High-resolution mapping reveals the mechanism and contribution of genome insertions and deletions to RNA virus evolution

索引 生物 INDEL突变 遗传学 核糖核酸 基因组 病毒进化 突变率 计算生物学 RNA病毒 基因组进化 基因 单核苷酸多态性 基因型
作者
Mauricio Aguilar Rangel,Patrick Dolan,Shuhei Taguwa,Yinghong Xiao,Raul Andino,Judith Frydman
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [Proceedings of the National Academy of Sciences]
卷期号:120 (31) 被引量:11
标识
DOI:10.1073/pnas.2304667120
摘要

RNA viruses rapidly adapt to selective conditions due to the high intrinsic mutation rates of their RNA-dependent RNA polymerases (RdRps). Insertions and deletions (indels) in viral genomes are major contributors to both deleterious mutational load and evolutionary novelty, but remain understudied. To characterize the mechanistic details of their formation and evolutionary dynamics during infection, we developed a hybrid experimental-bioinformatic approach. This approach, called MultiMatch, extracts insertions and deletions from ultradeep sequencing experiments, including those occurring at extremely low frequencies, allowing us to map their genomic distribution and quantify the rates at which they occur. Mapping indel mutations in adapting poliovirus and dengue virus populations, we determine the rates of indel generation and identify mechanistic and functional constraints shaping indel diversity. Using poliovirus RdRp variants of distinct fidelity and genome recombination rates, we demonstrate tradeoffs between fidelity and Indel generation. Additionally, we show that maintaining translation frame and viral RNA structures constrain the Indel landscape and that, due to these significant fitness effects, Indels exert a significant deleterious load on adapting viral populations. Conversely, we uncover positively selected Indels that modulate RNA structure, generate protein variants, and produce defective interfering genomes in viral populations. Together, our analyses establish the kinetic and mechanistic tradeoffs between misincorporation, recombination, and Indel rates and reveal functional principles defining the central role of Indels in virus evolution, emergence, and the regulation of viral infection.
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