf te creëren. Andere virussen muteren ook, maar aangezien SARS-CoV-2 zich tijdens de pandemie snel onder de menselijke bevolking verspreidde en miljoenen mensen het leven kostte, vormde de dynamische evolutie van het virus een ernstig probleem: het daagde herhaaldelijk de immuunrespons van ons lichaam uit in de strijd tegen het virus en belemmerde het proces van het leveren van bijgewerkte vaccins.

Het begrijpen van het genetische mechanisme dat het vermogen van SARS-CoV-2 om varianten te genereren aanstuurt, kan een grote bijdrage leveren aan het op afstand houden van COVID. In deze studie gepubliceerd inNatuurlijke microbiologieOnderzoekers van het Baylor College of Medicine en samenwerkende instellingen ontwikkelden een nieuwe technologie genaamd tARC-seq, die een genetisch mechanisme blootlegde dat de divergentie van SARS-CoV-2 beïnvloedt en het team in staat stelde de mutatiesnelheid van SARS-CoV-2 te berekenen. Met behulp van tARC-seq hebben onderzoekers in het laboratorium ook nieuwe mutaties in SARS-CoV-2 in geïnfecteerde cellen gedetecteerd, waarbij ze observaties van de sequentiegegevens van wereldwijde pandemische virussen samenvatten. De resultaten kunnen nuttig zijn voor het monitoren van de virusevolutie in de menselijke populatie.

Het SARS-CoV-2-virus gebruikt RNA in plaats van DNA om zijn genetische informatie op te slaan. Ons laboratorium is al lang geïnteresseerd in het bestuderen van de RNA-biologie, en toen SARS-CoV-2 opdook, besloten we het proces van RNA-replicatie te bestuderen, dat doorgaans foutgevoelig is bij RNA-virussen.”

Dr. Christophe Herman, corresponderend auteur van het onderzoek en hoogleraar moleculaire en menselijke genetica, Baylor College of Medicine

De onderzoekers wilden RNA-replicatiefouten opsporen, omdat deze van cruciaal belang zijn om te begrijpen hoe het virus evolueert, verandert en zich aanpast terwijl het zich door de menselijke bevolking verspreidt. De huidige methoden ontbeerden echter de precisie om zeldzame nieuwe SARS-CoV-2-mutaties te detecteren, vooral in monsters met kleine aantallen virussen, bijvoorbeeld van patiënten.

“Omdat monsters van patiënten zeer weinig SARS-CoV-2 RNA-kopieën bevatten, is het moeilijk onderscheid te maken tussen de fouten van SARS-CoV-2 RNA-afhankelijke RNA-polymerase (RdRp), het enzym dat kopieën maakt van het RNA van dit virus, en de fouten van de andere enzymen die bij de sequentieanalyse worden gebruikt”, zegt Herman, lid van het Dan L Duncan Comprehensive Cancer Center. “We hebben een techniek ontwikkeld die we Targeted Accurate RNA Consensus Sequencing (tARC-seq) noemen en waarmee we echte fouten kunnen meten bij het kopiëren van specifiek RNA dat in zeer kleine hoeveelheden aanwezig is.”

Een nieuw perspectief op de drijvende krachten achter de diversiteit van SARS-CoV-2-varianten

De oorspronkelijke gedachte was dat, omdat SARS-CoV-2 een intern mechanisme heeft om de fouten die RdRp maakt te herstellen, het virus niet erg snel zou moeten evolueren of muteren.

“Dit idee stond in contrast met het feit dat er tijdens de pandemie regelmatig nieuwe COVID-varianten over de hele wereld opdoken”, aldus Herman. “Sinds het begin van de pandemie hebben we een aantal prominente varianten gezien, waaronder Alpha, Beta, Delta en Omicron, maar ook varianten binnen deze groepen.”

Met behulp van hun verbeterde analysetool bepaalden Herman en zijn collega’s nauwkeurig de mutatiefrequentie van SARS-CoV-2 en de soorten mutaties, zowel in celculturen in het laboratorium als in klinische monsters. “We ontdekten dat de mutatiesnelheid hoger was dan oorspronkelijk verwacht, en dit verklaart de frequente opkomst van COVID-varianten”, zei Herman.

Ze ontdekten ook dat er hotspots zijn in het SARS-CoV-2 RNA, plekken die gevoeliger zijn voor mutaties dan andere. “We hebben bijvoorbeeld een hotspot in de RNA-regio geïdentificeerd die overeenkomt met het spike-eiwit, het eiwit dat ervoor zorgt dat het virus cellen binnendringt. Bovendien bestaat het RNA van het spike-eiwit uit veel vaccins”, aldus Herman.

De tARC-seq-methode onthulde ook dat het genereren van nieuwe varianten template-switching met zich meebracht. “We ontdekten dat wanneer één RNA-sjabloon of sequentie wordt gekopieerd, RdRp naar een ander sjabloon op een nabijgelegen virus springt en vervolgens doorgaat met het kopiëren van het RNA, zodat de resulterende nieuwe RNA-kopie een mengsel is van beide RNA-sjablonen”, aldus Herman. “Deze template-switch leidt tot sequentie-inserties of deleties die leiden tot virale variabiliteit. We hebben ook complexe mutaties waargenomen. SARS-CoV-2 maakt gebruik van deze twee krachtige biologische mechanismen, template-switches en complexe mutaties, die een snelle evolutie mogelijk maken.” Het genereren van varianten om zich aan te passen aan en te blijven bestaan ​​in menselijke populaties.”

“Het was interessant en opwindend om te zien dat tARC-seq ons in staat stelde de opkomst van nieuwe mutaties in laboratoriumcelculturen vast te leggen die de mutaties samenvatten die zijn waargenomen met wereldwijde pandemische sequentiegegevens”, aldus Herman. “Onze nieuwe technologie legt een momentopname vast van nieuwe mutaties in klinische monsters van individuele patiënten en kan nuttig zijn voor het monitoren van de virusevolutie in de menselijke populatie.”

Hoofdauteur 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 en Shannon E. Ronca leveren bijdragen aan dit werk. De auteurs zijn verbonden aan een of meer van de volgende instellingen: Baylor College of Medicine, University of Washington en Texas Children’s Hospital.

De studie werd ondersteund door de National Institutes of Health-subsidies R01GM088653, 3R01AG061105-03S1, 1R21CA259780 en 1R21HG011229 en de National Science Foundation-subsidie ​​DBI-2032904.

Bronnen: