진화‘풍경’은 코비 바이러스의 다음 단계를 예측합니다

Wright는 DNA 또는 펩티드와 같은 수많은 선형 분자 변이체를 시각화하는 한 가지 방법은 각 가능성을 공간의 독특한 지점으로 취급하는 것이 었습니다. 그런 다음 분자의 진화는 그 길을 따라 중간 변형에 대한 모든 지점에 부딪히는 초기 및 최종 변형에 대한 지점 사이의 경로와 동일합니다.

Wright는 이러한 변종의 복잡한 그래프와 그들 사이의 진화 경로를 이해하는 데 도움이되면서, 그들이 단지 2 ~ 3 차원의보다 직관적 인 "적응적인 풍경"으로 표현 될 수 있음을 보여주었습니다. 수평 축은 DNA (유전자형) 또는 물리적 특성 (표현형)의 가변성을 플로팅합니다. 두 가지 변형이 비슷할수록 비행기에 가까이 앉습니다. 세로 축은 진화 적 체력에 대한 변화의 영향을 측정합니다. 생존 가능한 자손을 늘리거나 단백질의 기능을 개선함으로써 생존 가능성을 향상시키는 변형, 피크에 자리 잡고 계곡을 감소시키는 것은

미시간 대학교 의과 대학의 진화 생물 학자 인 Adam Lauring은 독특한 지형을 가진 풍경이 결과라고 설명합니다. 매핑 된 변형이 체력에 미치는 영향이 크게 다르지 않으면 네브래스카와 마찬가지로 풍경이 상당히 평평 해 보입니다. 피트니스에 큰 영향을 미치는 변형은 유타의 브라이스 캐년의 우뚝 솟은 후두와 더 유사한 풍경을 만듭니다. 자연 선택은 피크의 변이를 선호합니다. 종의 평균 유전자형 또는 표현형은 한 피크에서 다음 피크에서 다음으로 이동하여 계곡을 통과하는 능선을 따라 이동하여 진화해야합니다. (다른 유전자형을 가진 분리 된 하위 집단은 종의 격차를 찾는 데 도움이 될 수 있습니다.)

Lauring은“몇 피트를 움직이면 떨어지고 다시 일어나는 것이 매우 어려워지고 있습니다. "움직일 경로가 적습니다."

“이론은 매우 간단합니다. 유전자형을 알고 체력을 측정하면 기본적으로 발생할 수있는 일을 예측할 수 있습니다.”라고 스위스의 베른 대학교에서 진화론 적 역학을 연구하는 클라우디아 뱅크 (Claudia Bank)는 말했습니다. 그러나 이론을 실천하는 것은 또 다른 문제입니다.

한 가지 합병증은 SARS-COV-2 또는 인간의 체력 환경이 정적이 아니라는 것입니다. 유기체가 새로운 음식을 소화하지만 더 천천히 자라게하는 돌연변이는 생명의 보살이거나 치명적인 장애물 일 수 있습니다. 진화 적 체력에 대한 변형의 영향은 유기체가 사는 환경에 달려 있습니다. 환경이 변할 때 피트니스 환경도 변합니다. Lauring은“다른 돌연변이는 다른 영향을 미치며 피트니스 환경에 달려 있습니다.

피트니스 환경을 만드는 것도 수학적 도전입니다. 길이가 100 개의 아미노산에 불과한 작은 단백질조차도 우주의 원자 수보다 20 개의 가능한 변이체를 갖습니다. 실제 단백질을위한 피트니스 환경의 복잡한 지형과 그에 대한 다양한 경로의 가능성을 상상하기는 어렵습니다. 결과적으로 수십 년 동안 체력 경관은 구체적인 측정을위한 도구보다는 개념적 원조였습니다. 최근에야, 고급 컴퓨팅 성능과 개선 된 분자 생물학적 기술을 통해 과학자들은 개별 단백질과 박테리아 및 바이러스와 같은 단순한 유기체에 대한 정량적 풍경을 만들기 시작했습니다.

