Op zoek naar de klepel

bij dezen en genen

Mutatiesnelheid, substitutie snelheid en evolutie van virussen

Een belangrijke factor in evolutie is de mutatiesnelheid. Deze wordt bepaald door hoeveel fouten er optreden tijdens de reproductie van een cel of organisme, tijdens de replicatie van zijn DNA. Hoe betrouwbaarder de polymerase die het DNA kopieert, hoe minder fouten er gemaakt worden. De DNA-polymerase wordt daarbij ook gekenmerkt door proofreading. Zodra het enzym ontdekt een fout gemaakt te hebben, keert het om, knipt de fout eruit, vervangt de foute base door de goede en gaat weer verder. Ondanks de eigenschap van proofreading worden er toch nog fouten gemaakt die in het DNA sluipen. Gaat het om eencelligen dan heeft dit mutatie en evolutie tot gevolg. Bij meercelligen is er sprake van mutatie en evolutie wanneer de fouten in de geslachtscellen ingevoerd worden. Zodra de mutatie deel uitmaakt van het fenotype, d.w.z. zodra de mutatie gefixeerd is, kan er door selectiedruk geselecteerd worden op de nieuwe eigenschappen van het gemuteerde organisme en is er sprake van evolutie. Mutaties die gefixeerd worden vormen de substitutie snelheid ofwel de evolutiesnelheid. Substitutie snelheid wordt vaak gebruikt bij het classificeren van virussen en organismen.

In het geval van virussen is de hoge evolutiesnelheid een gevolg van grote populaties, korte generaties en hoge mutatiesnelheid. Zoals hierboven beschreven is mutatie afhankelijk van het aantal fouten dat gemaakt wordt. RNA virussen hebben een hogere mutatiesnelheid dan DNA virussen; ze maken nu eenmaal meer kopieerfouten. Maar, ook in het geval van RNA replicatie bij virussen kan er sprake zijn van proofreading

Het SARS-CoV-2 virus heeft, net als andere coronavirussen, een groot genoom. Het bevat zo’n 30.000 basen waarschijnlijk dankzij proofreading. Het heeft een mutatiesnelheid van 1.12 × 10−3 mutations per site per jaar. Dat zou iets meer zijn dan 2 mutaties per maand in het hele genoom. 

Fig. 1 SARS-CoV-2-mutatiefrequentie in verschillende geografische gebieden. Acht nieuwe terugkerende hotspots-mutaties (namelijk 1397, 2891, 14408, 17746,17857, 18060, 23403 en 28881) en 5 reeds in de literatuur gerapporteerde hotspots (namelijk 3036, 8782, 11083, 28144 en 26143) werden onderverdeeld in 4 geografische gebieden: Azië (n = 71), Oceanië (n = 15), Europa (n = 101), Noord-Amerika (n = 33). De grafiek toont de cumulatieve mutatiefrequentie van alle gegeven mutaties die in elk geografisch gebied aanwezig zijn. Mutatie locaties in virale genen worden in de legende vermeld, evenals de eiwitten (d.w.z. niet-structureel eiwit, nsp) die deze mutaties presenteren. De figuur laat zien dat genomen van Europese en Noord-Amerikaanse patiënten een toename in mutatiefrequentie vertonen in vergelijking met Azië. Europa en Noord-Amerika vertonen een verschillend patroon van mutaties vertonen: mutatie 14408 (rood), 23403 (zwart), 28881 (elektrisch blauw) en 26143 (licht groen) zijn voornamelijk aanwezig in Europa, terwijl 18060 (roze), 17857 (paars) en 17746 (lichtblauw) voornamelijk aanwezig zijn in Noord-Amerika (Pacchetti et al. 2020)

Zoals door Gert Korthof beschreven in zijn post op Evolutie blog (Did the highly transmissible British SARS-CoV-2 variant B.1.1.7 originate in one individual?), kan er in een immuun verzwakte patiënt een nieuwe variant ontstaan. We hebben daar de mogelijkheid bediscussieerd dat een virus, wanneer het vrij spel heeft, kan muteren en diversifiëren zoveel het wil. Een hoge mutatiesnelheid door kopieerfouten is een risico voor een virus want, zoals besproken in voorgaande post op dit blog, bestaat er een trade off: maakt het virus te veel fouten dan kan het vlug muteren en zich snel aanpassen aan nieuwe omstandigheden, maar het riskeert ook door een catastrofe aan fouten virulentie te verliezen of zelfs te verdwijnen en uit te sterven. Over het algemeen zijn mutaties in virussen schadelijk en het gemuteerde virus sterft uit. Dan zijn er de neutrale mutaties en vervolgens slechts enkele die gunstig zijn. Een virus dat een immuun verzwakte patiënt infecteert kan vrij muteren en is daarbij vrijwel onafhankelijk van hoe besmettelijk het moet zijn om over te kunnen springen op een andere gastheer. Het blijft immers in de patiënt. Uiteindelijk zal er een virus vrijkomen dat besmettelijker kan zijn dan het originele virus waarmee de patiënt geïnfecteerd raakte. 

Een interessant gegeven wordt beschreven door het artikel van P. Simmonds et al. 2019.  Endogene virale elementen (EVE’s) in het genoom van zoogdieren, vogels en andere eukaryoten laten zien dat virussen vergelijkbaar zijn met hedendaagse virussoorten die al tientallen miljoenen jaren geleden bestonden. Een voorbeeld: het HBV (virus dat hepatitis B veroorzaakt) werd gevonden in het genoom van mensen die 2500-3000 jaar geleden in Europa en Centraal-Azië leefden. Deze antieke virussen kwamen duidelijk overeen (‘matched’) met de HBV virussen van vandaag  en verschilden slechts voor 1,3 – 3% van de moderne HBV virussen. De substitutie snelheid van de antieke HBV virussen ligt ongeveer 100x lager (8.04 × 10−6 SSY – Substitutions per Site per Year – tot 1.51 × 10−5 SSY in de antieke virussen tegen 7.72 × 10−4 SSY in de huidige virussen).

Dergelijke studies wijzen uit dat virussen van lang geleden een lage substitutie snelheid bezitten, terwijl virussen uit recentere perioden of hedendaagse virussen veel hogere substitutie snelheden vertonen. Wanneer virale evolutie wordt gemeten over korte tijdschalen, worden typisch snelle opeenvolgingen van verandering waargenomen. Echter, over langere tijdschalen, zijn de evolutionaire snelheden van virussen verschillende orden van grootte langzamer en naderen die van hun gastheren. Over de langste tijdschalen (100 miljoen tot 1 miljard jaar) waren substitutie snelheden voor DNA- en RNA-virussen van welke soort ook, bijzonder vergelijkbaar namelijk snelheden van 1–5 × 10−9 SSY; deze waarden komen op hun beurt nauw overeen met de gemiddelde substitutie snelheden van 2,2 × 10−9 SSY bij het genoom van zoogdieren. Er bestaat tot nog toe geen duidelijke verklaring van dit fenomeen. Misschien is de meest algemeen aanvaarde verklaring wel dat snelheidsmetingen op korte termijn processen op populatieniveau vastleggen, inclusief schadelijke transitorische mutaties en gunstige maar transitorische shortsighted aanpassingen voor hun huidige host die dus geen lange termijn kennen. De substitutie-snelheden op lange termijn daarentegen geven beter de werkelijke fixatiesnelheid van mutaties over macro-evolutionaire tijdschalen weer.

Fig. 2 Benaderingen om de evolutie van het RNA-virus te bestuderen. Het Venn-diagram illustreert de twee historische, en grotendeels parallelle, onderzoeksgebieden in virus evolutie – de experimentele en de vergelijkende – die aan het eind van de jaren zeventig ontstonden. Ze overlappen elkaar in het algemeen alleen bij de studie van een beperkt aantal virusoverdracht gebeurtenissen tussen de verschillende hosts, waarbij vaak sprake is van een aanzienlijk knelpunt (bottleneck) in de populatie. Door het gebruik van in vitro of in vivo modelsystemen, richten experimentele studies zich grotendeels op de evolutie op korte termijn, met name die welke plaatsvindt binnen individuele gastheren. Daarentegen behandelen vergelijkende benaderingen interhost, epidemiologische schaal dynamiek die meerdere ronden van interhost transmissie met zich meebrengt en zijn meestal gebaseerd op fylogenetische analyses. De auteurs van het artikel waar deze illustratie uitkomt (Geoghegan et al. 2018) suggereren dat een nieuwe evolutionaire genetica-benadering nodig is om deze kloof te overbruggen.

