SARS-CoV-2のU含有量に対する強い突然変異バイアスと選択の証拠：ワクチン設計への示唆

Evidence for strong mutation bias towards, and selection against, U content in SARS-CoV-2: implications for vaccine design.

• Alan M Rice
• Atahualpa Castillo Morales
• Alexander T Ho
• Christine Mordstein
• Stefanie Mühlhausen
• Samir Watson
• Laura Cano
• Bethan Young
• Grzegorz Kudla
• Laurence D Hurst

抄録

同義部位の大規模なリエンジニアリングは、減衰ウイルスの合成やDNAワクチンのコドン最適化遺伝子を介してワクチンを生成するための有望な戦略である。減衰は、典型的には、コドンペアの非最適化およびCpGジヌクレオチド頻度の最大化に依存している。ここでは、選択によって有利な方向にヌクレオチドを強制的に使用することを目的とした、進化的に情報に基づいた減衰戦略を策定するために、SARS-CoV-2の全ゲノム配列を調べ、同義部位における突然変異と選択のパターンを推測する。ジヌクレオチド効果を考慮すると、観察されたUUの含有量は、中立性の下で予想されていた値の4分の1であったことから、この結論はさらに強化された。U突然変異に対する選択のメカニズムとして考えられるのは、高発現、高mRNA安定性、またはウイルス遺伝子の免疫原性の低下に対する選択である。CpGジヌクレオチドに対する遺伝子特異的な選択と一致し、SARS-CoV-2遺伝子間でCpG含有量に系統的な違いが見られた。その結果、SARS-CoV-2遺伝子間のCpG含有量の系統的な違いが観察された。H1N1とエボラの比較解析では、GC3が中性平衡から逸脱していることは普遍的な特徴ではなく、結果の一般化に注意が必要であることがわかった。

Large-scale re-engineering of synonymous sites is a promising strategy to generate vaccines either through synthesis of attenuated viruses or via codon optimized genes in DNA vaccines. Attenuation typically relies on de-optimisation of codon pairs and maximization of CpG dinucleotide frequencies. So as to formulate evolutionarily-informed attenuation strategies that aim to force nucleotide usage against the direction favoured by selection, here we examine available whole-genome sequences of SARS-CoV-2 to infer patterns of mutation and selection on synonymous sites. Analysis of mutational profiles indicates a strong mutation bias towards U. In turn, analysis of observed synonymous site composition implicates selection against U. Accounting for dinucleotide effects reinforces this conclusion, observed UU content being a quarter of that expected under neutrality. Possible mechanisms of selection against U mutations includes selection for higher expression, for high mRNA stability or lower immunogenicity of viral genes. Consistent with gene-specific selection against CpG dinucleotides, we observe systematic differences of CpG content between SARS-CoV-2 genes. We propose an evolutionarily-informed approach to attenuation that, unusually, seeks to increase usage of the already most common synonymous codons. Comparable analysis of H1N1 and Ebola finds that GC3 deviated from neutral equilibrium is not a universal feature, cautioning against generalization of results.

© The Author(s) 2020. Published by Oxford University Press on behalf of the Society for Molecular Biology and Evolution.