microbeПроблемы особо опасных инфекцийProblems of Particularly Dangerous Infections0370-10692658-719XRussian Research Anti-Plague Institute “Microbe”10.21055/0370-1069-2020-3-70-82microbe-1366Research ArticleОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИORIGINAL ARTICLESАнализ геномного разнообразия SARS-CoV-2 и эпидемиологических признаков адаптации возбудителя COVID-19 к человеческой популяции (Сообщение 1)Genomic Diversity Analysis of SARS-CoV-2 and Epidemiological Features of Adaptation of COVID-19 Agent to Human Population (Communication 1)https://orcid.org/0000-0002-4909-2394КрасновЯ. М.KrasnovYa. M.

Российская Федерация, 410005, Саратов, ул. Университетская, 46

46, Universitetskaya St., Saratov, 410005, Russian Federation

rusrapi@microbe.ruhttps://orcid.org/0000-0002-4315-5307ПоповаА. Ю.PopovaA. Yu.

Российская Федерация, 127994, Москва, Вадковский переулок, дом 18, строение 5 и 7

Российская Федерация, 125993, Москва, ул. Б аррикадная, 2/1

18, Bld. 5 and 7, Vadkovsky Pereulok, Moscow, 127994, Russian Federation

2/1, Barrikadnaya St., Moscow, 125993, Russian Federation

https://orcid.org/0000-0001-9563-2833СафроновВ. А.SafronovV. A.

Российская Федерация, 410005, Саратов, ул. Университетская, 46

46, Universitetskaya St., Saratov, 410005, Russian Federation

rusrapi@microbe.ruФедоровА. В.FedorovA. V.

Российская Федерация, 410005, Саратов, ул. Университетская, 46

46, Universitetskaya St., Saratov, 410005, Russian Federation

rusrapi@microbe.ruБаданинД. В.BadaninD. V.

Российская Федерация, 410005, Саратов, ул. Университетская, 46

46, Universitetskaya St., Saratov, 410005, Russian Federation

rusrapi@microbe.ruhttps://orcid.org/0000-0003-1143-4069ЩербаковаС. А.ShcherbakovaS. A.

Российская Федерация, 410005, Саратов, ул. Университетская, 46

46, Universitetskaya St., Saratov, 410005, Russian Federation

rusrapi@microbe.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3788-3452КутыревВ. В.KutyrevV. V.

Российская Федерация, 410005, Саратов, ул. Университетская, 46

46, Universitetskaya St., Saratov, 410005, Russian Federation

rusrapi@microbe.ruФКУЗ «Российский научно-исследовательский противочумный институт «Микроб»РоссияRussian Research Anti-Plague Institute “Microbe”Russian FederationФедеральная служба по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека; Российская медицинская академия непрерывного профессионального образованияРоссияFederal Service for Surveillance in the Sphere of Consumers Rights Protection and Human Welfare; Russian Medical Academy of Continuing Professional EducationRussian Federation202019102020037082Copyright © Краснов Я.М., Попова А.Ю., Сафронов В.А., Федоров А.В., Баданин Д.В., Щербакова С.А., Кутырев В.В., 20202020Краснов Я.М., Попова А.Ю., Сафронов В.А., Федоров А.В., Баданин Д.В., Щербакова С.А., Кутырев В.В.Krasnov Y.M., Popova A.Y., Safronov V.A., Fedorov A.V., Badanin D.V., Shcherbakova S.A., Kutyrev V.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://journal.microbe.ru/jour/article/view/1366

Цель – изучение эволюции генома вируса SARS-CoV-2 при адаптации к организму человека в период текущей пандемии.

Материалы и методы

Материалы и методы. Использовалась база данных (GISAID) по нуклеотидным последовательностям геномов вируса SARS-CoV-2, полученных из образцов клинического материала в период с конца декабря 2019 по июль 2020 г. Построение филогенетических деревьев проводили с помощью программного обеспечения BioNumerics 7.6 с использованием алгоритма максимальной экономии (maximum parsimony).