Deze laatste verklaring doet denken aan de intra-host besmettingen met SARS-CoV-2 van patiënten met een verzwakt immuunsysteem, zoals beschreven door Gert Korthof. Deze besmettingen zouden veel mutaties voortbrengen (veel varianten) die vergelijkbaar zijn met de korte termijn metingen hierboven beschreven. Kijkt men op langere termijn – naar de besmettingen tussen verschillende gastheren – dan is de mutatiesnelheid veel lager. Op de lange termijn worden immers mutaties vastgelegd die het virus een ‘goede’ besmettingsgraad verschaft. Dat laatste is gedurende intra-host reproductie niet nodig, het virus muteert immers in het wilde weg. Inter-host reproductie is daarentegen afhankelijk van een (sterke) besmettingsgraad – de juiste mutaties daarvoor worden geselecteerd door een bottleneck en gefixeerd (zie fig.2).

Referenties

Evolutieblog Gert Korthof: Did the highly transmissible British SARS-CoV-2 variant B.1.1.7 originate in one individual?

Complexities of Viral Mutation Rates; Kayla M. Peck, Adam S. Lauring. Journal of Virology Jun 2018, 92 (14) e01031-17; DOI: 10.1128/JVI.01031-17

Simmonds, P., Aiewsakun, P. & Katzourakis, A. Prisoners of war — host adaptation and its constraints on virus evolution. Nat Rev Microbiol 17, 321–328 (2019). https://doi.org/10.1038/s41579-018-0120-2

Robson, Fran & Khan, Khadija & Le, Thi & Paris, Clément & Demirbag, Sinem & Barfuss, Peter & Rocchi, Palma & Ng, Wai-Lung. (2020). Coronavirus RNA Proofreading: Molecular Basis and Therapeutic Targeting. Molecular Cell. 79. 10.1016/j.molcel.2020.07.027.

Evolutionary Virology at 40; Jemma L. Geoghegan, Edward C. Holmes. GENETICS December 1, 2018 vol. 210 no. 4 1151-1162; https://doi.org/10.1534/genetics.118.301556

Emerging SARS-CoV-2 mutation hot spots include a novel RNA-dependent-RNA polymerase variant. Pachetti et al. J Transl Med (2020) 18:17 https://doi.org/10.1186/s12967-020-02344-6

7 Reacties op “Mutatiesnelheid, substitutie snelheid en evolutie van virussen

  1. Gert Korthof februari 1, 2021 om 10:55

    Marleen, complimenten voor dit blog op hoog wetenschappelijk niveau. Met zeer veel voor mij nieuwe informatie. Bijna allemaal nieuwe informatie. Wat dus veel stof tot nadenken geeft, en bij mij dus vele vragen oproept.
    Eerste impulsieve reactie: die veelkleurige staafdiagram met 4 geografische gebieden: is dat niet vreemd: mutatiefrequentie die zoveel verschilt in geografische gebieden? Dat verwacht je toch niet? Of lees ik het verkeerd? Mutatiefreq uitgedrukt in % … ? Zelfs als we te maken hebben met substitutiesnelheid en fixatie van mutaties: dan nog verwacht je toch niet zoveel geografische verschillen in mutatiefrequentie? Toeval? Zelfs als het gaat om die 13 hotspots (op zich zeer interessant concept!) : waarom verschillen die geografisch? Verschillen de mensen in die gebieden in genetisch opzicht zoveel? Er zullen geografische verschillende virusvarianten voorkomen, is dat de verklaring? Maar er is toch ook veel internationale uitwisseling van virussen?
    Mijn favoriete Spike protein: (waarvan iedereen zegt dat het zo belangrijk is): heeft alleen in Europa een hotspot…? Muteert het in de rest van de wereld niet zo hard dat het een hotspot genoemd mag worden? Wat betekent die n=71 etc? (kleine aantallen allemaal).
    M.a.w: vragen genoeg. En dan heb ik de rest nog niet goed bestudeerd!
    Dank Marleen: ik ben weer helemaal wakker. Je blijft je verbazen over dit virus! En over de enorme hoeveelheid onderzoek!

    • Marleen februari 1, 2021 om 16:12

      Gert,

      Dank je Gert voor je compliment. Het is wel zo dat hoe meer we weten hoe meer vragen er zijn.

      Ik lees (na wat puzzelen) de gekleurde kolommen als volgt. Nemen we Europa en we kijken naar het rode stuk, dan zien we dat die op de y-as ongeveer van 90 tot 130 loopt. Dit staat dan voor ongeveer 40% (mutatiefrequentie) en dat betekent dan dat 40% van het totaal aantal Europese genomen (n= 101) die mutatie draagt, dat komt overeen met ongeveer 40 genomen met die rode mutatie (nsp12; in de polymerase). Het is op te maken uit de volgende passage in het artikel:

      We evaluated the distribution of SARS-CoV-2 mutations through different geographic areas (see Fig. 1), calculating the mutation frequency within these 4 geographic areas, by normalizing the number of genomes carrying a given mutation per geographic area.

      en de tekst daar omheen (de link naar Pachetti et al. 2020 staat bij de referenties mocht je er nog meer van af willen weten).

