[논문 리뷰] Phylogenetic study of 2019-nCoV by using alignment-free method

Yan-Wei Gao, Li T외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 03. 02.

SARS-CoV-2 and COVID-19 Research참고 문헌 24인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 IC-PIC 정렬 자유 방법을 사용하여 2019-nCoV 계통발생학을 RNA 서열 상관관계 기반으로 분석하여, 2019-nCoV가 베타코로나우스의 사르베코바이러스 속에 속하며, 코끼리에서 유래했을 가능성이 있으며, 판다이온이 가능한 중간 숙주일 수 있음을 밝혀냈다. 분석 결과는 우한 발병 이전에 이미 세계 곳곳으로 퍼졌을 가능성이 있으며, 생물계통학적 일관성과 다수의 외계군을 활용한 뿌리 위치 설정으로 뒷받ány된 바 있다.

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.

연구 동기 및 목표

• 정렬 자유 서열 분석을 통해 2019-nCoV의 베타코로나우스 계통 내 위치를 규명하는 것.
• 특히 코끼리와 판다이온이 잠재적 저류체로서 수행하는 역할을 포함한 2019-nCoV의 진화적 기원을 조사하는 것.
• 계통수의 뿌리 위치 분석을 통해 조기 2019-nCoV 계통의 시기와 지리적 확산을 평가하는 것.
• 다양한 외계군과 공통 알고리즘(Neighbor Joining 및 UPGMA)을 사용하여 수목 구조의 견고성 검증.
• 2019-nCoV 계통수의 초기 분지 패턴에서 위치-바이러스 연관성 존재 여부 탐색.

제안 방법

• 2019-nCoV 및 관련 코로나우스의 RNA 서열을 비교하기 위해 IC-PIC(정보 상관관계 및 부분 정보 상관관계) 정렬 자유 방법 적용.
• 서열 정렬 없이도 진화적 거리를 측정하기 위해 DNA/RNA 서열 정보 상관관계(IC) 및 부분 정보 상관관계(PIC) 사용.
• 코끼리 및 판다이온 관련 코로나우스와 HIV를 포함한 다수의 외계군을 사용하여 Neighbor Joining 알고리즘을 활용한 계통수 구축.
• Root 위치 및 수목 구조의 타당성을 검증하기 위해 Neighbor Joining 수목과 UPGMA 공통 수목 비교.
• 다양한 외계군을 테스트하여 뿌리 위치를 체계적으로 평가하고 가장 신뢰할 수 있는 진화 기원 유추.
• 초기 분지 분석을 통해 바이러스 계통이 지리적으로 군집되거나 위치-바이러스 연관성이 있는지 탐색.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2019-nCoV는 베타코로나우스 계통 내에서 어디에 계통적으로 위치해 있으며, 어떤 속에 속해 있는가?
• RQ2 2019-nCoV의 진화 기원은 무엇이며, 코끼리 또는 판다이온 중 어떤 동물 종이 가장 가능성이 높은 저류체 또는 중간 숙주인가?
• RQ3 우한 발병 이전에 여러 세계 지역에서 바이러스가 조기에 확산된 증거가 있는가?
• RQ4 다양한 외계군을 사용할 경우 수목 구조의 견고성은 어떻게 평가되는가?
• RQ5 초기 바이러스 계통은 어느 정도 지리적 군집 또는 위치-바이러스 연관성을 보이는가?

주요 결과

• 2019-nCoV는 생물계통학적 일관성과 일치하는 바에 따라 베타코로나우스 계통 내 사르베코바이러스로 분류된다.
• IC-PIC 방법은 기존 바이러스학적 분류와 일치하는 계통수 수목 구조를 생성하여 정렬 자유 접근법의 신뢰성을 뒷받침한다.
• 분석 결과는 2019-nCoV의 기원이 코끼리에서 비롯되었으며, 판다이온이 가능한 중간 숙주로 확인되었다.
• 2019-nCoV 수목의 몇몇 가장 오래된 분지는 바이러스가 우한 발병 이전에 여러 세계 지역으로 퍼졌을 가능성을 시사한다.
• 코끼리 및 판다이온 관련 코로나우스를 포함한 다양한 외계군을 사용할 때도 뿌리 위치가 안정적이고 일관되어 진화 유추에 대한 신뢰도가 높아졌다.
• 초기 분지에서의 위치-바이러스 연관성 존재는 팬데믹 초기 단계에서 지역적 확산 패tern이 존재할 가능성을 시사한다.