돌연변이 접근성이 인플루엔자 진화를 촉진합니다.

인플루엔자(독감) 바이러스는 새로운 돌연변이 획득을 통해 지속적으로 진화 및 적응 과정을 거치고 있습니다. St. Jude Children’s Research Hospital의 과학자들은 독감 바이러스가 변하는 이유와 방법을 설명하기 위해 새로운 차원의 이해를 추가했습니다. “접근 가능한 것의 생존” 모델은 보다 널리 알려진 “적자 생존”의 진화 방식에 대한 보완적인 관점을 제공합니다. 이 작업은 오늘 사이언스 어드밴스(Science Advances)에 게재되었습니다.

바이러스는 끊임없는 유전적 돌연변이로 인해 급속한 진화 흐름을 겪습니다. 이 급속한 변화는 사람들이 매년 독감 예방 주사를 맞는 이유입니다. 우세한 변종으로 등장한 최신 독감 변종에 대처해야 하기 때문입니다. 우리는 종종 이러한 돌연변이를 전통적 진화론적 사고의 맥락에서 봅니다. 여기서 변종 적합도는 어떤 돌연변이 바이러스가 개체군에서 우세한 변종으로 나타나는지를 결정합니다. St. Jude 팀은 이 이론을 조사하고 “변이 접근성”이라고 하는 진화의 주요 동인이라고 제안하는 대체 진화 원리를 정의했습니다.

Alexander Gunnarsson, Ph.D., M. Madan Babu, Ph.D., St. Jude 구조 생물학부 및 Center of Excellence for Data-Driven Discovery가 이끄는 이 연구는 바이러스 진화 중에 특정 돌연변이가 개체군에서 어떻게 그리고 왜 나타나는지 예측합니다.

변형 접근성의 인정받지 못한 역할

게놈 알파벳에는 뉴클레오타이드를 나타내는 네 개의 문자((A)데노신, (T)히민, (G)우아닌 및 (C)이토신)만 있습니다. 단백질 코딩 유전자 내의 세 개의 뉴클레오티드 그룹을 코돈이라고 합니다. 코돈은 특정 아미노산을 암호화하여 단백질을 조립하는 방법과 같은 역할을 합니다. 예를 들어 복제 중에 뉴클레오티드가 변경될 때 돌연변이가 발생합니다. 이 변경은 단백질을 만드는 데 사용되는 다른 아미노산으로 이어집니다. 그러나 Babu와 Gunnarsson이 발견한 것처럼 모든 돌연변이가 똑같이 나타날 가능성은 없습니다.

“유전자 복제 과정에는 A가 G가 아닌 C로 변이되는 상대적인 용이성과 같은 내재된 편향이 있습니다.”라고 Babu는 설명했습니다. “이는 A에서 C로의 돌연변이가 있는 돌연변이 풀이 더 크고 A에서 G로의 돌연변이가 있는 더 적합한 시퀀스가 있을 수 있지만 살아남은 변이가 특정 풀에서 우세하게 나타날 것임을 의미합니다.”

인플루엔자 바이러스를 사례 연구로 사용하여 Gunnarsson과 Babu는 이 개념을 수학적 모델로 변환했습니다. 그들의 모델을 통해 연구자들은 돌연변이의 접근성을 기반으로 미래의 진화 경로를 예측할 수 있습니다. 특히 흥미로운 점은 특정 단백질 부위가 돌연변이를 획득한 후 변형되는 능력을 얻거나 잃을 수 있는 방법을 탐구하는 것이었습니다. 그런 다음 이러한 증가 또는 손실이 단백질의 기능에 어떤 영향을 미치는지 조사했습니다.

인산화는 그러한 변형의 예입니다. 인산 분자가 단백질의 특정 아미노산에 첨가될 때 발생합니다. 독감의 경우 인산화는 성공적인 감염을 매개하기 위해 바이러스가 숙주 분자 경로를 하이재킹하는 데 도움이 될 수 있습니다. 그러한 돌연변이는 과거의 인플루엔자 대유행에 매우 중요했을 수 있으며, Gunnarsson과 Babu가 모델을 개발하는 데 사용한 것은 바로 이러한 데이터 세트입니다.

