Kartierung der Flugbahn der SARS-CoV-2-Evolution im Inneren des Wirts

In einer kürzlich veröffentlichten Studie bioRxiv* Pre-Print-Server haben Forscher in den Vereinigten Staaten den Verlauf der Entwicklung der Infektion mit dem Coronavirus 2 (SARS-CoV-2) des akuten akuten respiratorischen Syndroms innerhalb des Wirts kartiert.

Studien: Evolutionäre Dynamik innerhalb des Wirts und Gewebekompartimentierung während einer akuten SARS-CoV-2-Infektion. Bildnachweis: ktsdesign / Shutterstock

Hintergrund

Die groß angelegten Bemühungen zur vollständigen Genomsequenzierung auf globaler Ebene und phylogenetische Analysen klinischer Proben während der Pandemie der Coronavirus-Krankheit 2019 (COVID-19) haben die globale Evolutionsdynamik von SARS-CoV-2 erfasst. Es besteht jedoch ein Mangel an Verständnis für die evolutionäre Dynamik von SARS-CoV-2 innerhalb des Wirts.

Obwohl einige Studien zuvor die SARS-CoV-2-Dynamik innerhalb des Wirts erfasst haben, konzentrierten sie sich jedoch nur auf immunkompetente Wirte. Diese Studien zeigten eine geringe Diversität innerhalb des Wirts, wobei die meisten Proben 15 oder weniger Einzelnukleotidvarianten (iSNVs) innerhalb des Wirts enthielten. Zusammengenommen zeigten die Daten aus diesen Studien, dass das selektionsgetriebene Auftreten von iSNVs mit hoher Häufigkeit während einer akuten Infektion wahrscheinlich selten ist. Insgesamt fehlt ein hochauflösendes Profil der Evolutionsdynamik von SARS-CoV-2 innerhalb des Wirts.

Darüber hinaus ist nach wie vor kaum bekannt, wie eine bereits bestehende Immunität, die durch Impfung oder vorherige Infektion hervorgerufen wurde, die Entwicklung von SARS-CoV-2 im Wirt beeinflusst. Noch wichtiger ist die Charakterisierung des Potenzials für die Entstehung von Immunitätsfluchtvarianten bei immunkompetenten Personen mit unterschiedlichen Impfstatus.

Über das Studium

In der vorliegenden Studie rekrutierten die Forscher 32 Studenten, Lehrkräfte und Mitarbeiter an der University of Illinois in den Vereinigten Staaten (USA) für Längsschnittproben, die einen hochgradig zuverlässigen Nachweis von SARS-CoV-2-Varianten ermöglichten, um evolutionäre Dynamiken aufzudecken, die von weniger- häufige Sampling-Strategien. Von diesen 32 Studienteilnehmern waren 20 naive Personen und 12 hatten eine vorbestehende Immunität, die durch Impfung oder natürliche SARS-CoV-2-Infektion erworben wurde. Von jeder Person sammelte das Team täglich Nasenabstriche aus der Mitte der Nasenmuschel (MT) und Speichel sowohl von naiven als auch von immunen Personen für wiederholte Messungen der iSNV-Frequenzen während der frühen Infektionsphase. Auf diese Weise erzeugten sie hochauflösende Profile der iSNV-Dynamik zwischen Gewebekompartimenten und zeitlich.

Studienergebnisse

Die Hinweise auf eine starke positive Selektion waren in der Kohortenstudie selten. Die Forscher stellten jedoch einige nicht-synonyme Substitutionen fest, darunter N: P67S, S: Q677H und ORF1ab: P5402H von unterhalb der Nachweisgrenze bis zu hoher Frequenz. Die Substitution bei S:Q677 trat unabhängig voneinander in mehreren SARS-CoV-2-Unterlinien auf der ganzen Welt auf, was unterstützt, dass Mutationen an dieser Stelle einen evolutionären Vorteil haben können. Die Häufigkeit von S: Q677H betrug 56,5 %, wenn der assoziierte Studienteilnehmer eine nachweisbare infektiöse Viruslast in einem Nasenabstrich hatte, was auf das Vorwärtsübertragungspotenzial dieses iSNV hinweist.

