[논문 리뷰] A mathematical model for the spread of multipartite viruses reveals their evolutionary potential

Eugenio Valdano, Susanna C. Manrubia외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 03. 22.

Plant Virus Research Studies참고 문헌 24인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 다성분 바이러스—유전자가 여러 입자에 분할된 바이러스—가 공감염이 필요함에도 불구하고 어떻게 성공적으로 퍼져나갈 수 있는지 조사하기 위해 병변 모델을 개발한다. 모델은 바이러스의 이동성과 숙주 집단의 구조가 다성분화를 적응 전략으로 삼아, 비분할 바이러스가 접근할 수 없는 환경에 정착하는 데 기여함을 드러낸다. 특히 균일한 농업 환경에서 그러한 현상이 두드러진다.

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.

연구 동기 및 목표

• 다성분 바이러스—유전자가 여러 입자에 분할된 바이러스—의 성공에 기여하는 진화적 및 생태적 원인을 이해하기 위해.
• 공감염이 필요함에도 불구하고 다성분화가 어떻게 지속되는지 조사하기 위해.
• 다성분화가 구조화된 숙주 집단에서 어떻게 발생하고 지속되는지 조건을 규명하기 위해.
• 벡터 매개 전파와 숙주 집단의 균일성이 다성분 바이러스 전략을 어떻게 촉진하는지 탐색하기 위해.

제안 방법

• 벡터 매개 전파를 통해 숙주 집단을 통해 다성분 바이러스의 확산을 시뮬레이션하기 위해 병변 수학 모델을 개발한다.
• 모델은 숙주 감염 역학, 바이러스 입자 방출, 그리고 성공적 복제를 위한 공감염 요구 조건을 포함한다.
• 바이러스의 이동성은 벡터 이동의 함수로 모델링되어 숙주 네트워크를 통해 공간적 확산을 가능하게 한다.
• 숙주 집단은 다양한 수준의 구조적 균일성을 가진 네트워크로 표현되어, 그 영향을 평가한다.
• 분석적 및 수치적 시뮬레이션을 통해 바이러스 역학, 이동성, 집단 구조 간의 상호작용을 탐색한다.
• 다양한 전파 및 공간 조건에서 다성분 바이러스와 단성분 변종 간의 생태적 성공을 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다성분 바이러스가 숙주 집단에서 성공적으로 출현하고 지속될 수 있는 생태적 및 역학적 조건은 무엇인가?
• RQ2 벡터 매개 이동성이 다성분 바이러스의 확산과 성공에 단성분 바이러스와 비교해 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 왜 다성분화는 균일한 숙주 패턴을 가진 농업 시스템에서 더 퍼져 있는가?
• RQ4 숙주 집단 구조는 다성분 바이러스가 환경에 정착하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 손상된 바이러스 입자 간의 협력은 단성분에서 다성분 형태로의 진화적 전환을 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 바이러스의 이동성이 공간적으로 제한된 환경에 정착할 수 있게 함으로써 다성분화는 공간 제한 환경에서 비분할 변종이 접근할 수 없는 곳에서 성공적인 적응 전략으로 나타난다.
• 놀랍게도, 다성분화는 농업 식물 시스템에서 흔한 균일한 숙주 접촉 네트워크에서 유리하게 작용한다.
• 모델은 벡터 기반 이동성이 다성분 바이러스의 생태적 범위를 넓혀주며, 단성분 형태가 실패하는 곳에서도 지속 가능하게 한다는 것을 보여준다.
• 이동성과 네트워크 구조가 효율적 전파를 지원할 경우, 공감염 요구 조건이 지속성을 방해하지 않는다.
• 발견된 결과는 농업의 확장과 함께 다성분화의 증가와 일치하며, 인간의 농업 활동과 바이러스 진화 사이의 연관성을 시사한다.
• 모델은 전파 역학과 공간 구조 간의 상호작용이 분할 바이러스 게놈의 진화적 성공을 이끌 수 있음을 입증한다.