      Ik dacht al wel dat je geïnteresseerd zou zijn in die figuur. De weergegeven waarden corresponderen met het begin van de pandemie (januari, februari en maart) dus het is alweer wat verouderd.

      Dat de frequenties zo verschillen tussen de geografische gebieden is inderdaad verrassend. Ik weet niet hoe ik dit moet interpreteren, maar ik lees in de conclusies dat zowel bij de Europese genomen als de Noord-Amerikaanse er vanaf half februari sprake is van een mutatie in de RNA-dipendent RNA polymerase (RdRp) die de proofreading aantast en daarmee de mutatiefrequentie omhoog stuwt. Lijkt me een heel plausibele verklaring.

  2. Gert Korthof februari 1, 2021 om 21:01

    Arme Marleen: wat spijt het me dat ik je zo aan het werk heb gezet! Ik had niet verwacht dat die publicatie zo’n puzzel was. Dat hoort niet: een publicatie behoort geen puzzel te zijn! Ze moeten glashelder uitleggen hoe hun grafiek tot stand is gekomen, anders is het geen wetenschappelijke publicatie. Punt uit. Peerreview moet dat er uit filteren!
    In mijn blogs denk ik ook vaak: heb ik het nu begrijpelijk opgeschreven? Is het logisch? Heb ik geen stappen overgeslagen? Lastig, want je vindt je eigen denkstappen logisch!

    Je geeft een interessante verklaring voor “Dat de frequenties zo verschillen tussen de geografische gebieden” nl. RNA-dependent RNA polymerase (RdRp) de proofreading aantast. Dat zou te controleren moeten zijn. Het grappige is dat Europa en N Amerika meer varianten hebben dan Azië en Oceanië.
    Dat ze mutatie hotspots hebben aangewezen vindt ik nog wel het meest intrigerende….
    (morgen verder)

    • Marleen februari 2, 2021 om 06:11

      Gert,

      Je schrijft:

      Je geeft een interessante verklaring voor “Dat de frequenties zo verschillen tussen de geografische gebieden” nl. RNA-dependent RNA polymerase (RdRp) de proofreading aantast. Dat zou te controleren moeten zijn. Het grappige is dat Europa en N Amerika meer varianten hebben dan Azië en Oceanië.

      Het was inderdaad even puzzelen. De figuur stond daar ter illustratie van mutaties. Dankzij jouw vragen weten we nu veel meer.

      Het is trouwens niet mijn verklaring maar die van de auteurs. Zoals je kunt zien is er alleen in de gebieden waar een hoge mutatiefrequentie is sprake van de mutatie in RdRp (rood). De gebieden Azie en Oceanie hebben die mutaties van RdPp niet (geen rood) en vertonen dan ook minder mutatiefrequentie.

  3. Gert Korthof februari 2, 2021 om 11:22

    Marleen,
    GISAID.org geeft ook de evolutie van strains:
    https://www.gisaid.org/phylodynamics/global/nextstrain/
    dan helemaal naar beneden scrollen.
    je ziet 6 strains met ieder een eigen kleur, die toenemen, gelijk blijven of afnemen of verdwijnen.

    Een discussiepunt tussen blijft within-host and between-host selection:
    Within-host selection is meer omvattend dan alleen maar een compleet virus particle produceren. Het virus aan self-assemblage doen, dat vereist bepaalde specificaties van hulp eiwitten; het lange RNA genome moet ingepakt en opgevouwen worden, Het moet de cel uit getransporteerd worden, het moet ook binnen de host nieuwe cellen kunnen infecteren dus met ACE2 binden. dus daar begint de selectie al. en nog meer. Alles wat afdoet aan die within-host verspreiding heeft uiteindelijk effect op between-host infection. Ik lees er weinig over, maar welke eigenschappen zijn belangrijk om het virus deeltje van host naar host te transporteren? stabiliteit, het membrane: hoe zit het daarmee? maakt het virus die zelf aan, of is dat gestolen membraan van host cellen? welke virus genen zijn daarbij betrokken?