Darüber hinaus beobachteten die Autoren eine Konkurrenz zwischen S: Q677H- und S: P681H-Substitutionen innerhalb derselben Person, wobei S: Q677H für einige Zeit an einem Tag, an dem die ursprünglich festgelegte Häufigkeit von S: P681H abnahm, mit hoher Frequenz auftrat. Die beobachtete Reversion zu einem S: P681H-Only-Genotyp nach Tag 7 zeigte jedoch, dass der durch S: P681H verliehene Selektionsvorteil größer war als der von S: Q677H. Die weit verbreitete Verbreitung von S: P681H-haltigen SARS-CoV-2-Linien im Vergleich zu S: Q677H unterstützt den durch diese Mutation verliehenen Fitnessvorteil weiter.

Darüber hinaus zeigte die Genomkartierung die Anhäufung mehrerer Hotspots nicht-synonymer Mutationen, die sich zwischen naiven und immunen Individuen unterscheiden. Die beobachtete Anreicherung von Aminosäuresubstitutionen unmittelbar stromaufwärts der SARS-CoV-2-Spike-Untereinheit 1 (S1) / S2-Spaltstelle deutete darauf hin, dass diese Region beim Menschen möglicherweise einer stärkeren Selektion innerhalb des Wirts unterliegt. Daher identifizierten sie bei naiven Personen Hotspots an den Resten 402–457 in ORF1ab und 655–681 in S, direkt neben der S1/S2-Spaltstelle. S1/S2-Spaltstellensubstitutionen sind charakteristische Merkmale der Omicron-, Delta- und Alpha-SARS-CoV-2-Linien. Eine aktuelle Studie von Y. Liu et al. zeigten, dass Substitutionen an der S1/S2-Spaltstelle für die erhöhte relative Fitness der Delta-Variante im Vergleich zu Alpha verantwortlich waren.

Eine hohe Dichte an Nukleokapsid (N)-Gensubstitutionen bei Immunstudienteilnehmern bestätigte weiter frühere Daten, die auf die Bedeutung des N-Gens während der menschlichen Anpassung hindeuten. Dementsprechend beobachteten die Forscher einen Hotspot der Mutationsakkumulation in N: 199-204.

Intra-Host Single Nucleotide Variant (iSNV) Diversität im Vergleich zwischen Proben und Individuen.  (A) Gesamtzahl iSNV für jede Probe von jedem ungeimpften Teilnehmer.  Hellgraue Kästchen zeigen die Gesamtzahl der iSNVs für alle Proben an, und horizontale schwarze Linien zeigen die Anzahl der gemeinsam genutzten iSNVs für jeden Teilnehmer an.  (B) iSNV zählt für Immunteilnehmer.  (C) iSNV-Zählungen für einzelne Proben mit Ct <25 von naiven Teilnehmern als Funktion der Anzahl der Tage nach der Registrierung (angepasstes R-Quadrat = 0,05007, p = 0,02255).  Die Linie repräsentiert die lineare Regression.  (D) iSNV-Zählungen für einzelne Proben mit Ct </p>
<p style=Intra-Host Single Nucleotide Variant (iSNV) Diversität im Vergleich zwischen Proben und Individuen. (A) Gesamtzahl iSNV für jede Probe von jedem ungeimpften Teilnehmer. Hellgraue Kästchen zeigen die Gesamtzahl der iSNVs für alle Proben an, und horizontale schwarze Linien zeigen die Anzahl der gemeinsam genutzten iSNVs für jeden Teilnehmer an. (B) iSNV zählt für Immunteilnehmer. (C) iSNV-Zählungen für einzelne Proben mit Ct <25 von naiven Teilnehmern als Funktion der Anzahl der Tage nach der Registrierung (angepasstes R-Quadrat = 0,05007, p = 0,02255). Die Linie repräsentiert die lineare Regression. (D) iSNV-Zählungen für einzelne Proben mit Ct <25 von Immunteilnehmern als Funktion der Anzahl der Tage nach der Registrierung (angepasstes R-Quadrat = 0,2857, p = 0,006359). Die Linie repräsentiert die lineare Regression.

