Необычные мутации коронавируса
Сегодня в рецензируемом научном журнале PeerJ у нас вышла статья по актуальной теме - публикация посвящена тому, как мутирует коронавирус, захвативший мир.
Прежде чем объяснять суть статьи напомню некоторые базовые вещи из курса молекулярной биологии (если вы владеете темой - переходите сразу к следующему абзацу). Итак, молекула ДНК представляет собой двойную спираль. Каждая из спиралей - это цепочка из четырех типов нуклеотидов, обозначаемых буквами A,T,G,C. В двойной спирали А ставится напротив Т, а G напротив С. Это называется принципом комплементарности, и он позволяет молекуле ДНК размножаться. Двойная спираль расплетается, и к каждой отдельной цепочке достраивается вторая по этому принципу. В итоге получается две двойные спирали. Копирование ДНК не идеально: иногда возникают случайные опечатки - мутации. Кроме того, с ДНК по этому же принципу комплементарности считываются одноцепочечные молекулы РНК, тоже состоящие из нуклеотидов. Нуклеотиды РНК обозначают буквами A,U,G,C. При синтезе РНК U ставится напротив А. Молекулы РНК используются для синтеза белков.
SARS-CoV-2 - вирус, наследственный материал (геном) которого представлен положительной, то есть используемой для синтеза белков, цепочкой РНК. ДНК у вируса нет. Мы заинтересовались, как изменился характер мутагенеза SARS-CoV-2 после того, как он перескочил к людям. Для этого мы взяли около тысячи полностью прочитанных геномов SARS-CoV-2 и посмотрели на этих данных относительные частоты уникальных одиночных мутаций, когда один нуклеотид A,U,G или C меняется на другой. Поскольку речь идет о разновидностях вируса человека, то все такие мутации произошли в ходе распространения вируса среди людей.
Для сравнения мы посмотрели на одиночные нуклеотидные замены между SARS-CoV-2 и родственными вирусами летучих мышей. Биоинформатические методы позволяют реконструировать предковый геном вируса. Отличия от этого предкового генома представляют собой замены, которые произошли до того, как вирус стал заражать людей. Аналогичные расчеты мы выполнили для двух других коронавирусов, которые перескочили от животных к людям: вируса атипичной пневмонии (SARS-CoV) и коронавируса HKU1.
Если посмотреть на относительное число нуклеотидных замен разного типа в ранней эволюционной истории SARS-CoV-2 до заражения людей, сложно заметить что-то особенное. Частоты таких замен похожи на аналогичные у SARS-CoV и HKU1. Это хорошо согласуется с работами, указывающими на естественное происхождение вируса.
Но после перехода к человеку у SARS-CoV-2 происходит удивительная вещь: примерно в десять раз увеличивается доля мутаций G в U. Причем такого эффекта не наблюдается для SARS-CoV или HKU1. Сначала мы думали, что это может быть ошибкой, но оказалось, что результат воспроизводится независимо от того, каким методом читались геномы, используем ли мы геномы из США или Китая, надежности мутационных данных и так далее.
Что еще более удивительно: мы не видим симметричного увеличения числа комплементарных мутаций C в А. Как я уже говорил, геном SARS-CoV-2 представлен положительной цепочкой молекулы РНК. Когда вирус заражает клетку, положительная цепь используется для синтеза отрицательных цепей, которые в свою очередь используются для синтеза новых положительных цепей, которые упаковываются в оболочки и передаются следующим клеткам. Нуклеотидам A,U,G,C на положительной цепи соответствуют нуклеотиды U,A,C,G на отрицательной. Если бы избыток мутаций G в U возникал за счет ошибок копирования РНК, то такие ошибки, вероятно, возникали бы при копировании как положительных, так и отрицательных цепей. Мутации G в U на отрицательной цепи - это C в А на положительной. Но избытка таких мутаций мы не видим. Выходит, одна из цепей должна мутировать избирательно.
Как такое возможно? В статье мы приводим одно возможное объяснение, аккуратно отмечая его недоказанный, гипотетический характер. Мы знаем, что предок SARS-CoV-2 жил в летучих мышах, которые в процессе эволюции выработали массу молекулярных механизмов, защищающих их клетки от окислительного стресса. Считается, что это позволяет летучим мышам без симптомов распространять массу вирусов, которые вызывали бы тяжелые болезни у других животных.
