サル痘ウイルスにおけるタンパク質配列とコドン使用の分子進化

2024-08-13 Tue
サル痘ウイルスのタンパク質配列とコドン使用の分子進化研究背景2022年のサル痘ウイルス（Monkeypox virus, MPXV）の流行は、世界的な公衆衛生に大きな注目を集めました。しかし、サル痘ウイルスの進化メカニズムはまだ完全には解明されていません。サル痘ウイルスは、線状二本鎖DNAウイルスで、ポックスウイルス科（Poxviridae）、コルドポックスウイルス亜科（Chordopoxvirinae）、オルソポックスウイルス属（Orthopoxvirus）に属します。そのゲノムは約197 kbで、約200の遺伝子をコードしています。サル痘ウイルスは、ヒト、非ヒト霊長類、げっ歯類など多くの動物に感染することができます。天然痘ウイルス（Variola virus, VARV）や牛痘ウイルス（Vaccinia virus, VACV）と同様に、サル痘ウイルスもヒトの疾病や死亡を引き起こす可能性があります。
サル痘ウイルスは1958年にデンマークの動物施設で初めて発見され、1970年にコンゴ民主共和国のヒト症例から初めて分離されました。2022年以前は、サル痘ウイルスは主に中央および西アフリカ諸国で流行し、他の地域では散発的な輸入症例がありました。2022年5月、英国で2022年サル痘ウイルス流行の最初の症例が報告され、その後世界的な流行を引き起こし、7月23日に世界保健機関により国際的な公衆衛生緊急事態が宣言されました。2023年9月11日現在、世界115カ国・地域で合計90,439例の確定症例が報告されています。
系統発生分析によると、サル痘ウイルスは2つの主要な系統に分類されます：系統I（「中央アフリカ」系統）と系統II（「西アフリカ」系統）で、後者はさらにIIaとIIbの亜系統に細分されます。2022年の流行の症例の大部分はIIb亜系統に属しています。
論文の出典この論文は、単科佳、呉長城、唐暁璐、路若堅、胡亜玲によって統合編著され、それぞれ北京大学生命科学学院、北京科興生物製品有限公司、中国疾病予防制御センターウイルス病予防制御所に所属しています。論文は2024年にGenomics, Proteomics & Bioinformaticsに掲載されました。
研究方法サル痘ウイルスの進化パターンを研究するために、研究チームはNCBIとGISAIDデータベースから2789のサル痘ウイルスゲノム配列をダウンロードし、以下の重要な研究作業を行いました：
a) 研究ワークフロー遺伝子配列のダウンロードと分類：
研究チームはダウンロードしたウイルスゲノム配列を4つの系統（I、IIa、IIb-a、IIb-b）に分類して分析しました。
正の選択シグナルの検出：
各遺伝子の系統間のDNA塩基置換速度（dn/ds）を計算することで、チームは大部分の比較結果でx値が1未満であることを発見し、浄化選択がサル痘ウイルス遺伝子進化の主な駆動力であることを示しました。しかし、系統Iと系統IIの比較では12の遺伝子の中央値xが1を超え、そのうちopg027遺伝子はすべての比較で正の選択のシグナルを示しました。
タンパク質進化の加速分析：
Treetimeツールを使用して756のIIb亜系統ゲノムのゲノム進化速度を推定し、2022年に流行したサル痘ウイルス変異株のタンパク質配列進化速度が加速していることを発見しました。
相互作用の分析：
ウイルスゲノム内のSNPsの連鎖不平衡（LD）分析を通じて、研究チームはこれらの変異間に有意な相互作用効果があることを発見しました。
コドン使用バイアス分析：
コドン適応度指数（CAI）分析の結果、ヒト遺伝子と比較して、サル痘ウイルス遺伝子は非最適化コドンを使用する傾向があることが示されました。また、時間の経過とともに、サル痘ウイルスのコドン最適化レベルは低下しましたが、その致死率はCAIと負の相関を示し、この関係が偶然なのか因果関係なのかはまだ明らかではありません。
b) 研究の主な結果正の選択シグナル：
研究では、opg027遺伝子が系統Iと系統IIの間の比較で顕著な正の選択シグナルを示し、系統分化過程で積極的な適応的変化があったことを示しています。
タンパク質進化の加速：
2022年に流行した756のサル痘ウイルスゲノムの分析を通じて、これらの変異株の時間的な進化加速、特に非同義突然変異の面での加速が証明されました。
突然変異間の相互作用：
研究は、サル痘ウイルスゲノム内の多くの突然変異が強い相互作用関係を示すことを発見し、これがウイルス変異株の適応性と進化速度に影響を与える可能性があります。
コドン使用バイアス：
サル痘ウイルスは時間の経過とともにコドン適応指数が低下することが発見されました。系統Iのコドン使用が最も最適化されており、系統IIb-b亜系統が最も最適化されていませんでした。
c) 結論本研究は、サル痘ウイルスのタンパク質配列とコドン使用の進化分析を通じて、サル痘ウイルスの宿主内での伝播と適応の分子メカニズムを理解する新しい視点を提供しました。研究は、正の選択が系統分化で果たす可能性のある役割、およびコドン使用バイアスとウイルスの致死率との間の重要な関係を指摘しています。
d) 研究のハイライト正の選択の解明：
研究は、サル痘ウイルスの系統分化におけるopg027の正の選択シグナルを明らかにしました。
進化の加速：
研究は、2022年に流行したサル痘ウイルス変異株がタンパク質配列の面で加速進化していることを初めて証明しました。
突然変異の相互作用：
ウイルスゲノムの突然変異間に有意な相互作用があることを発見し、ウイルスの適応性をさらに理解するための新しいアプローチを提供しました。
コドン使用バイアス：
サル痘ウイルスが非最適化コドンを使用する傾向があることを明らかにし、その病原性との関係を探りました。
研究の意義本研究は、サル痘ウイルスゲノムの詳細な分析を通じて、ウイルスの進化メカニズムに対する理解を深めただけでなく、将来のワクチン開発に新しい方向性を提供しました。opg027遺伝子の正の選択シグナルとタンパク質配列進化の加速現象を深く研究することで、より効果的な制御対策の開発に役立つかもしれません。
これらの詳細な研究ステップと結果を通じて、本論文はサル痘ウイルスの分子進化に関する包括的な理解を提供し、将来のウイルスに対する基礎研究と応用研究に貢献しています。