[論文レビュー] A mathematical model for the spread of multipartite viruses reveals their evolutionary potential

Eugenio Valdano, Susanna C. Manrubia+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 22, 2018

Plant Virus Research Studies参考文献 24被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、複数の粒子に分割されたゲノムを持つマルチパーティットウイルスが、共感染を必要とするにもかかわらず、どのようにして効果的に拡散するかを調査するためのコンpartimentalモデルを開発した。モデルは、ウイルスの移動性と宿主集団の構造が、非分割型ウイルスが到達できない環境への定着を可能にする適応戦略としてマルチパーティットニズムを促進することを示している。特に均一な農業的環境において顕著である。

ABSTRACT

Multipartite viruses replicate through a puzzling evolutionary strategy. These viruses have their genomes segmented into two or more parts encapsidated in separate particles that propagate independently. The requirement of host co-infection to complete the viral cycle represents a major drawback of this adaptive strategy, while its advantages remain unclear. Still, multipartitism is a successful adaptive solution observed in over 40% of all known viral families, particularly targeting plants. The transition from a monopartite to a bipartite viral form has been described in vitro under conditions of high multiplicity of infection, suggesting that cooperation between defective mutants is a plausible evolutionary pathway towards multipartitism. Here we devise a compartmental model for the spread of a multipartite virus in a population of hosts through vector mediated contacts. Our goal is to disentangle which mechanisms might favor the ecological emergence and persistence of multipartitism. Our analytical and numerical results uncover a rich phenomenology driven by the interplay between viral dynamics, vector driven mobility, and the structure of the host population. In the framework of our model, multipartitism appears as a successful adaptive strategy driven by mobility, that permits the colonization of environments forbidden to the nonsegmented variant. Surprisingly, this is promoted in homogeneous contact networks, which corresponds to the vast majority of farmed plant patterns. This is also in line with the observed rising of multipartitism concomitantly with the agricultural expansion.

研究の動機と目的

• ゲノムが複数の粒子に分割されたマルチパーティットウイルスが、なぜ成功を収めるのかという進化的・生態的要因を理解すること。
• 共感染を必要とするという顕著な生物学的制約があるにもかかわらず、なぜマルチパーティットニズムが持続するのかを調査すること。
• 構造的宿主集団において、マルチパーティットニズムがどのような条件下で出現し、持続するかを特定すること。
• 媒介による伝播と宿主集団の均質性が、マルチパーティットウイルス戦略の促進に果たす役割を検討すること。

提案手法

• 媒介による伝播を通じて宿主集団内で拡散するマルチパーティットウイルスを模擬するためのコンpartimental数学的モデルを構築した。
• モデルには、宿主感染ダイナミクス、ウイルス粒子の放出、および正常な複製に必要な共感染要件を組み込んだ。
• ウイルスの移動性は、媒介の移動を関数としてモデル化し、宿主ネットワーク全体にわたる空間的拡散を可能にした。
• 宿主集団は、構造的均質性の程度が異なるネットワークとして表現され、それがウイルスの持続性に与える影響を評価した。
• ウイルスダイナミクス、移動性、集団構造の相互作用を調査するために、解析的および数値的シミュレーションを用いた。
• 異なる伝播条件と空間的条件下での、マルチパーティットウイルスとモノパーティット変異体の生態的成功を比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのような生態的および疫学的条件下で、マルチパーティットウイルスは宿主集団に効果的に出現し、持続するのか。
• RQ2 媒介による移動性は、モノパーティットウイルスと比較して、マルチパーティットウイルスの拡散と成功にどのように影響するのか。
• RQ3 なぜマルチパーティットニズムは、均一な宿主パターンを示す農業的システムでより顕著に見られるのか。
• RQ4 宿主集団構造が、マルチパーティットウイルスによる環境への定着をどのように可能にするのか。
• RQ5 欠損したウイルス粒子間の協力が、モノパーティット型からマルチパーティット型への進化的移行を説明できるのか。

主な発見

• ウイルスの移動性が、非分割型ウイルスが到達できない空間的に制限された環境への定着を可能にすれば、マルチパーティットニズムは効果的な適応戦略として出現する。
• 驚くべきことに、農業的植物システムに一般的な共感染ネットワークの均一性が高い環境でも、マルチパーティットニズムが好まれる。
• モデルは、媒介による移動性がマルチパーティットウイルスの生態的範囲を拡大し、モノパーティット型が失敗する環境でも持続可能であることを示している。
• 移動性とネットワーク構造が効率的な伝播を支える限り、共感染要件があっても持続は可能である。
• 農業の拡大と並行してマルチパーティットニズムが増加しているという観察と整合しており、人為的農業慣行とウイルス進化との間に相関がある可能性を示唆している。
• モデルは、伝播ダイナミクスと空間的構造の相互作用が、分割ゲノムを有するウイルスの進化的成功を駆動できることを示している。