[論文レビュー] Phylogenetic study of 2019-nCoV by using alignment-free method

Yan-Wei Gao, Li T+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2020

SARS-CoV-2 and COVID-19 Research参考文献 24被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、IC-PIC逐次フリー法を用いて2019-nCoVの系統発生をRNA配列相関に基づき解析し、2019-nCoVがベータコロナウイルスのサルベコウロナウイルス亜属に属し、バット由来で、キリンガメが可能性のある中間宿主であることが判明した。解析結果は、武漢発症以前に世界的に広がり始めた可能性を示しており、生物学的系統分類と整合するトポロジーと、複数の外群を用いた根の安定な配置によって裏付けられている。

ABSTRACT

The origin and early spread of 2019-nCoV is studied by phylogenetic analysis using IC-PIC alignment-free method based on DNA/RNA sequence information correlation (IC) and partial information correlation (PIC). The topology of phylogenetic tree of Betacoronavirus is remarkably consistent with biologist's systematics, classifies 2019-nCoV as Sarbecovirus of Betacoronavirus and supports the assumption that these novel viruses are of bat origin with pangolin as one of the possible intermediate hosts. The novel virus branch of phylogenetic tree shows location-virus linkage. The placement of root of the early 2019-nCoV tree is studied carefully in Neighbor Joining consensus algorithm by introducing different out-groups (Bat-related coronaviruses, Pangolin coronaviruses and HIV viruses etc.) and comparing with UPGMA consensus trees. Several oldest branches (lineages) of the 2019-nCoV tree are deduced that means the COVID-19 may begin to spread in several regions in the world before its outbreak in Wuhan.

研究の動機と目的

• アラインメントフリーな配列解析を用いて、2019-nCoVのベータコロナウイルス属内での系統的位置を特定すること。
• 特にバットとキリンガメが潜在的貯留宿主として果たす役割を含め、2019-nCoVの進化的起源を調査すること。
• 系統樹における根の配置を分析することで、初期の2019-nCoV系統の時系列的・地理的拡散を評価すること。
• 複数の外群とコンSENSUSアルゴリズム（近隣結合法とUPGMA）を用いて、系統樹トポロジーの妥当性を検証すること。
• 2019-nCoV系統樹の初期分岐パターンに、場所とウイルスの関連性が存在するかを検討すること。

提案手法

• 2019-nCoVおよび関連コロナウイルスのRNA配列を比較するため、IC-PIC（情報相関および部分的情報相関）アラインメントフリー法の適用。
• アラインメントなしで進化的な距離を測定するために、DNA/RNA配列情報相関（IC）および部分的情報相関（PIC）の使用。
• バット由来およびキリンガメ由来のコロナウイルス、HIVを含む複数の外群を用いた近隣結合法による系統樹の構築。
• 近隣結合法の系統樹とUPGMAコンセンサス系統樹を比較し、根の配置と系統樹トポロジーの妥当性を検証。
• 異なる外群を用いて根の配置を体系的に評価し、最も信頼できる進化的起源を推定。
• 2019-nCoV系統樹の初期分岐を分析し、地理的クラスタリングまたは場所-ウイルス関連性の有無を特定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2019-nCoVはベータコロナウイルス属内で系統的にどこに位置づけられ、どの亜属に属するか？
• RQ2 2019-nCoVの進化的起源は何か？バットとキリンガメのうち、どの動物種が最も可能性の高い貯留宿主または中間宿主か？
• RQ3 武漢発症以前に、複数の地域で世界的にウイルスが拡散していた証拠はあるか？
• RQ4 異なる外群を用いた根の配置において、系統樹トポロジーはどの程度頑健か？
• RQ5 初期のウイルス系統は、どの程度地理的クラスタリングや場所-ウイルス関連性を示しているか？

主な発見

• 2019-nCoVは、生物学的系統分類と一致するベータコロナウイルス属のサルベコウロナウイルス亜属に分類された。
• IC-PIC法により得られた系統樹トポロジーは、既存のウイルス学的分類と整合しており、アラインメントフリー手法の信頼性を裏付けた。
• 解析結果は、2019-nCoVがバット由来であり、キリンガメが可能性のある中間宿主であることを支持した。
• 2019-nCoV系統樹の最も古い分岐のいくつかは、武漢発症以前に複数の地域でウイルスが広がり始めた可能性を示唆している。
• バット由来およびキリンガメ由来のコロナウイルスなどの異なる外群を用いても、根の配置が安定的かつ一貫しており、進化的推定の信頼性が向上した。
• 初期分岐における場所-ウイルス関連性の存在は、パンデミック初期段階における地域的拡散パターンの可能性を示唆している。