猴痘病毒蛋白序列和密码子使用的分子进化

2024-08-13 Tue
猴痘病毒蛋白序列和密码子使用的分子进化研究背景2022年的猴痘病毒（Monkeypox virus, MPXV）疫情引发了全球公共卫生的巨大关注。然而，猴痘病毒的进化机制仍未被完全了解。猴痘病毒是一种线性双链DNA病毒，属于痘病毒科Poxviridae，弦状痘病毒亚科Chordopoxvirinae和正痘病毒属Orthopoxvirus。其基因组约为197 kb，编码约200个基因。猴痘病毒可以感染多种动物，包括人类、非人灵长类和啮齿动物。与天花病毒（Variola virus, VARV）和牛痘病毒（Vaccinia virus, VACV）类似，猴痘病毒也能导致人类疾病和死亡。
猴痘病毒最早于1958年在丹麦的一个动物设施中被发现，1970年首次在刚果民主共和国的人类病例中分离出来。在2022年之前，猴痘病毒主要流行于中部和西部非洲国家，偶尔有其他地区的输入病例。2022年5月，英国报告了首例2022年猴痘病毒爆发的病例，随后在全球范围内引发疫情，并在7月23日被世界卫生组织宣布为国际公共卫生紧急事件。截至2023年9月11日，全球已有115个国家和地区报告了共计90,439例确诊病例。
根据系统发育分析，猴痘病毒被分为两个主要谱系：谱系I（“中非”谱系）和谱系II（“西非”谱系），而后者进一步细分为IIa和IIb亚谱系。2022年爆发的病例大多属于IIb亚谱系。
论文来源该论文由单科佳、吴长城、唐晓璐、路若坚、胡亚玲整合编著，分别来自北京大学生命科学学院、北京科兴生物制品有限公司和中国疾病预防控制中心病毒病预防控制所。论文在2024年发表于Genomics, Proteomics & Bioinformatics。
研究方法为了研究猴痘病毒的进化模式，研究团队从NCBI和GISAID数据库中下载了2789个猴痘病毒基因组序列，并进行了以下几步关键的研究工作：
a) 研究工作流程基因序列下载和分类：
研究团队将下载的病毒基因组序列分为四个谱系（I，IIa，IIb-a，IIb-b）进行分析。
正选择信号检测：
通过计算各基因在谱系间的DNA碱基取代速率（dn/ds），团队发现大部分比较结果中x值小于1，表明净化选择是猴痘病毒基因进化的主要驱动力。然而在谱系I与谱系II的比较中发现12个基因的中位x值大于1，其中opg027基因在所有比较中均表现出正选择的信号。
蛋白质进化加速分析：
使用Treetime分析工具对756个IIb亚谱系基因组进行了基因组演化率的估计，并发现2022年爆发的猴痘病毒变种其蛋白质序列进化速度加快。
表际关系的分析：
通过对病毒基因组中的SNPs进行连锁不平衡（LD）分析，研究团队发现这些突变之间存在显著的互作效应。
密码子使用偏向性分析：
使用Codon Adaptation Index (CAI)分析结果显示，与人类基因相比，猴痘病毒基因更倾向于使用非优化密码子。且随着时间的推移，猴痘病毒密码子优化水平降低，但其致死率与CAI呈负相关，尚不清楚这种关系是偶然还是因果关系。
b) 研究主要结果正选择信号：
研究中opg027基因在谱系I与谱系II间的比较中表现出显著的正选择信号，表明其在谱系分化过程中有积极的适应性变化。
蛋白质进化加速：
通过对2022年爆发的756个猴痘病毒基因组的分析，证明这些变种在时间上的进化加速，特别是在非同义突变方面。
突变之间的表际关系：
研究发现猴痘病毒基因组中许多突变呈现出较强的互作关系，这可能会影响病毒变种的适应性和进化速度。
密码子使用偏向性：
发现猴痘病毒随着时间的推移其密码子适应指数降低。谱系I的密码子使用最优化，而谱系IIb-b亚谱系最不优化。
c) 结论本研究通过对猴痘病毒蛋白序列及密码子使用的进化分析，为理解猴痘病毒在宿主中传播和适应的分子机制提供了新的视角。研究指出了正选择可能在谱系分化中起到的作用，以及密码子使用偏向性与病毒致死率之间的重要关系。
d) 研究亮点揭示正选择：
研究揭示了opg027在猴痘病毒谱系分化中的正选择信号。
进化加速：
研究首次证明2022年爆发的猴痘病毒变种在蛋白质序列方面有加速进化。
突变表际关系：
发现病毒基因组突变之间存在显著的表际关系，为进一步理解病毒的适应性提供了新思路。
密码子使用偏向性：
阐明了猴痘病毒倾向于使用非优化密码子，并探讨了其与致病力之间的关系。
研究意义本研究通过对猴痘病毒基因组的深入分析，不仅深化了我们对病毒进化机制的理解，也为未来疫苗开发提供了新的方向。通过深入研究opg027基因的正选择信号和蛋白质序列进化的加速现象，或许可以帮助开发更有效的防控措施。
通过这些详细的研究步骤和结果，本文对猴痘病毒的分子演化提供了全面的理解，有助于未来针对病毒的基础研究和应用研究。