박테리아와 바이러스는 피트니스 환경에 거의 이상적인 주제입니다. 시험관에서 수백만 또는 수십억에 달하는 각 박테리아 세포 또는 바이러스 입자는 피트니스 환경을 설명하는 거대한 변이체 풀로부터 하나의 돌연변이를 가질 수 있습니다. 그들의 짧은 세대 시간은 몇 시간 또는 며칠 동안 연구자들이 새로운 돌연변이를 훨씬 더 빨리 식별 할 수있게 해줍니다. HIV 및 C 형 간염 바이러스 (HCV)를 포함하여 RNA를 유전자 물질로 사용하는 대부분의 바이러스는 게놈을 복제하는 RNA 폴리머 라제가 DNA 폴리머 라제만큼 효과적으로 사본을 교정하지 않기 때문에 돌연변이가 발생하기 쉽습니다.

과학자들이 발견하기 시작한 첫 번째 중 하나는 풍경의 복잡성에도 불구하고 유기체는 종종 소수의 피트니스 막시마와 그들 사이의 제한된 수의 경로로 제한된다는 것입니다. 2006 과학 종이는 베타-락타 마제라는 단백질을 면밀히 살펴 보았으며, 이는 페니실린과 같은 항생제를 비활성화시켰다. 베타-락타 마제에서 5 개의 단일-핵종화물 돌연변이의 공동 효과는 항생제 내성을 100,000으로 증가시킬 수있다. 그의 동료들과 함께 Brown University의 실험실을 이끌고있는 하버드 대학교의 진화 생물학 박사후 연구원 인 Daniel Weinreich는 유전자의 진화가 120 개의 경로를 따라 5 개의 돌연변이를 모두 축적 할 수 있다고 언급했다.

그러나 과학자들이 실험실의 중개 변형을 만들고 테스트했을 때, 그들은 결함이 있거나 불완전한 단백질을 생성했기 때문에 자연 선택에서는 102 개의 경로가 불가능하다는 것을 발견했습니다. 남은 많은 조합이 항생제 내성을 향상시키지 못한다는 것을 발견했을 때 가능성은 더욱 좁아졌다. “이것은 생명의 단백질 테이프가 크게 재현 가능하고 예측 가능할 수 있음을 암시합니다.”

깊은 돌연변이 스캐닝

그러나 가장 작은 바이러스 나 단백질의 미래 진화 궤적을 예측하려면 체력 환경에 대한 자세한 지식이 필요합니다. 역사적으로, 과학자들은 한 번에 하나의 뉴클레오티드 또는 아미노산을 돌연변이를 생성 한 다음 돌연변이 단백질을 정화하고 그 기능을 평가해야했습니다. 가능한 돌연변이 중 일부 이상을 조사하는 것은 종종 비현실적이었습니다.

깊은 돌연변이 스캐닝을위한 기술 개발은 그 모든 것을 변화시켰다. 이 기술은 과학자들이 한 번에 수만 개의 변형을 생성 한 다음 모든 변형이 서로 경쟁하여 상대적인 체력 값을 결정할 수 있도록합니다.

연구자들은 배양 세포로 클로닝 될 수있는 변형 유전자 라이브러리를 만드는 것으로 시작합니다. 유전자는 활성이 실험실에서 선택 될 수있는 일부 생화학 적 기능과 관련이있는 단백질을 코딩하므로, 이들 단백질의 가장 활성 버전을 만드는“적합한”세포는 더 풍부 해지고, 비활성 버전을 만드는 세포는 사라질 것이다. 고 처리량 DNA 시퀀싱을 통해 연구자들은 여러 세대에 걸쳐 얼마나 잘 수행되는지에 대한 정량적 측정을 위해 각 변형의 수를 올릴 수 있습니다.

런던의 Warnecke의 실험실 연구원 인 Valerie Soo는“돌연변이의 영향을 포착하는 것은 정말 강력한 접근법입니다.

돌연변이가 발생하기 쉬운 RNA 바이러스를 사용하면 과학자들은 실험실에서 변형을 생성 할 필요조차 없습니다. 바이러스의 수백만 부가 이웃과 약간 다르기 때문에 바이러스 학자들이 돌연변이 무리라고 부르는 것을 만듭니다. 이 무리 안에는 자연 선택에 의한 진화의 원료가 있습니다.