Die Forscher beobachteten auch mehrere gemeinsame Mutationen innerhalb der nicht übersetzten Regionen des SARS-CoV-2-Genoms, wie etwa die drei primären nicht übersetzten Regionen (3’UTR). Am häufigsten war eine t29760c-Substitution in der 3′-UTR, die von neun naiven Personen geteilt wurde. Zukünftige Studien sollten untersuchen, ob die in der aktuellen Studie beobachteten wiederkehrenden UTR-Mutationen die SARS-CoV-2-Fitness innerhalb des Wirts beeinflussen.

Darüber hinaus hatten mehrere Studienteilnehmer extreme Schwankungen bei oder in der Nähe von iSNVs. Sie fielen abrupt unter die Nachweisgrenze und kehrten Tage später zu hohen Frequenzen zurück. Wahrscheinlich lag es an der räumlichen Strukturierung, wie sie für das Influenzavirus von Amato et al. 2021. Die räumliche Strukturierung fördert driftbedingte Schwankungen bei den iSNV-Proben aufgrund von Engpasseffekten, die möglicherweise aus einer qualitativ minderwertigen Probenahme der Viruspopulation resultieren. Dieser Befund unterstreicht die Vorteile der Längsschnittprobenahme weiter.

Schließlich beobachteten die Forscher bei einigen Studienteilnehmern während der gesamten SARS-CoV-2-Infektion eine signifikante Gewebekompartimentierung zwischen der oralen und nasalen Umgebung. Dies erklärt, warum die Probenahme an einer einzelnen Gewebestelle möglicherweise kein vollständiges Bild der SARS-CoV-2-Diversität innerhalb eines Wirts liefert.

Schlussfolgerungen

Die Studiendaten lieferten ein hochauflösendes Profil der Evolutionsdynamik von SARS-CoV-2 innerhalb des Wirts. Die Studienergebnisse zeigten, dass die Entwicklung von SARS-CoV-2 innerhalb des Wirts sowohl bei naiven als auch bei immunen Personen hauptsächlich durch stochastische Kräfte während akuter Infektionen angetrieben zu sein schien. Darüber hinaus identifizieren die Forscher Mutations-Hotspots innerhalb des SARS-CoV-2-Genoms, die mit dem Selektionsdruck übereinstimmen, der die Entstehung von iSNVs fördert, die zur Weiterübertragung fähig sind.

Darüber hinaus stellten sie bei vielen Personen eine signifikante Gewebekompartimentierung von SARS-CoV-2 zwischen Nasenabstrichen und Speichelproben fest. Darüber hinaus deutete die wiederholte Erkennung sowohl erfolgreicher als auch weniger erfolgreicher iSNVs auf globaler Ebene auf Bereiche der Allianz und Diskrepanz zwischen selektivem Druck innerhalb des Hosts und zwischen Hosts hin. Diese Daten beleuchten die Kräfte, die die globalen Muster der Entwicklung von SARS-CoV-2 prägen.

* Wichtiger Hinweis

bioRxiv veröffentlicht vorläufige wissenschaftliche Berichte, die keinem Peer-Review unterzogen wurden und daher nicht als schlüssig angesehen werden sollten, die klinische Praxis / gesundheitsbezogenes Verhalten leiten oder als etablierte Informationen behandelt werden sollten.

Zeitschriftenreferenz:

  • Evolutionäre Dynamik innerhalb des Wirts und Gewebekompartimentierung während einer akuten SARS-CoV-2-Infektion, Mireille Farjo, Katia Koelle, Michael A. Martin, Laura L. Gibson, Kimberly KO Walden, Gloria Rendon, Christopher J. Fields, Fadi Alnaji, Nicholas Gallagher, Chun Huai Luo, Heba H. Mostafa, Yukari C. Manabe, Andrew Pekosz, Rebecca Lee Smith, David D. McManus, Christopher B. Brooke, bioRxiv Vordruck 2022, DOI: https://doi.org/10.1101/2022.06.21.497047,, https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2022.06.21.497047v1

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