    die figuur met die rode en blauwe cirkel: gaat dat over 1 virus soort in de rode cirkel, en is die stamboom van een hele familie van nauw verwante virussen? bv alle corona virussen? of toch van 1 enkele virus soort. Ik snap de bedoeling van de verschillende perspectieven wel: die blauwe cirkel zou dan een algemene virus stamboom zijn

    • Marleen februari 4, 2021 om 04:33

      Gert,

      Allemaal heel goede punten en vragen die je stelt. Inderdaad het virus moet ook binnen de host cellen kunnen infecteren (intra-host reproductie), wat betekent dat het zich moet assembleren tot een compleet virus. Welke vervolgens de vereisten zijn om andere hosts te kunnen besmetten weet ik niet. Ik kan me voorstellen dat dat inderdaad iets met stabiliteit van het membraan of met een speciaal kleverige spike proteïne te maken heeft.

      Je laatste vraag over figuur 2 kan ik moeilijk beantwoorden. Ik denk dat de gekleurde stipjes verschillende varianten van een virus moeten voorstellen. Eerlijk gezegd weet ik weinig van ‘virussoorten’ en hoe die gedefinieerd zijn. Wanneer heb je van doen met een mutant en wanneer met een andere soort? Is dat laatste een verschil in symptomen bij de gastheer?

      De figuur laat zien dat er een bottleneck is tussen intra-host en inter-host. Je ziet dat alleen de rode en blauwe bolletjes naar buiten komen en aan lange termijn evolutie deelnemen.
      De bottleneck geeft aan dat virussen besmettelijk moeten blijven of zodanig moeten muteren dat ze op lange term een kans maken. Maar ook de laatste zin van de legende van die figuur is van belang. Kennelijk weet men weinig af van hoe de passage van intra-host naar inter-host evolutie te werk gaat. De virussen die in de host blijven zijn gedoemd daar te blijven totdat er een aantal zodanig muteert dat ze via de luchtwegen uit- en vervolgens ingeademd kunnen worden door de volgende gastheer.

  4. Gert Korthof februari 4, 2021 om 10:20

    Marleen, volgens mij behoort een virus tot dezelfde soort als het dezelfde genen heeft +/- een klein gen (op het eind) of +/- een dood gen, en (meestal) wanneer het aangrijpt op dezelfde receptor in de gastheer.
    Hier staat een overzicht van varianten:
    https://en.wikipedia.org/wiki/Variants_of_SARS-CoV-2
    daar geven ze Notable variants die gekenmerkt worden door een vast combinatie van mutaties.

    boven noemde ik al:
    GISAID.org geeft ook de evolutie van SARS-CoV-2 strains:
    https://www.gisaid.org/phylodynamics/global/nextstrain/
    scroll naar beneden

Praat mee en laat hier uw reactie achter

Vul je gegevens in of klik op een icoon om in te loggen.

WordPress.com logo

Je reageert onder je WordPress.com account. Log uit /  Bijwerken )

Google photo

Je reageert onder je Google account. Log uit /  Bijwerken )

Twitter-afbeelding

Je reageert onder je Twitter account. Log uit /  Bijwerken )

Facebook foto

Je reageert onder je Facebook account. Log uit /  Bijwerken )

Verbinden met %s

Footnotes to Plato

because all (Western) philosophy consists of a series of footnotes to Plato

Zwervende gedachten

Een filosoof over argumentatie, biologie, handelingstheorie en wat hem verder invalt

mjusicamanti.wordpress.com/

per amanti della vera musica

SangueVivo

Ancora solo un battito in più - blog personale di Paolo Minucci

Scientia Salon

An archived blog about science & philosophy, by Massimo Pigliucci

Infinite forme bellissime e meravigliose

si sono evolute e continuano a evolversi

Meneer Opinie

Altijd een mening, maar niet altijd gehinderd door kennis van zaken

The Cambrian Mammal

An evo-devo geek's scientific meanderings

Why Evolution Is True

Why Evolution is True is a blog written by Jerry Coyne, centered on evolution and biology but also dealing with diverse topics like politics, culture, and cats.

Evolution blog

bij dezen en genen

The Finch and Pea

A Public House for Science

voelsprieten

* wonder van het alledaagse *

kuifjesimon

Just another WordPress.com site

The Amazing Comics Men

Comics by Dutch cartoonists Jan the Stripman & Wim the Mysterious Helpman

Barbara Jansma

Prenten, spotprenten en schilderijen

Glaswerk

Ongepoetst en uit de hand

%d bloggers liken dit: