[論文レビュー] Genotyping coronavirus SARS-CoV-2: methods and implications

Changchuan Yin|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2020

SARS-CoV-2 and COVID-19 ResearchMedicine参考文献 34被引用数 18

ひとこと要約

本稿では、完全ゲノムの複数配列アラインメント（MSA）とジャカード距離に基づくSNPプロファイルを用いて、SARS-CoV-2のゲノタイピング手法を提示する。この手法により、ウイルスの進化と感染伝播を追跡でき、スパイクタンパク質、RNAポリメラーゼ、RNAプライマーゼ、およびヌクレオコプロテインといった重要なウイルスタンパク質における頻度の高い変異を同定し、ワクチン開発および流行監視のための重要な標的を特定する。

ABSTRACT

The emerging global infectious COVID-19 coronavirus disease by novel Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus 2 (SARS-CoV-2) presents critical threats to global public health and the economy since it was identified in late December 2019 in China. The virus has gone through various pathways of evolution. For understanding the evolution and transmission of SARS-CoV-2, genotyping of virus isolates is of great importance. We present an accurate method for effectively genotyping SARS-CoV-2 viruses using complete genomes. The method employs the multiple sequence alignments of the genome isolates with the SARS-CoV-2 reference genome. The SNP genotypes are then measured by Jaccard distances to track the relationship of virus isolates. The genotyping analysis of SARS-CoV-2 isolates from the globe reveals that specific multiple mutations are the predominated mutation type during the current epidemic. Our method serves a promising tool for monitoring and tracking the epidemic of pathogenic viruses in their gradual and local genetic variations. The genotyping analysis shows that the genes encoding the S proteins and RNA polymerase, RNA primase, and nucleoprotein, undergo frequent mutations. These mutations are critical for vaccine development in disease control.

研究の動機と目的

• 完全ウイルスゲノム配列を用いて、正確でスケーラブルなSARS-CoV-2ゲノタイピング手法の開発を目的とする。
• SNPベースのゲノタイピングを用いて、SARS-CoV-2の世界的な広がりと進化的なダイナミクスを追跡することを目的とする。
• 伝染性および病原性に関連する、繰り返し発生するおよび広く見られる変異を、重要なウイルスタンパク質内で同定することを目的とする。
• ウイルス遺伝的変異のリアルタイムモニタリングを可能にすることで、迅速な監視と対応を支援することを目的とする。
• 必須ウイルスタンパク質における保存領域と可変領域を特定することで、ワクチンおよび治療薬の設計を支援することを目的とする。

提案手法

• 558例のSARS-CoV-2完全ゲノムを、リファレンスゲノムに対して複数配列アラインメント（MSA）を実行する。
• アラインメント済みゲノムから単一ヌクレオチド多型（SNP）プロファイルを算出し、変異が生じる部位を同定する。
• 有向ジャカード距離を適用して、分離株間の遺伝的類似性を定量し、系統発生的関係を推定する。
• 完全ゲノムデータを用いることで、高分解能のSNPコールを実現し、誤検出を最小限に抑える。
• 2019年12月から2020年3月までの世界的な分離株を用いて、14の伝播世代をカバーする形で、手法の妥当性を検証した。
• SNPに加え、まれな挿入・欠失（indel）イベントも考慮したが、indelの拡散に関するデータは限定的である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 パンデミック初期段階において、SARS-CoV-2のどのゲノム領域が最も高い頻度で変異を示すか？
• RQ2 完全ゲノム配列をどのように活用すれば、世界中の集団にわたるSARS-CoV-2分離株の正確なゲノタイピングと追跡が可能になるか？
• RQ3 特定のSNPプロファイルと感染症の地理的・時系列的クラスタの間にはどのような関係があるか？
• RQ4 どのウイルスタンパク質が最も変異にかかりやすく、その変異がウイルスの適合度や免疫逃避にどのように影響するか？
• RQ5 ジャカード距離解析から導かれるSNPシグネイチャは、伝播パターンや系統の広がりを信頼性を持って予測できるか？

主な発見

• 2020年3月23日時点で、147か国から得られた558例のSARS-CoV-2分離株を、本手法で正確にゲノタイピングし、世界的な監視を可能にした。
• 241C→T、3037C→T、23403A→Gの3つの共通変異は、主にヨーロッパの分離株に多く見られ、高い伝播性および重篤な臨床経過と相関していた。
• スパイクタンパク質（S）、RNAポリメラーゼ（nsp12）、RNAプライマーゼ（nsp8）、およびヌクレオコアタンパク質（N）が、最も頻繁に変異を示す遺伝子であった。
• 1つのウイルス伝播世代あたり平均1つの変異が推定され、2019年12月から2020年3月の3.5か月間にわたり、1つの系統で最大14の変異が観察された（約14の伝播世代）。
• アメリカ合衆国イリノイ州の症例では、2回の近接した感染の間に1つの変異（28854C→Y）が確認され、本手法の伝播追跡における解像度の高さを裏付けた。
• 挿入・欠失変異はまれであったが観察されたが、ゲノムデータの限界により、その拡散可能性は不明である。