“미생물은 너무 빠르게 재현되어 진화가 매일 발생합니다. 프랑스 몽펠리에에있는 Mivegec Laboratory의 진화 생태 학자 인 Samuel Alizon은 실제로 진화를 실시간으로 모니터링 할 수 있습니다.

연구원들은 특히 소량의 바이러스 만 감염을 일으키기 위해 필요한 경우 새로운 숙주에게 전달되는 돌연변이가 거의 없다는 것을 발견했습니다. 이 중 일부는 순수한 기회입니다. 어떤 변형이 적절한시기에 적절한 위치에 있는지 문제입니다. 그러나 샌프란시스코 캘리포니아 대학교의 바이러스 학자 인 라울 안데노-파블 로브 스키 (Raul Andino-Pavlovsky)는 피트니스 환경을 스케치함으로써 연구자들은 왜 일부 변종이 다른 사람들보다 훨씬 더 자주 전달되는지 알아 내려고 노력할 수 있다고 말했다.

"바이러스는 다양성을 생성 할 수있을뿐만 아니라 이러한 다양성을 견딜 수 있어야한다"고 그는 말했다. "바이러스이고 변화를 견딜 수 있다면 적응 능력이 훨씬 우수한 바이러스 일 수 있습니다."

피트니스 풍경은 개념적으로나 정량적으로, 만성적 또는 지속적인 감염으로 인한 바이러스가 어떻게 숙주의 면역 체계에 의해 그들을 중화시키기위한 반복적 인 노력을 어떻게 피하는지를 묘사하는 완벽한 방법입니다. 그렇기 때문에 그는 프레드 허친슨 암 연구 센터 (Fred Hutchinson Cancer Research Center)에서 제시 블룸 (Jesse Bloom) 실험실에 합류하여 감염 과정에서 환자 내부의 항체 면역과 HIV가 어떻게 진압되는지 연구했습니다. 그의 목표는 바이러스와 면역계 사이 의이 진화 적 무기 경쟁이 어떻게 보호 특성으로 항체를 산출하는지 이해하는 것이 었습니다. 이는 과학자들이 HIV 백신을 개발하여 바이러스의 더 불변의 부분에 집중하는 데 도움이 될 수 있습니다.

그러나 다른 바이러스보다 Starr가 HIV에 대한 그의 작업을 시작한 것은 더 빨리 세상과 세계의 관심을 훔쳤습니다.

예상보다 더 변한

SARS-COV-2가 전 세계적으로 확산되기 시작함에 따라 Starr and Bloom은 피트니스 환경이 새로운 병원체를 연구하기 시작하는 유용한 방법을 제공한다는 것을 깨달았습니다. 그것은 바이러스 성 단백질에서 어떤 요인이 중요한지를 파악하고 바이러스가 얼마나 많은 변화를 견딜 수 있는지 알아내는 방법을 제공했습니다.

초기에 SARS-COV-2를 시퀀싱하는 과학자들은 많은 유전 적 변화를 느끼지 못했습니다. 코로나 바이러스는 오류가 발생하기 쉬운 RNA 폴리머 라제를 사용하여 유전자 물질을 복사하지만, SARS-COV-2는 교정자로서 작용하는 제 2 단백질을 가지고있다. 따라서 연구자들은 바이러스가 인플루엔자 또는 HIV와 같이 많은 돌연변이를 획득 할 것으로 기대하지 않았습니다.

Bloom and Starr는 스파이크 단백질이 면역 체계가 가장 강력하게 인식하는 것과 바이러스가 신체 세포에 침입하는 데 사용하는 것 때문에 스파이크 단백질이 코로나 바이러스의 일부가 될 것이라는 것을 알고있었습니다. 그러나 1,273 개의 아미노산으로 스파이크 단백질은 피트니스 환경에 의한 빠른 평가에 너무 상당한 평가가 가능합니다. 따라서 Starr는 수용체 결합 도메인으로 알려진 스파이크 단백질의 하위 섹션에 중점을두기로 결정했습니다.

