Nadzór epidemiologiczny można teraz prowadzić w czasie zbliżonym do rzeczywistego dzięki obecnym wysiłkom związanym z sekwencjonowaniem genomu wirusa. Wyzwaniem jest zidentyfikowanie wariantów, które mogą stanowić potencjalne zagrożenie, w obrębie sekwencji wirusowych.

Nowe badanie opublikowane na stronie bioRxiv* serwer preprint proponuje podejście oddolne, aby szybko przewidzieć, czy dana linia zdominuje populację wirusów w określonej lokalizacji geograficznej.

Tło

Nadzór genomowy ma kluczowe znaczenie w walce z szybko mutującymi wirusami RNA. Ostatnio zaobserwowano to w kontekście pandemii koronawirusa 2019 (COVID-19). Wariant Omicron koronawirusa zespołu ostrej niewydolności oddechowej 2 (SARS-CoV-2) zmniejszył skuteczność szczepionek mRNA i w takich momentach szybkie rozpoznanie krytycznych adaptacji było szczególnie ważne.

Nadzór genomowy wykorzystuje metody filogenetyczne nowej generacji i sekwencjonowanie w celu identyfikacji fenotypowo lub antygenetycznie różnych wariantów. Przypisanie rodowodu, ekstrakcja mutacji, analiza biologiczna i deklaracja to cztery kluczowe etapy. Pomaga to we wczesnym przewidywaniu i skutecznej kontroli potencjalnych epidemii wirusowych.

Mutacje w genomach wirusów nie zawsze pojawiają się w sposób izolowany. W rzeczywistości pozycje w cząsteczce, które mają wspólne ograniczenia, nie ewoluują niezależnie. Dlatego pozostawiają sygnaturę we wzorach sekwencji homologicznych. Ekstrakcja takich sygnałów sprzyja głębszemu zrozumieniu wpływu mutacji na sprawność wirusa. Może to również prowadzić do wczesnego wykrywania pojawiających się wariantów.

O badaniu

Struktura relacyjna populacji wirusa ewoluuje. Dramatyczne zmiany w strukturze relacji mogą sugerować ważne wydarzenia, takie jak pojawienie się nowej, lepiej dopasowanej linii. Obecne badanie ilustruje tę koncepcję, wykorzystując studium przypadku, pokazujące ewolucję struktur relacyjnych.

Studium przypadku obejmowało badanie struktury relacyjnej populacji SARS-CoV-2 w Wielkiej Brytanii, od 3 października 2020 r. do 4 października 2021 r. W tym przedziale czasowym pojawił się wariant Alpha (linia B.1.1.7) i stał się szczepem dominującym. Wkrótce potem został zastąpiony wariantem Delta (rodowód B.1.617.2).

Nowość badania polega na skupieniu się na powiązaniach, a nie na konkretnych wzorcach mutacji obserwowanych w danych. Prowadzi to do koncepcji motywów i struktur relacyjnych. Ramy te powinny utorować drogę do bardziej systematycznego rozwoju struktur relacyjnych dla ogólnie dopasowanych danych.

Wyniki

Kluczową ideą jest zbadanie współwystępujących wzorców mutacji w miejscu w celu ilościowego określenia ewolucji dopasowań wielu sekwencji (MSA). Idea struktury relacyjnej obejmuje maksymalne miejsca, które współwpływają na presję selekcyjną. Zróżnicowane zmiany w strukturze relacji w ramach MSA dostarczają kluczowych informacji na temat wirusowego „bicia serca”. Obecne badanie pokazuje, że presja selekcyjna prowadzi do pewnych motywów, które pojawiają się jako wyróżniające się wzorce w MSA. Prowadzi to do znacznej redukcji danych, a identyfikacja miejsc pomaga w późniejszej analizie biologicznej.

Oznaczanie linii i analiza filogenetyczna badają ewolucyjną bliskość sekwencji genomowych. Wręcz przeciwnie, struktura relacyjna koncentruje się na interakcji między witrynami w MSA. Autorzy wykazali, że połączenie informacji o linii i struktury relacyjnej może pomóc w uzyskaniu głębszego wglądu w to, jak powstaje i rozwija się linia. Wykazano, że większa koordynacja dostarcza sensownych sygnałów statystycznych, które mogą pomóc w dokonywaniu przewidywań na czas.

Podejście oparte na strukturze relacyjnej i informacja o pochodzeniu są ze sobą zgodne tylko czasami. W obecnym badaniu zostały one połączone charakterystycznymi mutacjami dla każdej linii. Baza danych Pango została wykorzystana do uzyskania charakterystycznej mutacji dla każdej linii. Należy zauważyć, że charakterystyczne mutacje nie są wystarczająco „charakterystyczne”, zwłaszcza gdy jedna linia jest podlinią drugiej. Ta sama mutacja jest czasami używana do scharakteryzowania wielu linii. Aby stawić czoła temu wyzwaniu, naukowcy wybrali i połączyli linie rodowe, aby sekwencje były lepiej podzielone.

Uwagi końcowe

Poniżej poziomu gatunku nie ma uniwersalnego systemu działającego zadowalająco dobrze dla taksonomii wirusów. Poprzednie badania proponowały dynamiczne podejście do nomenklatury dla SARS-CoV-2, ale to podejście ma problem z nadmiernym oznaczeniem. Przypisano ponad 2500 nazw linii/podlinii, z których bardzo niewiele uznano za krytyczne z epidemiologicznego punktu widzenia. Autorzy postawili hipotezę, że poprzez włączenie struktur relacyjnych badacze byliby w stanie dokładniej iw odpowiednim czasie wykrywać kluczowe linie rodowe.

Autorzy mają nadzieję, że podejście to można uogólnić w celu wyjaśnienia różnorodności genetycznej w populacji i wyznaczenia (pod)linii. Kluczem będzie wywnioskowanie hierarchicznej (pod)liniowej struktury. Można to osiągnąć, wykorzystując strukturę relacyjną do konstruowania nienakładających się podpróbek, a następnie rekurencyjnie obliczając strukturę relacyjną w każdej próbce. Dałoby to następnie (pod) linie dla danej subpopulacji. W ten sposób przyszli badacze mogliby odtworzyć hierarchiczną strukturę między liniami bez specjalistycznego wkładu ludzkiego.

*Ważna uwaga

bioRxiv publikuje wstępne raporty naukowe, które nie są recenzowane i dlatego nie powinny być traktowane jako rozstrzygające, wytyczne dotyczące praktyki klinicznej/zachowań zdrowotnych ani traktowane jako ustalona informacja.