Результаты и обсуждение

Результаты и обсуждение. Самым существенным устойчивым изменением в геномах вируса SARS-CoV-2 являются связанные единичные мутации в гене ORF1b (P314L) и гене S (D614G), в результате чего к настоящему времени подавляющее большинство выявляемых изолятов этого вируса имеет данную пару замен. Замена в гене S (D614G) многими исследователями ассоциируется со снижением патогенности содержащих ее штаммов, что, однако, может быть объяснено и улучшением методологии лечения больных в ходе пандемии. Влияние мутации в гене ORF1b (P314L) еще не изучено. Мутации P314L и D614G тесно связаны, и только их совместное присутствие в геноме дало преимущество для распространения данным геновариантам вируса SARS-CoV-2. Анализ обобщенных эпидемиологических данных свидетельствует о том, что распространение новых геновариантов вируса может быть связано с их биологическими свойствами, облегчающими передачу от человека к человеку, при этом ассоциированное снижение летальности может отражать не только прогресс в методах лечения, но и вероятное ослабление вирулентных свойств. Наблюдаемое увеличение потенциала распространения на фоне признаков снижения вирулентности, вероятно, является основной формой адаптации нового коронавируса к человеческой популяции и, повидимому, будет продолжаться в дальнейшем в виде интеграции SARS-CoV-2 в структуру сезонных возбудителей ОРВИ. 

Objective

Objective: to study the evolution of SARS-CoV-2 virus in the process of adapting to human organism duringthe current pandemic.

Materials and methods

Materials and methods. Database (GISAID) on nucleotide sequences of SARS-CoV-2 virus genome, obtained from clinical samples during the period of late December, 2019–July, 2020. Phylogenetic tree diagram construction was carried out applying BioNumerics v.7.6 software using Maximum parsimony algorithm.

Results and discussion

Results and discussion. The most substantial change in the genomes of SARS-CoV-2 virus are associated one-time mutations in ORF1b (P314L) and S (D614G) genes, as a result of which the overwhelming majority of identified isolates of this virus have the stated pair of substitutions to date. Many researches link the substitution in S (D614G) gene to the decreased pathogenicity in the strains that contain it, which may be also explained by enhanced methodology of patient treatment in the course of pandemic. The effect of the mutation in ORF1b (P314L) gene has not yet been investigated. P314L and D614G mutations are closely related and only their combined presence in the genome favored the dissemination of the genovariants of SARS-CoV-2 virus. Analysis of congregated epidemiological data testifies to the fact that the spread of new genovariants may be associated with biological properties facilitating human-to-human transmission. Thereat, associated decrease in lethality may reflect not only advancements in methods of treatment, but possible attenuation of virulent properties. Thus, observed growth in dissemination potential against the background of decrease in virulence is, probably, one of the forms of adaptation of new coronavirus to human population and, apparently, will remain in the future as the integration of SARS-CoV-2 virus into the structure of seasonal ARVI agents.