Starr는 깊은 돌연변이 스캐닝을 사용하여 수용체 결합 도메인의 4,000 개의 상이한 돌연변이를 생성 하였다. 그는 인간 ACE2 단백질 (세포로 들어가기 위해 선택한 분자“잠금”)에 결합하는 능력을 평가하고 면역계에 의해 인식되었다. SARS-COV-2가 수용체 결합 도메인에서 많은 변화를 견딜 수 없다면, Starr는 면역 인식 또는 ACE2- 결합 기능이 돌연변이에 의해 심각하게 손상 될 것으로 예상했다.

그러나 그것은 전혀 일어나지 않았습니다. Starr는“수용체 결합 도메인은 실제로 결합 친화력을 향상시키는 많은 상이한 돌연변이를 가졌다”고 말했다. “이것은 진화 할 수있는 능력이 많은 정말 관용적 인 영역처럼 보였습니다. 그러나 당시의 사고 방식은 코로나 바이러스가 항원 적으로 진화하지 않는다는 것이 었습니다. 그들은 아마도 안정적 일 것입니다.”

수용체 결합 도메인은 예상보다 더 많은 변화를 허용했지만, 스파이크 단백질의 모든 부분이 그랬던 것은 아닙니다. Spike 단백질의 이러한 부분은 새로운 백신 및 단일 클론 항체에 대한 좋은 표적 일 수 있다고 Starr는 말했다.

그들이 2020 년 6 월 Biorxiv.org Preprint Server 에이 결과를 처음 게시했을 때, SARS-COV-2가 사람들이 생각했던 것보다 더 가연성이라는 첫 번째 징후 중 하나는 큰 모닝콜이라고 말했다. 이제 Starr and Bloom은 수용체 결합 도메인에 대한 유사한 통찰력을 얻기 위해 알파, 베타, 감마, 델타 및 Omicron 변형에 대한 깊은 돌연변이 스캐닝 실험을 반복하고 있습니다.

Starr, Bloom 및 동료들은 또한 ACE2 결합을 방해하지 않는 수용체 결합 도메인에 대한 가능한 모든 돌연변이의 맵을 만들었습니다. Science 에 출판 된 그들의 작품 2021 년 1 월,이 도메인에서 단일 클론 항체 요법에 의한 중화를 피할 수있는 잠재적 돌연변이를 확인했다. 그들의 연구는 또한 150 일 동안 SARS-COV-2에 감염된 면역 저하 된 개인에서 나타난 몇 가지 돌연변이를 확인했다. 이 사람이 145 일에 단일 클론 항체 처리를 받았을 때, 그들은 이미 시장에서 이용 가능한 제품에 대한 내성을 개발했습니다. Starr에게, 이것은 이들 치료 단일 클론 항체가 단일 환자 내에서 또는 바이러스가 돌연변이 될 때 시간이 지남에 따라 덜 효과적 일 수 있음을 보여 주었다.

또한 Starr, Bloom과 그들의 동료들은 지난 여름 Nature Communications , 몇몇 광범위한 돌연변이는 각각 SARS-COV-2가 면역계가 일반적으로 수용체 결합 도메인의 가장 표적화 된 부분에 대해 지시하는 일부 항체를 피하는 데 도움이 될 수있다. 지금까지, 바이러스 계통은 이러한 세 가지 돌연변이를 모두 갖도록 진화하지 않았다. "그러나 우리는 그러한 변형의 출현이 걱정스러운 개발 일 것이며 면밀히 모니터링해야한다고 제안합니다."

SARS-COV-2가 2019 년 말에 처음 등장한 세계는 오늘날의 세계와 달랐습니다. 바이러스가 자체적으로 많은 사본을 생산하고 개인들 사이에 퍼질 수있는 능력은 전염병 초기에 성공의 핵심이었습니다. 그러나 백신 접종을 통해 면역화되고 자연적으로 획득 된 감염이 증가함에 따라 바이러스는 면역 반응을 피하기위한 더 많은 압력을 경험할 것입니다. Lauring은 많은 돌연변이가 트레이드 오프와 함께 제공되며 SARS-COV-2는 예외는 아닙니다. 바이러스 전염이 감소 된 면역 탈출 변종은 2020 년 초에 선호되지 않았지만 지금은 그렇습니다.

Lauring은“우리는 바이러스의 환경입니다. "우리가 변하면 풍경이 바뀝니다."