잭팟 이벤트의 중요성

이 모델은 또한 연구원들이 오랫동안 개념화된 돌연변이 속성인 잭팟 이벤트를 더 잘 이해하는 데 도움이 되었습니다. 이들은 인구 성장 초기에 우연히 발생하는 돌연변이로, 후손 전체에 걸쳐 지속적인 혜택을 볼 수 있습니다. Gunnarsson은 “유전자형에 더 쉽게 접근할 수 있을수록 이러한 특정 잭팟 이벤트가 더 자주 발생합니다. 이는 단순히 확률적 이벤트이기 때문입니다.”라고 설명했습니다. “특정 유전자가 특정 돌연변이를 획득할 가능성이 100배 더 높으면 대박 이벤트가 비례적으로 더 자주 발생하는 것을 볼 수 있습니다. 이러한 이벤트는 진화에서 중요하며 주로 변이체에 얼마나 접근할 수 있는지에 따라 결정됩니다.”

보다 접근하기 쉬운 돌연변이는 적자 돌연변이가 아닐지라도 인구에서 우세할 가능성이 높습니다. Gunnarsson은 “가장 적합한 돌연변이를 획득할 확률이 수백조 개 중 하나라면, 그것이 인구에 고정될 가능성은 적자일지라도 낮습니다. 잭팟 돌연변이가 여러 번 있을 때 통계적으로 볼 때, 이 변종의 유병률은 엄청나게 증가합니다. 다른 돌연변이에 비해 적합도는 낮지만 접근하기는 쉽지 않습니다.”

변이 편향에 대한 이해 심화 및 진화하는 시스템의 결과 예측

변형 액세스 가능성의 개념은 단순함이 우아하지만 자연의 대부분의 것과 마찬가지로 통계적 확률의 균형입니다. 돌연변이 사건과 특정 뉴클레오티드 변화 확률의 차이에서 코돈 중복(동일한 아미노산에 대한 여러 코돈)에 이르기까지 진화 경로를 구동하는 구성 요소 간의 미묘한 균형입니다.

“바이러스의 생화학적 돌연변이 편향(예: 복제 중)에 대한 이해를 넓히면 바이러스가 진화할 가능성이 있는 방법에 대해 훨씬 더 나은 통찰력을 제공할 수 있기 때문에 새로운 방향과 가능성을 열 수 있습니다.”라고 Babu는 말했습니다. 실제로 이 모델은 바이러스 진화를 보다 정확하게 예측하기 위해 돌연변이 접근성의 틀 내에서 독감 바이러스가 어떻게 변했는지에 대한 과거 데이터에 적용되고 있습니다.

접근성을 기반으로 바이러스의 진화 결과를 예측할 수 있는 능력은 인플루엔자 전문가인 St. Jude Department of Host-Microbe Interactions의 Richard Webby 박사와 세계보건기구(WHO) 생태계 연구 협력 센터의 책임자의 관심을 불러일으켰습니다. 동물과 조류의 인플루엔자.

Webby는 “미래의 인플루엔자에 가장 적합한 백신을 선택하는 것을 포함하여 인플루엔자 바이러스의 진화 경로를 예측하고 시도하는 공중 보건에는 많은 시나리오가 있습니다.”라고 말했습니다. “‘접근 가능한 것의 생존’ 모델은 이러한 예측에 힘을 실어주고 걱정스러운 특성을 가질 가능성이 더 높은 바이러스를 더 자신 있게 식별할 수 있게 해줍니다.”

이 모델은 또한 인플루엔자 또는 바이러스학을 넘어 적용되며 다른 질병의 돌연변이 편향에 대한 추가 연구를 유도합니다. 예를 들어 암에서 이 모델은 특정 암 유발 또는 약물 내성 돌연변이가 반복적으로 나타나는 이유와 같은 병리학에 대한 수많은 질문에 답하는 데 도움이 될 수 있습니다.

Babu는 “우리 모델은 특정 유형의 돌연변이가 종양 동인으로 나타날지 또는 특정 치료에 대한 저항성 돌연변이로 나타날지 예측하는 데 도움이 되도록 적용할 수 있습니다.”라고 말했습니다. “우리는 우리의 작업이 바이러스 및 종양 진화를 주도하는 돌연변이 편향을 특성화하는 연구에 박차를 가할 수 있기를 바랍니다. 돌연변이 편향에 기여하는 생화학적 과정을 정량화하고 더 잘 이해할 수 있다면 진화하는 유전 시스템에서 돌연변이 결과를 예측하는 데 매우 중요할 것입니다. 결과가 발생하기 전에 결과가 나타날 때 대비할 수 있습니다.”

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2023/07/230728170622.htm