[論文レビュー] Temporal data series of COVID-19 epidemics in the USA, Asia and Europe suggests a selective sweep of SARS-CoV-2 Spike D614G variant

Furuyama Tn, Fernando Antoneli+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 20, 2020

SARS-CoV-2 and COVID-19 Research参考文献 17被引用数 10

ひとこと要約

本研究は、米国、アジア、ヨーロッパからの時系列的遺伝子および発症データを分析することで、SARS-CoV-2スパイクD614G変異株の疫学的影響を調査している。D614Gの頻度上昇と流行曲線の成長率上昇の間には強く相関関係が認められ、変異株の伝播優位性に起因する集団内での選択的スイープである可能性が示唆されている。

ABSTRACT

The COVID-19 pandemic started in Wuhan, China, and caused the worldwide spread of the RNA virus SARS-CoV-2, the causative agent of COVID-19. Because of its mutational rate, wide geographical distribution, and host response variance this coronavirus is currently evolving into an array of strains with increasing genetic diversity. Most variants apparently have neutral effects for disease spread and symptoms severity. However, in the viral Spike protein, which is responsible for host cell attachment and invasion, an emergent variant, containing the amino acid substitution D to G in position 614 (D614G), was suggested to increase viral infection capability. To test whether this variant has epidemiological impact, the temporal distributions of the SARS-CoV-2 samples bearing D or G at position 614 were compared in the USA, Asia and Europe. The epidemiological curves were compared at early and late epidemic stages. At early stages, where containment measures were still not fully implemented, the viral variants are supposed to be unconstrained and its growth curves might approximate the free viral dynamics. Our analysis shows that the D614G prevalence and the growth rates of COVID-19 epidemic curves are correlated in the USA, Asia and Europe. Our results suggest a selective sweep that can be explained, at least in part, by a propagation advantage of this variant, in other words, that the molecular level effects of D614G have sufficient impact on population transmission dynamics as to be detected by differences in rate coefficients of epidemic growth curves.

研究の動機と目的

• SARS-CoV-2のD614G変異株が集団レベルの伝播において選択的優位性を示すかどうかを評価すること。
• スパイクタンパク質における分子的変化（D614G）が、流行の成長ダイナミクスに測定可能な影響を及ぼすかどうかを調査すること。
• パンデミック初期段階と後期段階における、3つの主要地域におけるD614G頻度と流行発症頻度の時系列的パターンを比較すること。
• 観察されたD614G頻度の上昇が、遺伝的ドリフトではなく、選択的スイープによるものであるかどうかを特定すること。

提案手法

• 米国、アジア、ヨーロッパからのSARS-CoV-2ゲノム配列の時系列的分析により、D614G変異株の頻度推移を追跡する。
• 初期段階（制約が少ない）と後期段階（制御が厳しい）の流行曲線を比較し、伝播ダイナミクスを評価する。
• D614G変異株の頻度と流行曲線の成長率係数との間の相関分析を実施する。
• 初期パンデミック段階を、制約のないウイルスダイナミクスの代理として用い、D614G変異が伝播適応度に与える影響を分離する。
• 集団遺伝学的原則を応用し、D614G頻度の上昇を陽性選択の証拠として解釈する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SARS-CoV-2のD614G変異株は、祖先型D614株に比べて、測定可能な伝播適応度の上昇を示すか？
• RQ2 異なる地域において、D614G頻度の上昇とCOVID-19発症曲線の成長率の間には相関関係があるか？
• RQ3 観察されたD614G頻度の上昇は、ランダムな遺伝的ドリフトではなく、選択的スイープによるものと説明できるか？
• RQ4 パンデミック初期段階の流行成長ダイナミクスは、D614G変異株の内在的伝播優位性を反映しているか？

主な発見

• D614G変異株の頻度は、パンデミック初期段階において米国、アジア、ヨーロッパで有意に上昇した。
• 3か所のすべての地域で、D614G頻度の上昇と流行曲線の成長率の間には強い正の相関が観察された。
• D614G変異株の時系列的ダイナミクスは、集団レベルでの伝播優位性を示す選択的スイープと整合的であった。
• D614G置換の分子的効果は、流行の成長率係数の差異が示すように、集団レベルの伝播に検出可能な影響を及ぼしているとみられる。