COVID-19SARS-CoV-2пандемияпередача от человека человекувирулентностьэволюция возбудителяCOVID-19SARS-CoV-2pandemichuman-to-human transmissionvirulenceevolution of the agentАвторский коллектив выражает глубокую признательность члену-корреспонденту РАН , доктору биологических наук Нетёсову Сергею Викторовичу, за объективные комментарии, сделанные по содержанию статьи, учет которых позволил сделать работу существенно сильнее и убедительнее.ReferencesCui J., Li F., Shi Z.-L. Origin and evolution of pathogenic coronaviruses. Nat. Rev. Microbiol. 2019; 17(3):181–92. DOI: 10.1038/s41579-018-0118-9.Cui J., Li F., Shi Z.-L. Origin and evolution of pathogenic coronaviruses. Nat. Rev. Microbiol. 2019; 17(3):181–92. DOI: 10.1038/s41579-018-0118-9.Wu F., Zhao S., Yu B., Chen Y.-M., Wang W., Song Z.-G., Hu Y., Tao Z.-W., Tian J.-H., Pei Y.-Y., Yuan M.-L., Zhang Y.-L., Dai F.-H., Liu Y., Wang Q.-M., Zheng J.-J., Xu L., Holmes E.C., Zhang Y.-Z. A new coronavirus associated with human respiratory disease in China. Nature. 2020; 579(7798):265–9. DOI: 10.1038/s41586-020-2008-3.Wu F., Zhao S., Yu B., Chen Y.-M., Wang W., Song Z.-G., Hu Y., Tao Z.-W., Tian J.-H., Pei Y.-Y., Yuan M.-L., Zhang Y.-L., Dai F.-H., Liu Y., Wang Q.-M., Zheng J.-J., Xu L., Holmes E.C., Zhang Y.-Z. A new coronavirus associated with human respiratory disease in China. Nature. 2020; 579(7798):265–9. DOI: 10.1038/s41586-020-2008-3.Zhou P., Yang X.-L., Wang X.-G., Hu B., Zhang L., Zhang W., Si H.-R., Zhu Y., Li B., Huang C.-L., Chen H.-D., Chen J., Luo Y., Guo H., Jiang R.-D., Liu M.-Q., Chen Y., Shen X.-R., Wang X., Zheng X.-S., Zhao K., Chen Q.-J., Deng F., Liu L.-L., Yan B., Zhan F.-X., Wang Y.-Y., Xiao G.-F., Shi Z.-L. A pneumonia outbreak associated with a new coronavirus of probable bat origin. Nature. 2020; 579(7798):270–3. DOI: 10.1038/s41586-020-2012-7.Zhou P., Yang X.-L., Wang X.-G., Hu B., Zhang L., Zhang W., Si H.-R., Zhu Y., Li B., Huang C.-L., Chen H.-D., Chen J., Luo Y., Guo H., Jiang R.-D., Liu M.-Q., Chen Y., Shen X.-R., Wang X., Zheng X.-S., Zhao K., Chen Q.-J., Deng F., Liu L.-L., Yan B., Zhan F.-X., Wang Y.-Y., Xiao G.-F., Shi Z.-L. A pneumonia outbreak associated with a new coronavirus of probable bat origin. Nature. 2020; 579(7798):270–3. DOI: 10.1038/s41586-020-2012-7.Lu R., Zhao X., Li J., Niu P., Yang B., Wu H., Wang W., Song H., Huang B., Zhu N., Bi Y., Ma X., Zhan F., Wang L., Hu T., Zhou H., Hu Z., Zhou W., Zhao L., Chen J., Meng Y., Wang J., Lin Y., Yuan J., Xie Z., Ma J., Liu W.J., Wang D.Y., Xu W., Holmes E.C., Gao G.F., Wu G., Chen W., Shi W., Tan W. Genomic characterization and epidemiology of 2019 novel coronavirus: implications for virus origins and receptor binding. The Lancet. 2020; 395(10224):565–74. DOI: 10.1016/S0140-6736(20)30251-8.Lu R., Zhao X., Li J., Niu P., Yang B., Wu H., Wang W., Song H., Huang B., Zhu N., Bi Y., Ma X., Zhan F., Wang L., Hu T., Zhou H., Hu Z., Zhou W., Zhao L., Chen J., Meng Y., Wang J., Lin Y., Yuan J., Xie Z., Ma J., Liu W.J., Wang D.Y., Xu W., Holmes E.C., Gao G.F., Wu G., Chen W., Shi W., Tan W. Genomic characterization and epidemiology of 2019 novel coronavirus: implications for virus origins and receptor binding. The Lancet. 2020; 395(10224):565–74. DOI: 10.1016/S0140-6736(20)30251-8.Kupferschmidt K. The pandemic virus is slowly mutating. But does it matter? Science. 2020; 369(6501):238–9. DOI: 10.1126/science.369.6501.238.Kupferschmidt K. The pandemic virus is slowly mutating. But does it matter? Science. 2020; 369(6501):238–9. DOI: 10.1126/science.369.6501.238.Bhattacharyya Ch., Das Ch., Ghosh A., Singh A.K., Mukherjee S., Majumder P.P., Basu A., Biswas N.K. Global spread of SARS-CoV-2 subtype with spike protein mutation D614G is shaped by human genomic variations that regulate expression of TMPRSS2 and MX1 genes. bioRxiv. 2020.05.04.075911. DOI: 10.1101/2020.05.04.075911.Bhattacharyya Ch., Das Ch., Ghosh A., Singh A.K., Mukherjee S., Majumder P.P., Basu A., Biswas N.K. Global spread of SARS-CoV-2 subtype with spike protein mutation D614G is shaped by human genomic variations that regulate expression of TMPRSS2 and MX1 genes. bioRxiv. 2020.05.04.075911. DOI: 10.1101/2020.05.04.075911.Li X., Wang W., Zhao X., Zai J., Zhao Q., Li Y., Chaillon A. Transmission dynamics and evolutionary history of 2019-nCoV. J. Med. Virol. 2020; 92(5):501–11. DOI: 10.1002/jmv.25701.Li X., Wang W., Zhao X., Zai J., Zhao Q., Li Y., Chaillon A. Transmission dynamics and evolutionary history of 2019-nCoV. J. Med. Virol. 2020; 92(5):501–11. DOI: 10.1002/jmv.25701.Benvenuto D., Giovanetti M., Salemi M., Prosperi M., De Flora C., Alcantara L.C.J., Angeletti S., Ciccozzi M. The global spread of 2019-nCoV: a molecular evolutionary analysis. Pathog. Glob. Health. 2020; 114(2):64–7. DOI: 10.1080/20477724.2020.1725339.Benvenuto D., Giovanetti M., Salemi M., Prosperi M., De Flora C., Alcantara L.C.J., Angeletti S., Ciccozzi M. The global spread of 2019-nCoV: a molecular evolutionary analysis. Pathog. Glob. Health. 2020; 114(2):64–7. DOI: 10.1080/20477724.2020.1725339.Van Dorp L., Acman M., Richard D., Shaw L.P., Ford C.E., Ormond L., Owena C.J., Pang J., Tan C.C.S., Boshier F.A.T., Ortiz A.T., Balloux F. Emergence of genomic diversity and recurrent mutations in SARS-CoV-2. Infect. Genet. Evol. 2020; 83:104351. DOI: 10.1016/j.meegid.2020.104351.Van Dorp L., Acman M., Richard D., Shaw L.P., Ford C.E., Ormond L., Owena C.J., Pang J., Tan C.C.S., Boshier F.A.T., Ortiz A.T., Balloux F. Emergence of genomic diversity and recurrent mutations in SARS-CoV-2. Infect. Genet. Evol. 2020; 83:104351. DOI: 10.1016/j.meegid.2020.104351.Zhao Z., Li H., Wu X., Zhong Y., Zhang K., Zhang Ya-P., Boerwinkle E., Fu Y.-X. Moderate mutation rate in the SARS coronavirus genome and its implications. BMC Evol. Biol. 2004; 4:21. DOI: 10.1186/1471-2148-4-21.Zhao Z., Li H., Wu X., Zhong Y., Zhang K., Zhang Ya-P., Boerwinkle E., Fu Y.-X. Moderate mutation rate in the SARS coronavirus genome and its implications. BMC Evol. Biol. 2004; 4:21. DOI: 10.1186/1471-2148-4-21.Mousavizadeh L., Ghasemi S. Genotype and phenotype of COVID-19: Their roles in pathogenesis. J. Microbiol. Immunol. Infect. 2020. DOI: 10.1016/j.jmii.2020.03.022.Mousavizadeh L., Ghasemi S. Genotype and phenotype of COVID-19: Their roles in pathogenesis. J. Microbiol. Immunol. Infect. 2020. DOI: 10.1016/j.jmii.2020.03.022.Ashour H.M., Elkhatib W.F., Rahman Md.M., Elshabrawy H.A. Insights into the Recent 2019 Novel Coronavirus (SARSCoV-2) in Light of Past Human Coronavirus Outbreaks. Pathogens. 2020; 9(3):186. DOI: 10.3390/pathogens9030186.Ashour H.M., Elkhatib W.F., Rahman Md.M., Elshabrawy H.A. Insights into the Recent 2019 Novel Coronavirus (SARSCoV-2) in Light of Past Human Coronavirus Outbreaks. Pathogens. 