Op zoek naar de klepel

bij dezen en genen

Tag archief: proofreading

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

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: