探索序列空间和病毒适应能力

探索序列空间和病毒适应能力：保真性复制一个变异谱系的幅度可以看做是序列空间占领的程度。序列空间指的是一个序列所有可能突变的理论代表，涉及核苷酸或氨基酸序列。一株病毒的理论空间序列是非常大的，等于用于构建大分子的不同单位数字的数量的序列长度的幂。一个基因组长度为1000个核苷酸的病毒，其总的理论序列空间是41000，这是一个无法想象的天文数字。序列空间的巨大维度无法在二维空间中显示。在图8B中，用一个灰色、点状和扩散的背景代表理论序列空间，而球体代表实际的病毒空间序列。不过这种极端简化允许我们指点进化：一个大的球体比起小的球体，有绝对优势的可能向序列空间新的区域进化。能被一种病毒实际占领的序列空间只是理论空间的非常小一部分，有明显的生物学原因：病毒基因组必须编码序列依赖的调控信号、许多RNA的二级和三级结构执行功能角色，开放读码框必须编码功能蛋白，与其他蛋白和宿主蛋白相互作用。病毒基因组和哺乳动物基因组的比较可以用于说明准种依赖于群体大小的独特意义。一个10000核苷酸的病毒基因组最大可能有3×104可能的单个突变。这个数字小于许多天然病毒的群体大小。与一个典型的RNA病毒形成鲜明对比的是，哺乳动物基因组中可能的突变总数是1010，这一数字远远超过哺乳动物种群的数量。也就是说，探索触手可及的病毒的序列空间的能力远大于探索细胞生物的能力。支持RNA病毒适应能力的其他参数是相关表型特征所需的突变数量和病毒的繁殖能力。这些定量的参数加强了这一概念：准种动力学作为适应的引擎更加有益于病毒而不是细胞生物体。但这并不否认，准种动力学的重要特征，特别是与群体选择的特征，是通过亚细胞或细胞的集落甚至是一些“非复制性”的生物大分子例如朊蛋白来表现的。在任何时候，变异谱系可以视为一个序列空间上的云。云应对选择压力变换它的位置（当然，也有突变构成），或者作为一个瓶颈或坍塌事件的结果产生一个新的云。序列空间的一个特征就是高度的连通性。任何两种基因型由许多的点突变所分开，不超过基因组长度。在实际的情况下，这意味着当运动在适应性梯度引导下，可以迅速到达由许多变异分开的点。即使在单个突变的情况下，序列空间的邻近的点可以通过突变压力达到，而无需适应梯度的引导。一个例子就是耐药变异的发生，可以在患者体内复制的病毒群体中达到。耐药变异常常是在药物的选择压力下出现，这种情况下，药物是驱动适应性梯度的选择剂。然而，耐药变异可以在从未暴露于药物的病毒突变谱中出现。当一部分序列空间的每一个位点上都指定了适合度值，就获得了一个适合度的概貌，遵循SewallWright所描述的典型的进化事件的隐喻可视化。关于病毒准种的适合度概貌有两点需要强调：它们是粗线条和瞬时的。这些特征根本上是由于在紧凑的基因组中真正的中性突变很少发生，更多考虑的是病毒准种结构本身是环境的一部分。病毒在复制过程中占用的扩增和部分空间可能与它的行为相关，两者都取决于病毒以及环境的参数。宿主因素可能改变变异谱系的广度，但还没有被证实。它们属于两大策略，一是基于限制，另一个是基于参与。比另外一个宿主更强大的限制可能使大部分的突变发生致死（即这种情况发生了，但并没有成为变异谱系的一部分）。另一方面，宿主蛋白通过复杂地参与病毒聚合酶改变了复制的保真度。在既定的时间，多重的遗传和生物学因素参与了复制的保真度，使变异谱系的复杂度难以预测。复杂度的量化需要通过对基因组抽样和计算遗传距离、突变率和香农熵进行经验表征，或者通过超深度测序进行特征描述。一个广的变异谱系意味着可进入序列空间的多个点，因此，更高的适应度反映了适应度增加和生物学的衍生，包括临床结局。序列空间的占用是多因素的，但一个重要的参数就是病毒复制机制表现出的错配率。小RNA病毒的研究有助于我们充分的理解RNA基因组复制的遗传学和生化学，并说明模板复制保真度改变的生物学结局。脊髓灰质炎病毒编码RNA依赖的NRA聚合酶上的G64S氨基酸突变是由于对嘌呤类似物利巴韦林敏感性下降选择出来的。G64S氨基酸突变引起对利巴韦林耐药的机制是RNA聚合酶的保真度提高了3—5倍，因此限制了利巴韦林三磷酸盐掺入RNA链中。限制利巴韦林掺入换来的结果就是产生了更窄的变异谱系，谱系的狭窄又限制了病毒的组织嗜性，这已在一株小鼠中病毒无法引起神经毒性而得到证实。通过诱变扩展了变异谱系又重新获得了神经毒性。脊髓灰质炎病毒G64S氨基酸突变的研究和后来的其他小RNA病毒保真度突变的研究已经揭示了病毒动力学的意义。