《使用刺突蛋白功能预测感染风险并监测冠状病毒的进化动力学》

  • 来源专题:新发突发疾病(新型冠状病毒肺炎)
  • 编译者: 蒋君
  • 发布时间:2020-04-22
  • 背景:冠状病毒可以越过物种屏障并感染患有严重呼吸道综合症的人类。具有蝙蝠潜在起源的SARS-CoV-2在中国仍在流行。在这项研究中,提出了一种预测模型,以评估非人源冠状病毒的感染风险,以进行预警。方法:于2020年1月29日从中国国家基因组学数据中心的2019年新型冠状病毒资源(2019nCoVR)数据库中收集了2666种冠状病毒的刺突蛋白序列。总共507例人源病毒被视为阳性样本,而2159例非人源病毒被视为阳性样本。人源病毒被视为阴性。为了捕获刺突蛋白的关键信息,使用了三种特征编码算法(氨基酸组成,AAC;基于并行相关的伪氨基酸组成,PC-PseAAC和G间隙二肽组成,GGAP)来训练41个随机森林模型。通过多维缩放方法确定了具有最佳性能的最佳功能,该方法用于探索人类冠状病毒的模式。结果:10倍交叉验证结果表明,使用GGAP(g = 3)功能可达到良好的性能。该预测模型的最大ACC为98.18%,而Matthews相关系数(MCC)为0.9638。发现了七个人类冠状病毒簇(229E,NL63,OC43,HKU1,MERS-CoV,SARS-CoV和SARS-CoV-2)。 SARS-CoV-2的簇与SARS-CoV的簇非常接近,这表明这两种病毒具有相同的人类受体(血管紧张素转换酶II)。距离曲线上的大缺口表明,SARS-CoV-2的起源尚不清楚,应该在野外连续进行进一步的监视。 SARS-CoV的平滑距离曲线表明,它的近亲在自然界中仍然存在,公共健康仍然像往常一样受到挑战。结论:最佳特征(GGAP,g = 3)在预测感染风险方面表现良好,可用于以简单,快速和大规模的方式探索进化动态。该研究对于现场监测冠状病毒的基因组突变可能是有益的。

  • 原文来源:;https://idpjournal.biomedcentral.com/track/pdf/10.1186/s40249-020-00649-8
相关报告
  • 《Viruses:犬冠状病毒通过刺突蛋白转变外溢到人类中》