2020; 9(3):186. DOI: 10.3390/pathogens9030186.Pachetti M., Marini B., Benedetti F., Giudici F., Mauro E., Storici P., Masciovecchio C., Angeletti S., Ciccozzi M., Gallo R.C., Zella D., Ippodrino R. Emerging SARS-CoV-2 mutation hot spots include a novel RNA-dependent-RNA polymerase variant. J. Transl. Med. 2020; 18:179. DOI: 10.1186/s12967-020-02344-6.Pachetti M., Marini B., Benedetti F., Giudici F., Mauro E., Storici P., Masciovecchio C., Angeletti S., Ciccozzi M., Gallo R.C., Zella D., Ippodrino R. Emerging SARS-CoV-2 mutation hot spots include a novel RNA-dependent-RNA polymerase variant. J. Transl. Med. 2020; 18:179. DOI: 10.1186/s12967-020-02344-6.Korber B., Fischer W.M., Gnanakaran S., Yoon H., Theiler J., Abfalterer W., Foley B., Giorgi E.E., Bhattacharya T., Parker M.D., Partridge D.G., Evans C.M., de Silva T.I., LaBranche C.C., Montefiori D.C. Spike mutation pipeline reveals the emergence of a more transmissible form of SARS-CoV-2. bioRxiv. DOI: 10.1101/2020.04.29.069054.Korber B., Fischer W.M., Gnanakaran S., Yoon H., Theiler J., Abfalterer W., Foley B., Giorgi E.E., Bhattacharya T., Parker M.D., Partridge D.G., Evans C.M., de Silva T.I., LaBranche C.C., Montefiori D.C. Spike mutation pipeline reveals the emergence of a more transmissible form of SARS-CoV-2. bioRxiv. DOI: 10.1101/2020.04.29.069054.Ogawa J., Zhu W., Tonnu N., Singer O., Hunter T., Ryan (Firth) A.L., Pao G.M. The D614G mutation in the SARS-CoV2 Spike protein increases infectivity in an ACE2 receptor dependent manner. bioRxiv. DOI: 10.1101/2020.07.21.214932.Ogawa J., Zhu W., Tonnu N., Singer O., Hunter T., Ryan (Firth) A.L., Pao G.M. The D614G mutation in the SARS-CoV2 Spike protein increases infectivity in an ACE2 receptor dependent manner. bioRxiv. DOI: 10.1101/2020.07.21.214932.Chen W.H., Hotez P.J., Bottazzi M.E. Potential for developing a SARS-CoV receptor-binding domain (RBD) recombinant protein as a heterologous human vaccine against coronavirus infectious disease (COVID)-19. Hum. Vaccin. Immunother. 2020; 16(6):1239–42. DOI: 10.1080/21645515.2020.1740560.Chen W.H., Hotez P.J., Bottazzi M.E. Potential for developing a SARS-CoV receptor-binding domain (RBD) recombinant protein as a heterologous human vaccine against coronavirus infectious disease (COVID)-19. Hum. Vaccin. Immunother. 2020; 16(6):1239–42. DOI: 10.1080/21645515.2020.1740560.Wrapp D., Wang N., Corbett K.S., Goldsmith J.A., Hsieh C.-L., Abiona O., Graham B.S., McLellan J.S. Cryo-EM structure of the 2019-nCoV spike in the prefusion conformation. Science. 2020; 367(6483): 1260–3. DOI: 10.1126/science.abb2507.Wrapp D., Wang N., Corbett K.S., Goldsmith J.A., Hsieh C.-L., Abiona O., Graham B.S., McLellan J.S. Cryo-EM structure of the 2019-nCoV spike in the prefusion conformation. Science. 2020; 367(6483): 1260–3. DOI: 10.1126/science.abb2507.Walls A.C., Park Y.-J., Tortorici M.A., Wall A., McGuire A.T., Veesler D. Structure, Function, and Antigenicity of the SARSCoV-2 Spike Glycoprotein. Cell. 2020; 181(2):281–292.e6. DOI: 10.1016/j.cell.2020.02.058.Walls A.C., Park Y.-J., Tortorici M.A., Wall A., McGuire A.T., Veesler D. Structure, Function, and Antigenicity of the SARSCoV-2 Spike Glycoprotein. Cell. 2020; 181(2):281–292.e6. DOI: 10.1016/j.cell.2020.02.058.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.