Известно, что окислительный стресс приводит к избытку мутаций G в Т в ДНК, за счет формирования 8-оксигуанинов. Это такие неправильные буквы G. В норме в ДНК напротив G ставится C, но напротив 8-оксигуанинов могут ставиться как C так и А. Затем напротив А ставится Т, а это и значит, что исходное G поменялось на Т. Есть работы, показывающие, что 8-оксигуанины могут аналогичным образом вносить ошибки при синтезе РНК.
Теперь представим, что на поздних этапах заражения клеток человека возникает как пик синтеза положительных цепей SARS-CoV-2, так и пик окислительного стресса, ведущего к высокому содержанию 8-оксигуанинов в РНК. Именно положительные цепи, обогащенные 8-оксигуанином, передадутся следующим клеткам. Отрицательные цепи, даже если они тоже обогатятся 8-оксигуанином, никуда не передадутся. Поэтому мы увидим только то, как на положительных цепях G заменяется на U. Но я еще раз повторю, что это только гипотеза. Кроме того нас удивляет, что мы не видим такого же эффекта в случае с вирусом атипичной пневмонии.
Сформулирую выводы кратко: мутагенез SARS-CoV-2 изменился после заражения людей весьма интересным способом - возможно, из-за того, что вирус оказался в новой для себя среде. Никаких намеков на то, что в эволюцию вируса кто-то вмешивался искусственно, в данных по заменам мы не видим.
[1] Panchin AY, Panchin YV. 2020. Excessive G-U transversions in novel allele variants in SARS-CoV-2 genomes. PeerJ 8:e9648 https://doi.org/10.7717/peerj.9648
Научно-популярное изложение некоторых других наших научных статей:
Какой «скандал»: от раковой клетки - к новому виду.
Поваренная книга волосатиков
Российские ученые исследовали «неприличное» слово из двух букв, записанное в ДНК
Другие статьи про коронавирус:
Коронавирус, созданный из ВИЧ, ДНК-телепортация и числа Фибоначчи
Насколько опасен коронавирус
Молекулярная эпидемиология Коронавируса в России
Прежде чем объяснять суть статьи напомню некоторые базовые вещи из курса молекулярной биологии (если вы владеете темой - переходите сразу к следующему абзацу). Итак, молекула ДНК представляет собой двойную спираль. Каждая из спиралей - это цепочка из четырех типов нуклеотидов, обозначаемых буквами A,T,G,C. В двойной спирали А ставится напротив Т, а G напротив С. Это называется принципом комплементарности, и он позволяет молекуле ДНК размножаться. Двойная спираль расплетается, и к каждой отдельной цепочке достраивается вторая по этому принципу. В итоге получается две двойные спирали. Копирование ДНК не идеально: иногда возникают случайные опечатки - мутации. Кроме того, с ДНК по этому же принципу комплементарности считываются одноцепочечные молекулы РНК, тоже состоящие из нуклеотидов. Нуклеотиды РНК обозначают буквами A,U,G,C. При синтезе РНК U ставится напротив А. Молекулы РНК используются для синтеза белков.
SARS-CoV-2 - вирус, наследственный материал (геном) которого представлен положительной, то есть используемой для синтеза белков, цепочкой РНК. ДНК у вируса нет. Мы заинтересовались, как изменился характер мутагенеза SARS-CoV-2 после того, как он перескочил к людям. Для этого мы взяли около тысячи полностью прочитанных геномов SARS-CoV-2 и посмотрели на этих данных относительные частоты уникальных одиночных мутаций, когда один нуклеотид A,U,G или C меняется на другой. Поскольку речь идет о разновидностях вируса человека, то все такие мутации произошли в ходе распространения вируса среди людей.
Для сравнения мы посмотрели на одиночные нуклеотидные замены между SARS-CoV-2 и родственными вирусами летучих мышей. Биоинформатические методы позволяют реконструировать предковый геном вируса. Отличия от этого предкового генома представляют собой замены, которые произошли до того, как вирус стал заражать людей. Аналогичные расчеты мы выполнили для двух других коронавирусов, которые перескочили от животных к людям: вируса атипичной пневмонии (SARS-CoV) и коронавируса HKU1.
