[논문 리뷰] In-vivo mutation rates and fitness landscape of HIV-1

Fabio Zanini, Vadim Puller외 3명|arXiv (Cornell University)|2016. 03. 21.

HIV Research and Treatment참고 문헌 1인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 치료를 받지 않은 환자에서 종단적 깊이 시퀀싱 데이터를 사용하여 체내 HIV-1 돌연변이율과 적합도 비용을 추정한다. 중립적 및 비중립적 위치에서의 돌연변이와 선택의 균형을 모델링함으로써, 1.2×10⁻⁵의 돌연변이율(1일당 1개의 서열당)을 밝혀내었으며, 약 50%의 비동일암호화 돌연변이가 10% 이상의 적합도 비용을 지닌다는 것을 보여주었고, 이 비용은 특히 조절 및 구조적 RNA 요소에서 유전자 영역에 따라 달라진다.

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.

연구 동기 및 목표

• 치료를 받지 않은 환자에서 HIV-1 돌연변이의 체내 돌연변이율과 적합도 비용을 정량화하는 것.
• in vitro 실험과 집단 수준의 시퀀스 데이터의 한계를 극복하기 위해 종단적 내환자 변동성을 사용하는 것.
• HIV-1 게놈 전반에서 단일 염기 및 아미노산 해상도로 적합도 영향을 추정하는 것.
• HIV-1의 적합도 지형이 면역 회피 역학과 무관하게 환자 간에 통일되어 있는지 확인하는 것.
• 글로벌 HIV-1 그룹 M 다양성에서의 서열 보존성을 내생물 진화에서의 직접적 적합도 비용 추정과 연결하는 것.

제안 방법

• 치료를 받지 않은 환자 9명에서 6~12개의 시간 포인트마다 HIV-1 RNA의 전게놈 깊이 시퀀싱을 수행하였다.
• 시간에 따른 변이 빈도의 선형 회귀를 통해 약간 중립적인 위치에서의 돌연변이율을 추정하였으며, 시간별 빈도 데이터를 사용하였다.
• 공동체가 시간에 따라 안정된 위치에 대해 이중상태 모델(공동체 대 비공통 돌연변이)을 적용하여 비선형 최소제곱 피팅을 통해 선택 계수를 추정하였다.
• 샘플링 편향과 시퀀싱 오차를 보정하기 위해, 템플릿 입력 기반의 가중치를 사용하여 SNP 빈도를 환자 간 평균화하였다.
• 특정 서열의 적합도 비용을 μ/ x̂로 계산하였으며, 여기서 μ는 공통체에서 벗어나는 돌연변이율이고, x̂는 비공통 앨레일의 평형 빈도이다.
• 돌연변이율과 적합도 비용 추정치의 불확실성을 추정하기 위해 부트스트랩 분포를 구축하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 HIV-1의 체내 돌연변이율은 얼마이며, in vitro 측정치와 비교해보면 어떻게 되는가?
• RQ2 자연 감염 하에서 HIV-1의 돌연변이 스펙트럼(예: 전이 대 비전이)은 어떠한가?
• RQ3 HIV-1 게놈 전반에서 돌연변이의 적합도 비용은 어떻게 변하는가? 이는 다양한 환자 간에 일관된가?
• RQ4 동일암호화 돌연변이가 적합도 비용에 얼마나 기여하는가? 이러한 비용은 어디에서 가장 높은가?
• RQ5 HIV-1의 해로운 부분의 적합도 지형은 면역 선택과 무관하게 환자 간에 통일되어 있는가?

주요 결과

• HIV-1의 체내 돌연변이율은 1.2×10⁻⁵ per site per day로, 세포 배양에서 측정된 값과 일치한다.
• 돌연변이 스펙트럼은 G→A가 가장 흔하며, 이어 C→T, T→C, A→G의 순서이며, 전이가 흔한 반면 비전이가 흔하지 않다.
• 비동일암호화 돌연변이의 약 50%가 10% 이상의 적합도 비용을 지닌다. 이는 강력한 청소 선택이 작용하고 있음을 시사한다.
• 대부분의 동일암호화 돌연변이는 적합도 비용이 1% 이하이지만, 기능적 RNA 구조와 조절 영역에서는 비용이 유의미하게 높다.
• gag와 pol에서의 동일암호화 돌연변이의 적합도 비용은 특히 낮은 편이지만, RRE와 psi와 같은 핵심 RNA 요소에서는 예외적으로 높다.
• 내환자 내 적합도 비용 추정치는 여러 환자 간에 일관되며, 이는 전반적인 적합도 지형이 환자 간에 통일되어 있으며, 글로벌 HIV-1 그룹 M 다양성의 대부분을 설명할 수 있음을 시사한다.