    • 来源专题:生物安全知识资源中心—领域情报网
    • 编译者:hujm
    • 发布时间:2022-05-09
    • 在一项新的研究中,来自美国康奈尔大学和天普大学的研究人员发现了犬冠状病毒(canine coronavirus)CCoV-HuPn-2018中发生的一种转变,这可能为它如何从动物外溢到人类提供线索。相关研究结果于2022年4月21日发表在Viruses期刊上,论文标题为“Recent Zoonotic Spillover and Tropism Shift of a Canine Coronavirus Is Associated with Relaxed Selection and Putative Loss of Function in NTD Subdomain of Spike Protein”。 一种新的犬科冠状病毒首先在2017~2018年患肺炎的两名马来西亚人类患者身上被发现。科学家们之前已分离了这种犬冠状病毒,对它进行了测序,并在2021年发表了他们的发现。 在这项新的研究中,这些作者确定了发生在这种犬冠状病毒刺突蛋白最靠近N末端的结构域0-domain中的转变模式,而刺突蛋白是该病毒促进进入宿主细胞的区域。这种转变模式显示这种病毒从同时感染动物宿主的肠道和呼吸道系统转变为只感染人类宿主的呼吸道系统。 关于独特变化和阳性选择(positive selection)的另一个值得注意的区域是CCoV-HuPn-2018信号肽。许多病毒利用宿主细胞的N-连接糖基化过程来修饰表面蛋白,包括一些冠状病毒的刺突蛋白,这可以影响抗原性和对宿主细胞的入侵。近期关于HIV的研究工作已发现,信号肽可以影响HIV表面蛋白gp120的聚糖谱(glycan profile)和抗原性,这促使人们提出,尽管信号肽不是成熟蛋白的一部分,但它可能受到免疫压力。信号肽中的阳性选择已在其他病毒中被报道,如巨细胞病毒,在这种病毒中,所选择的变异影响信号肽移除和病毒糖蛋白胞内运输的时间。这些作者提出,CCOV-HuPn-2018的信号肽中的阳性选择可能反映了在这种新宿主中的适应性作用。 这些研究结果和先前的研究使得这些作者猜测CCOV-HuPn-2018有一个肠道来源(基于它与狗、猫和猪的Alphacoronavirus 1的相似性),但已经失去了这种特殊的组织嗜性,可能部分是由于这种犬冠状病毒刺突蛋白最靠近N末端的结构域0-domain中的唾液酸结合区发生突变和/或重组,导致功能限制出现松动,最终反映在他们的分析中确定的选择压力放松。另外,这种犬冠状病毒可能感染了不同的宿主,如人类,就感染人类而言,0-domain不再发挥同样的作用,并且/或者根本无法与新宿主的碳水化合物相互作用,再次导致了选择压力的放松。与其他失去0-domain并产生另一种组织嗜性的Alphacoronavirus 1系相似(比如猪呼吸道冠状病毒),这些作者可能正在见证CCOV-HuPn-2018的这种转变过程。 论文通讯作者、康奈尔大学公共与生态系统健康教授Michael Stanhope博士说,“这项研究确定了从犬冠状病毒到新的人类宿主转变的一些分子机制,这可能对我们以前不知道的一种新的人类冠状病毒的流通也很重要。” 在这项研究中,这些作者使用最先进的分子进化工具来评估来自自然选择的压力可能如何影响这种犬冠状病毒的进化。 2021年,在马来西亚发现的这种犬冠状病毒变体也在海地的一些人身上发现,这些人也患有呼吸道疾病。 根据表现出时间信号的刺突蛋白编码基因的单个部分,CCOV-HuPn-2018的起源时间约为1957年,以及在海地同时出现的相同(或非常相似)的病毒在它的基因组的3′端含有额外的重组部分,表明这种病毒可能已经在人类、狗、猫或中间的不明宿主中循环了几十年而未被发现。针对此,Stanhope认为,需要进行更多的研究。 参考资料: 1. Jordan D. Zehr et al. Recent Zoonotic Spillover and Tropism Shift of a Canine Coronavirus Is Associated with Relaxed Selection and Putative Loss of Function in NTD Subdomain of Spike Protein. Viruses, 2022, doi:10.3390/v14050853. 2. Dog coronavirus jumps to humans, with a protein shift https://news.cornell.edu/stories/2022/05/dog-coronavirus-jumps-humans-protein-shift
  • 《2019-nCoV新型冠状病毒进化和人类感染的分子机制》

    • 来源专题:新发突发疾病(新型冠状病毒肺炎)
    • 编译者:蒋君
    • 发布时间:2020-04-06
    • 文章分析了2019-nCoV新型冠状病毒进化和人类感染的分子机制。文章指出,自2019年12月以来,由新型冠状病毒(2019-nCoV)引起的肺炎暴发袭击了湖北省武汉市,随着流行病的不断发展,它已成为全国性的公共卫生危机,目前需要紧急的抗病毒治疗或疫苗研发。冠状病毒包膜上的刺突蛋白对于宿主细胞感染和病毒活力至关重要,先前的研究表明,2019-nCoV与人类SARS-CoV高度同源,并且通过刺突受体结合域(RBD)与血管紧张素转化酶II(ACE2)的结合而附着宿主细胞,然而尚不清楚2019-nCoV与人ACE2结合的分子机制和2019-nCoV的进化。在这项研究中,科研人员使用蛋白质-蛋白质对接和分子动力学(MD)模拟对2019-nCoV和SARS-CoV的RBD-ACE2复合物、刺突蛋白和自由RBD系统进行了广泛的研究。结果表明,2019-nCoV的RBD-ACE2结合自由能显着低于SARS-CoV的自由能,这与以下事实一致:2019-nCoV的传染性比SARS-CoV高得多;此外,2019-nCoV的刺突蛋白显示的自由能明显低于SARS-CoV,这表明2019-nCoV比SARS-CoV更稳定并且能够在更高的温度下生存,这也可能提供对2019-nCoV进化的见解,因为据认为SARS样冠状病毒起源于蝙蝠,而蝙蝠的体温比人类高;另外还揭示了,与SARS-CoV的RBD相比,2019-nCoV的RBD更灵活,尤其是在结合位点附近,因此在结合ACE2时具有更高的熵惩罚,这意味着就人类感染而言,2019-nCoV的温度敏感性将比SARS-CoV高得多,随着温度的升高,预计2019-nCoV的感染能力将比SARS-CoV更快地降低,并且更易于控制。预期这些发现将有助于疾病预防和控制以及2019-nCoV的药物和疫苗开发。