Pokrytí překonává soupeře v časné detekci mutací Covid

Nová platforma poháněná AI by mohla pomoci vědcům a zdravotnickým úředníkům zachytit další variantu Covid-19, než se šíří, a nabídnout světu klíčový náskok v boji proti budoucím pandemii.
Studie: V silicovém genomickém dohledu podle pokrytí předpovídá a charakterizuje varianty SARS-CoV-2, které se týkají zájmu. Obrázek kredit: peterschreiber.media/shutterstock.com
Vědci v Helmholtzově centru pro výzkum infekce a německého centra pro výzkum infekce vyvinuli webovou platformu pro identifikaci a charakterizaci týkající se variant závažného akutního respiračního syndromu koronaviru 2 (SARS-CoV-2) na začátku jejich vývoje. Studie je zveřejněna v Přírodní komunikace.
Pozadí
SARS-CoV-2, kauzativní patogen koronavirové choroby 2019 (Covid-19), je jednovláknový virus RNA s vysokou kapacitou získávání mutací během jeho evoluce. Tyto mutace mohou potenciálně zvýšit přenositelnost, patogenitu nebo imunitní únikovou kapacitu viru, což vede ke vzniku infekčnějších nebo škodlivějších variant, které jsou označeny jako varianty zájmu (VOC) nebo varianty zájmu (VOI) Světovou zdravotnickou organizací (WHO).
Vysoká imunitní úniková kapacita umožňuje SARS-CoV-2 vyhnout se antivirové imunity vyvinuté prostřednictvím předchozí infekce nebo očkování. To zdůrazňuje potřebu často upgradovat vakcíny proti CoVID-19, aby se udržela jejich účinnost proti cirkulujícím variantám.
Rozsáhlé virové genomické sledovací programy byly implementovány v několika zemích po celém světě, aby neustále sledovaly vývoj a přizpůsobení SARS-CoV-2 a včasné identifikaci nových VOC. To vedlo k vytvoření obrovského množství dat sekvenování virových genomů v databázi GISAID. Ačkoli databáze GISAID nesmírně pomohla vědcům a úředníkům veřejného zdraví charakterizovat vývoj viru, metody zůstávají nutné k neustálému interpretaci těchto sekvencí a okamžitě zajištění pokračování účinnost vakcíny.
V této studii vědci vyvinuli metodu online analýzy, systém pokrytí, pro genomický dohled SARS-CoV-2.
Systém pokrytí
Systém pokrytí analyzuje data genomické sekvence SARS-CoV-2 z databáze GISAID, která obsahuje více než 16,5 milionu sekvencí. Systém nepřetržitě předpovídá a charakterizuje vznikající potenciální VoI podle země původu pro dynamiku napětí a antigenní změny.
Systém zahrnuje sadu statistických a bioinformatických metod, včetně Fisherova přesného testu a korekce pro vícenásobná srovnání, která porovnává mutace vyskytující se v proteinu špičky na povrchu různých virových kmenů v daném měsíci. Předpokládá se, že virové kmeny s výrazně vyššími mutacemi než průměr mají vyšší přenositelnost nebo imunitní únikovou kapacitu. Následně se zobrazují na platformě pokrytí ve speciální grafice nazvané „Heatmaps“, aby uživatelé mohli vidět, kdy a kde dochází k významným změnám v viru.
Ověření systému
Vědci testovali spolehlivost systému pokrytí analýzou dat sekvencí genomu známých VOC, včetně varianty Omicron SARS-CoV-2. Zjistili, že systém může tyto sekvence identifikovat jako VOC v průměru 79 dní před označením WHO.
Systém využil metodu, která skóre aminokyseliny změny na základě virové imunitní únikové kapacity k identifikaci variant SARS-CoV-2 s antigenními změnami. Tato skóre antigenní změny se počítají pomocí matrice, která váží mutace v celém proteinu špičky, nejen na dříve známých antigenních místech. Jsou srovnávány proti experimentálním neutralizačním údajům pro ověření.
V tepelných mapách se tato skóre antigenní změny zvýšila v jasném pořadí a nejprve zobrazovala varianty, které jsou monitorovány pouze, následované VoI, a konečně, nejsilněji, VOC, které jsou považovány za zvláště škodlivé.
Význam studie
Studie popisuje vývoj a validaci genomické dozorové platformy, pokrytí, které nepřetržitě monitory zahrnují data genomové sekvence SARS-CoV-2, aby se včas identifikovaly a charakterizovaly potenciální VoI z cirkulace virových kmenů. Navrhuje také jejich stupeň antigenních změn a alel proteinu špičky se specifickými změnami aminokyselin, které mohou poskytnout selektivní výhodu.
Systém pokrytí zahrnuje tři nové metody: jedna metoda detekuje potenciální VOI s vyšší přenositelnou; Druhá metoda analyzuje dynamiku aminokyselinových změn v hlavních proteinech povrchových hrotů, aby určila ty, které mohou poskytnout selektivní výhodu; a třetí metoda, která hodnotí stupeň antigenní změny každé varianty pomocí jednosměrné imunitní únikové matice.
Systémové hodnocení pokrytí naznačuje, že systém může identifikovat 88% VOI a VOC, které určí WHO, s přesností 79% a odvolání 72%, více než dva měsíce před jejich oficiálním označením. Nebylo chybět žádné VOC a většina zmeškaných linií byla nižší relevance veřejného zdraví (varianty při monitorování).
Předpovědi provedené pokrytím závisí na rozsahu a kvalitě probíhajících programů virového genomického dohledu pro jednotlivé země. Analýza se provádí v zemi a může být také ovlivněna populačními genetickými účinky, pokud jsou čísla případů nízká. Jakékoli snížení genomického dohledu tedy může ovlivnit jeho prediktivní kapacitu.
Několik dalších webových platforem, včetně Nextstrain, Covariants, Covidcg, Evescape a SpikePro, monitoruje varianty SARS-CoV-2 a charakterizovat jejich mutagenní frekvence. Žádná z těchto platforem však nepřetržitě skóre všechny cirkulující varianty pro potenciální výhodu a antigenní změnu v reálném čase. Rovněž neposkytují benchmarking proti experimentálním údajům o antigenicitě jako pokrytí.
Systém pokrytí dále kombinuje data GISAID s odkazy na alternativní webové zdroje. Nabízí reprodukovatelnou analýzu s otevřeným přístupem pro další informace o vybraných variantách a poskytuje komplexní zdroj pro virové genomické dohled.