[論文レビュー] In-vivo mutation rates and fitness landscape of HIV-1

Fabio Zanini, Vadim Puller+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 21, 2016

HIV Research and Treatment参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、治療を受けていない患者からの縦断的深度シーケンシングデータを用いて、体内でのHIV-1変異率と適応度コストを推定している。中立的および非中立的部位における変異と選択のバランスをモデル化することで、1サイトあたり1.2×10⁻⁵の変異率が得られ、非同義置換の約50%が10%を超える適応度コストを持つことが明らかになった。適応度コストはゲノム領域によって変動し、特にリグュレーターおよび構造的RNA配列で顕著である。

ABSTRACT

Mutation rates and fitness costs of deleterious mutations are difficult to measure in vivo but essential for a quantitative understanding of evolution. Using whole genome deep sequencing data from longitudinal samples during untreated HIV-1 infection, we estimated mutation rates and fitness costs in HIV-1 from the temporal dynamics of genetic variation. At approximately neutral sites, mutations accumulate with a rate of 1.2 x 10^-5 per site per day, in agreement with the rate measured in cell cultures. The rate from G to A is largest, followed by the other transitions C to T, T to C, and A to G, while transversions are more rare. At non-neutral sites, most mutations reduce virus replication; using a model of mutation selection balance, we estimated the fitness cost of mutations at every site in the HIV-1 genome. About half of all nonsynonymous mutations have large fitness costs (greater than 10\%), while most synonymous mutations have costs below 1\%. The cost of synonymous mutations is especially low in most of gag and pol, while much higher costs are observed in important RNA structures and regulatory regions. The intrapatient fitness cost estimates are consistent across multiple patients, suggesting that the deleterious part of the fitness landscape is universal and explains a large fraction of global HIV-1 group M diversity.

研究の動機と目的

• 治療を受けていない患者におけるHIV-1変異の体内変異率と適応度コストを定量化すること。
• in vitroのアッセイや集団レベルの配列データの限界を克服するため、縦断的インtrapatient変異を用いること。
• HIV-1ゲノム全体にわたる単一ヌクレオチドおよびアミノ酸分解像での適応度効果を推定すること。
• HIV-1の適応度ランドスケープが、免疫逃避ダイナミクスに依存せず、すべての患者に共通するものかどうかを検証すること。
• グローバルHIV-1グループMの多様性における配列保存性を、宿主内進化からの直接的な適応度コスト推定と結びつけること。

提案手法

• 1名の治療を受けていない患者から、1人あたり6〜12回の時系列で全ゲノム深度シーケンシングを実施した。
• 時間帯別頻度データを用い、おおよそ中立的部位における変異頻度の時間的推移を線形回帰で解析することで、変異率を推定した。
• 一貫したコンSENSUSを示す部位に対して、コンセンサス対変異アレルの2状態モデルを適用し、非線形最小二乗法フィッティングを用いて選択係数を推定した。
• サンプルバイアスとシークエンシングエラーを補正するため、テンプレート入力に基づいた重み付け平均を用いてSNP頻度を統合した。
• 部位特異的適応度コストをμ/ x̂として計算した。ここでμはコンセンサスからの変異率、x̂は変異アレルの平衡頻度である。
• ブートストラップ分布を構築することで、変異率および適応度コスト推定値の不確実性を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HIV-1の体内変異率は何か？ また、in vitro測定値と比較するとどうなるか？
• RQ2 自然感染下におけるHIV-1の変異スペクトル（例：置換 vs. 逆置換）はどのような特徴を示すか？
• RQ3 変異の適応度コストはHIV-1ゲノム全体でどのように変動し、異なる患者間で一貫性があるか？
• RQ4 同義変異はどれくらいの割合で適応度コストに寄与しているか？ また、コストが最も高い部位はどこか？
• RQ5 HIV-1の有害な適応度ランドスケープは、免疫選択に依存せず、すべての宿主で普遍的か？

主な発見

• HIV-1の体内変異率は1.2×10⁻⁵/サイト/日であり、細胞培養で測定された値と整合的である。
• 変異スペクトルではG→Aが最も頻度が高く、次いでC→T、T→C、A→Gの順であり、逆置換はまれである。
• 非同義変異の約50%が10%を超える適応度コストを持つことが示され、強い正向選択が働いていることが明らかになった。
• ほとんどの同義変異は適応度コストが1%未満であるが、機能的RNA構造およびレギュレーター領域では有意に高いコストを示した。
• gagおよびpol領域の同義変異では適応度コストが特に低かったが、RREやpsiなどの主要なRNA配列では例外的に高かった。
• 複数の患者においてインtrapatientの適応度コスト推定値が一貫しており、適応度ランドスケープが普遍的であることが示され、グローバルHIV-1グループMの多様性の大部分を説明できる可能性がある。