Cell子刊:HIV和新冠病毒的进化比对

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在过去的半个世纪里,人类免疫缺陷病毒 1 型(HIV-1)和严重急性呼吸系统综合症冠状病毒 2 型(SARS-CoV-2)两种截然不同的新型 RNA 病毒引起了毁灭性全球大流行。HIV-1和SARS-CoV-2来自不同的科,在生态、感染方式、基因组含量和发病机制方面存在很大差异。


2021 年 6 月 2 日,Cell Host and Microbe在线发表了一篇题为“HIV-1 and SARS-CoV-2: Patterns in the Evolution ofTwo Pandemic Pathogens”的文章,文章详细阐述了HIV-1和SARS-CoV-2两种病毒进化模式的相似之处和差异所在


通过对比研究者发现HIV-1和SARS-CoV-2在单核苷酸突变、多碱基插入和缺失、重组和表面聚糖的变异都产生了变异性。


但是相比于SARS-CoV-2,HIV-1的变异呈现多样性,特别是HIV-1 Env蛋白高度糖基化,形成物理屏障,干扰中和反应的发生


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HIV-1和SARS-CoV-2全球多样性的变迁




HIV-1菌株可分为四类,其中,M是“主要”群体,全球大部分艾滋病患者均为这种病毒感染,另外三组的N、O、P相当罕见。在M组中,包括9种以上的不同HIV-1亚型(A、B、C、D、F、G、H 和 J,以及循环重组CRF等等)。通过比较 2000-2005 和 2015-2020 两个 6 年窗口之间的全球亚型和 CRF 分布发现,C亚型在南部非洲和印度占据主导地位,西半球仍然主要是 B 亚型流行,而 C 亚型在北美刚开始流行。A亚型的 A6 子系仍然是俄罗斯和前苏联最常见的形式。AG 重组来源的 CRF02 继续在西非和中非占主导地位,但与非常多样化的病毒种群共存。值得注意的是,CRF01病毒曾经在东南亚的分布非常有限,但是现在在中国和澳大利亚更为常见。

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与几十年来 HIV 亚型和多样化的缓慢转变相比,携带一组有利突变的 SARS-CoV-2 变体可以非常迅速地在全球范围内传播。D614毒株是SARS-CoV-2的祖先病毒,2020年春开始出现G614毒株,并开始迅速全球流行。到2020 年秋季,携带祖先 D614 病毒株几乎全部被G614毒株替代。同样,2020 年 9 月下旬在英国首次发现的 B.1.1.7 病毒在几个月内取代了 G 和 GV 病毒株变体成为区域流行形式,并开始在全球传播。

HIV-1和SARS-CoV-2进化模式对比




核苷酸突变、多碱基插入和缺失、重组和表面聚糖的变异都产生了变异性,这些变异性在自然选择的指导下,使HIV-1表现出亚型多样性和SARS-CoV-2表现出较慢的变异速度。驱动HIV-1进化的进化策略在SARS-CoV-2中也起着同样的作用。HIV-1和SARS-CoV-2都使用插入、删除和重组进行进化,在免疫压力下进化,并且具有在关键表位区域发生突变的循环变异体,这些变异体赋予对中和抗体的相对抗性

插入缺失对于 HIV-1 和 SARS-CoV-1 中抗体耐药性的演变很重要。插入和缺失(InDel)源自非同源重组,可以发生在 HIV 基因组的任何位置。高变区InDel 在HIV-1感染的早期开始,并有助于病毒从早期抗体中逃逸。SARS-CoV-2 也在积累可能产生严重表型后果的插入缺失,但到目前为止,只有少数特定缺失在大流行变体中变得尤为突出。

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HIV-1 和SARS-CoV-1都具有高度糖基化的受体结合表面蛋白,可以进入宿主细胞,但HIV-1 Env蛋白高度糖基化,表面多个聚糖的组合成为一个物理屏障,阻止抗体中和Env蛋白。HIV-1作为一种慢病毒,遗传物质可以隐藏在潜伏感染的细胞中,并在每个受感染个体的免疫压力下继续进化,因此很难清除。相比之下,SARS-CoV-2 较大表面积上的聚糖数量较少,感染通常很快就会被清除

HIV-1 疫苗非常具有挑战性,部分原因是难以诱导能够穿透聚糖屏障的抗体和病毒的多样性。SARS-CoV-2 疫苗的研发则相对容易,原因在于RBD 和 NTD 超位点中中和抗体的关键表位的相对可及性,以及这些表位区域在大流行的初始阶段的有限可变性。随着这些区域的进一步变异继续出现,时刻记录突变的影响并对 COVID-19的反应保持高度警惕将是至关重要的。

小结




目前,人类正面临着HIV-1和SARS-CoV-2引起的两次毁灭性大流行的挑战。推动 HIV-1 进化的相同进化策略也在 SARS-CoV-2 中发挥作用,单核苷酸突变、多碱基插入和缺失、重组和表面聚糖的变异都会产生变异性,在自然选择的指导下,这种变异性使HIV-1表现出亚型多样性,也使SARS-CoV-2表现出较慢的变异速度。

尽管 SARS-CoV-2 的多样性更为有限,但最近出现的 SARS-CoV-2 变体携带的 Spike 突变使抗体抗性和感染性明显增强。本文通过回顾并比较HIV-1和SARS-CoV-2两种病毒的突变模式,为二者遗传变异的研究和疫苗的研发提供了帮助。

全文链接:
https://www.cell.com/cell-host-microbe/fulltext/S1931-3128(21)00240-7


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