[论文解读] Deleterious synonymous mutations hitchhike to high frequency in HIV-1 env evolution

Fabio Zanini, Richard A. Neher|arXiv (Cornell University)|Mar 4, 2013

HIV Research and Treatment参考文献 34被引用 35

一句话总结

本研究揭示，HIV-1 env基因中的同义突变，特别是破坏可变环周围RNA茎环结构的突变，具有有害性，并非通过中性演化，而是通过与附近有益的非同义逃逸突变发生遗传搭车而达到高频率。计算建模估计其适合度成本约为−0.002，挑战了病毒演化中同义突变中性的假设，凸显RNA结构约束作为关键演化力量的重要性。

ABSTRACT

Intrapatient HIV-1 evolution is dominated by selection on the protein level in the arms race with the adaptive immune system. When cytotoxic CD8+ T-cells or neutralizing antibodies target a new epitope, the virus often escapes via nonsynonymous mutations that impair recognition. Synonymous mutations do not affect this interplay and are often assumed to be neutral. We analyze longitudinal intrapatient data from the C2-V5 part of the envelope gene (env) and observe that synonymous derived alleles rarely fix even though they often reach high frequencies in the viral population. We find that synonymous mutations that disrupt base pairs in RNA stems flanking the variable loops of gp120 are more likely to be lost than other synonymous changes, hinting at a direct fitness effect of these stem-loop structures in the HIV-1 RNA. Computational modeling indicates that these synonymous mutations have a (Malthusian) selection coefficient of the order of -0.002 and that they are brought up to high frequency by hitchhiking on neighboring beneficial nonsynonymous alleles. The patterns of fixation of nonsynonymous mutations estimated from the longitudinal data and comparisons with computer models suggest that escape mutations in C2-V5 are only transiently beneficial, either because the immune system is catching up or because of competition between equivalent escapes.

研究动机与目标

• 研究HIV-1 env基因中同义突变的演化动力学，特别是免疫逃逸驱动快速演化的C2-V5区域。
• 检验同义突变是否真正中性，或是否通过RNA结构约束产生隐藏的适合度效应。
• 确定同义突变达到高频率并非通过自然选择，而是通过与邻近有益的非同义突变发生搭车的范围。
• 利用纵向患者数据和计算建模估算有害同义突变的适合度成本。
• 评估逃逸突变的瞬时优势或表位内竞争是否可解释观察到的固定模式。

提出的方法

• 利用患者p10的C2-V5区域HIV-1 env基因深度测序数据，分析病毒群体频率轨迹的纵向数据。
• 通过分箱处理突变频率并比较实际固定率与中性预期（P_fix = ν）来估算固定概率。
• 使用FFPopSim进行个体为基础的模拟，计算模拟HIV-1在患者内的演化过程，包含可变的适合度效应。
• 基于Watts等人（2009年）的SHAPE反应数据，根据RNA结构破坏程度为同义位点分配有害的选择系数（s_d）。
• 通过表型上位性适合度景观，模拟具有时间依赖性有益效应的免疫逃逸，以及等效逃逸突变之间的竞争。
• 使用分箱固定概率的线性插值量化与中性偏离的程度，并估算适合度效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 HIV-1 env基因中的同义突变是由于中性漂变还是与有益突变搭车而达到高频率？
• RQ2 破坏gp120可变环中RNA茎环结构的同义突变是否受到纯化选择？
• RQ3 此类有害同义突变的适合度成本有多大？
• RQ4 为何env基因中的逃逸突变固定后呈短暂状态而非长期维持在高频率？
• RQ5 是否需要时间依赖性选择或等效逃逸突变之间的强竞争才能解释观察到的固定动力学？

主要发现

• 破坏gp120可变环周围碱基配对RNA茎的同义突变比其他同义改变更可能被清除，表明存在直接的适合度成本。
• 这些有害同义突变的适合度成本估计约为−0.002（Malthusian选择系数），表明对病毒适合度有可测量的负面影响。
• 尽管在群体中频率很高，同义突变却极少固定——高频率同义等位基因的固定率低于10%，远低于非同义逃逸突变的固定率。
• 有害同义突变通过与邻近有益的非同义突变发生遗传搭车，成为其达到高频率的主要机制。
• 需要时间依赖性选择或等效逃逸突变之间的强竞争，才能解释纵向数据中观察到的逃逸突变短暂固定的模式。
• 整合RNA结构约束与动态免疫压力的计算模型最能再现患者数据中观察到的固定与丢失模式。