这些研究证实了这一概念：病毒聚合酶的错配率在相关的变异谱系的异质性中发挥了重要的作用，异质性的限制会导致病毒的选择劣势，在细胞培养的传代中变异谱系的广度会保持稳定的特质；谱系内部突变的互补作用可以发生在体内。G64S氨基酸突变介导的利巴韦林耐药有两种相关的结局：限制利巴韦林掺入RNA病毒基因组中，由于高于平均的变异保真度和平均突变率降低，对新的突变事件产生更大的耐受（在利巴韦林掺入时依然发生）（即它的复制比野生株远离错配阈值）必须指出的是高保真的G64S氨基酸突变株和野生型的脊髓灰质炎病毒株的适应度是可以区别的，如果选择约束一直那么严格。例如，对于一个既定的病毒群体大小，在产生抗体或耐药变异株或在高易感性的宿主中复制，突变株和野生株有着一样的适应度，在接下来的致病性上没有显著的差别。相反地，当需要突变星座或不同突变基因组之间互补来适应一个复杂的环境，一个广阔的变异谱系可能会被证明是有利的或是基本的。RNA病毒的新保真度突变变得可用。进一步的保真性突变的研究会提供更多的由于谱系复杂度选择优势的定量图片。在RNA病毒进化过程中，长期的高突变率的调整相当于在群体瓶颈产生的一个足够的变异谱系而来的选择优势。在“病毒适应性与群体大小：瓶颈事件”一章中提到的，瓶颈事件在病毒的自然生活周期中是大量存在的，在群体瓶颈事件后能够适应复杂环境的突变会生长超过那些只能在周围有限的细胞亚群中扩散的突变。这是一个值得后续试验和理论研究的重要观点。高保真和低保真度逆转录酶已经被描述和鉴定。酶学水平的研究是研究的热点，但保真性对逆转录病毒适应性的生物学影响还研究不多。一些涉及温度保真性的氨基酸突变与HIV对抗病毒药物耐药相关。保真度的增加常常导致HIV适应度的下降，而相关的突变为评估表现为不同复杂度的逆转录病毒变异谱系的生物学效应提供了良好的素材。屏障一词用于描述需要克服并获得变异表型的限制。基因屏障指的是适应所需的突变数目。一个氨基酸替代可以是低基因屏障如果这种突变只需要一个转换突变，也可以是高基因屏障，如果两种突变。表型屏障指的是氨基酸替代赋予病毒的适应性代价。在后面章节，屏障的概念会进一步阐述，与宿主的细胞嗜性和逃逸突变相联系，此处，我们想强调的是一个广阔的变异谱系有助于在变异病毒的选择过程中克服基因屏障。冠状病毒非结构蛋白Nsp14的功能性3’-5’外切酶结构域的发现有益于RNA病毒的错配阈值关系。冠状病毒是目前为止鉴定的最大的ＲＮＡ病毒，基因组长度介于28000-32000bp之间.已确定在其他病毒基因组较短的RNA聚合酶没有校对功能，尽管有些研究描述了RNA病毒的间接修补机制。基因组长度只有冠状病毒一半的尼多病毒缺乏外切酶活性。Nsp14突变的冠状病毒表现出严重的RNA合成的缺陷，或者是温度复制保真度的下降（12-15倍），通过与野生型比较变异病毒谱系的复杂度而知。有趣的是，Nsp14突变株是可以培养的，它们增强变异谱系复杂度的能力是稳定的特性，至少在数次的细胞培养传代过程中是稳定的。一个具有功能性3’-5’外切酶的冠状病毒和一个3’-5’外切酶失活的冠状病毒构成了一个引人注目的系统，用以探知差异大于10倍的突变谱系的不同生物学结局。重要的问题，例如对于两个仅仅是校正活性的差异的RNA基因组在体内的适应性或邻近错配阈值的效应已经可以进行研究。但是，由于大多数病毒蛋白是多功能的，但通过外切酶突变测定适应性改变时，必须确定这些特质是由于复制保真度引起的，而不是含有外切酶活性的蛋白其他功能造成的。复制性的RNA依赖的RNA聚合酶和DNA依赖的DNA聚合酶表现出模板复制保真度的不同机制。氨基酸替换可能改变校对-修复活性或聚合酶的内在能力以在核酸聚合的过程中辨别不同的核苷酸底物。病毒的适应能力和具备改变聚合酶的复制保真性的分子机制提示在RNA病毒的进化过程中高突变率已经被正性选择了。前一段落综述的研究讨论了RNA病毒一般受益于一个广阔的变异谱系。但是正如错配阈值关系和本文后面所预测的那样，谱系太宽对病毒式有害的。变异谱系的复杂度不能被看做是一个中性特质。在错综复杂的细胞功能网络中造成（或反对）的病毒增殖，准种动力学提供了对于环境变化的一个普遍的适应策略，包括一系列的天然和适应性免疫应答。当一个复杂的变异谱系表现出比一个窄的谱系的选择优势时，这可能是由于在一个更宽阔的变异组分中增加了互补的组成，或者是因为赋予了适应性潜能的特殊突变出现在复杂的变异谱系中。如果相反地，如果发现一个窄的变异谱系在一个既定的环境下比宽的变异谱系适应度更高，可能是由于排除了干扰基因组或在窄的组分中浓缩了特殊的适应性的亚群。