Если посмотреть на относительное число нуклеотидных замен разного типа в ранней эволюционной истории SARS-CoV-2 до заражения людей, сложно заметить что-то особенное. Частоты таких замен похожи на аналогичные у SARS-CoV и HKU1. Это хорошо согласуется с работами, указывающими на естественное происхождение вируса.
Но после перехода к человеку у SARS-CoV-2 происходит удивительная вещь: примерно в десять раз увеличивается доля мутаций G в U. Причем такого эффекта не наблюдается для SARS-CoV или HKU1. Сначала мы думали, что это может быть ошибкой, но оказалось, что результат воспроизводится независимо от того, каким методом читались геномы, используем ли мы геномы из США или Китая, надежности мутационных данных и так далее.
Что еще более удивительно: мы не видим симметричного увеличения числа комплементарных мутаций C в А. Как я уже говорил, геном SARS-CoV-2 представлен положительной цепочкой молекулы РНК. Когда вирус заражает клетку, положительная цепь используется для синтеза отрицательных цепей, которые в свою очередь используются для синтеза новых положительных цепей, которые упаковываются в оболочки и передаются следующим клеткам. Нуклеотидам A,U,G,C на положительной цепи соответствуют нуклеотиды U,A,C,G на отрицательной. Если бы избыток мутаций G в U возникал за счет ошибок копирования РНК, то такие ошибки, вероятно, возникали бы при копировании как положительных, так и отрицательных цепей. Мутации G в U на отрицательной цепи - это C в А на положительной. Но избытка таких мутаций мы не видим. Выходит, одна из цепей должна мутировать избирательно.
Как такое возможно? В статье мы приводим одно возможное объяснение, аккуратно отмечая его недоказанный, гипотетический характер. Мы знаем, что предок SARS-CoV-2 жил в летучих мышах, которые в процессе эволюции выработали массу молекулярных механизмов, защищающих их клетки от окислительного стресса. Считается, что это позволяет летучим мышам без симптомов распространять массу вирусов, которые вызывали бы тяжелые болезни у других животных.
Известно, что окислительный стресс приводит к избытку мутаций G в Т в ДНК, за счет формирования 8-оксигуанинов. Это такие неправильные буквы G. В норме в ДНК напротив G ставится C, но напротив 8-оксигуанинов могут ставиться как C так и А. Затем напротив А ставится Т, а это и значит, что исходное G поменялось на Т. Есть работы, показывающие, что 8-оксигуанины могут аналогичным образом вносить ошибки при синтезе РНК.
Теперь представим, что на поздних этапах заражения клеток человека возникает как пик синтеза положительных цепей SARS-CoV-2, так и пик окислительного стресса, ведущего к высокому содержанию 8-оксигуанинов в РНК. Именно положительные цепи, обогащенные 8-оксигуанином, передадутся следующим клеткам. Отрицательные цепи, даже если они тоже обогатятся 8-оксигуанином, никуда не передадутся. Поэтому мы увидим только то, как на положительных цепях G заменяется на U. Но я еще раз повторю, что это только гипотеза. Кроме того нас удивляет, что мы не видим такого же эффекта в случае с вирусом атипичной пневмонии.
Сформулирую выводы кратко: мутагенез SARS-CoV-2 изменился после заражения людей весьма интересным способом - возможно, из-за того, что вирус оказался в новой для себя среде. Никаких намеков на то, что в эволюцию вируса кто-то вмешивался искусственно, в данных по заменам мы не видим.
[1] Panchin AY, Panchin YV. 2020. Excessive G-U transversions in novel allele variants in SARS-CoV-2 genomes. PeerJ 8:e9648 https://doi.org/10.7717/peerj.9648
Научно-популярное изложение некоторых других наших научных статей:
Какой «скандал»: от раковой клетки - к новому виду.
Поваренная книга волосатиков
Российские ученые исследовали «неприличное» слово из двух букв, записанное в ДНК
Другие статьи про коронавирус:
Коронавирус, созданный из ВИЧ, ДНК-телепортация и числа Фибоначчи
Насколько опасен коронавирус
Молекулярная эпидемиология Коронавируса в России