流感病毒通过获得新的突变不断地经历进化和适应的过程。圣裘德儿童研究医院的科学家们对流感病毒为何以及如何变化有了新的认识。“适者生存”模式为更广泛认可的“适者生存”进化方式提供了补充观点。这项工作今天发表在《科学进展》上。

由于不断的基因突变，病毒经历了快速的进化。这种快速变化就是人们每年都要注射流感疫苗的原因，因为我们需要应对已成为主要毒株的最新流感变种。我们经常在传统进化思维的背景下看到这些突变，其中变异的适应性决定了哪种突变病毒会成为群体中的优势菌株。圣裘德团队研究了这一理论，并定义了另一种进化原则，他们认为这是进化的关键驱动力，称为“变体可及性”。

这项研究由圣裘德结构生物学系和数据驱动发现卓越中心的AlexanderGunnarsson博士和M.MadanBabu博士领导，涉及创建突变可及性模型，以帮助预测病毒进化过程中群体中如何以及为何出现特定突变。

变体可访问性的作用未被重视

基因组字母表只有四个字母代表核苷酸：(A)腺苷、(T)hymine、(G)uanine和(C)ytosine。蛋白质编码基因内的三个核苷酸组称为密码子。密码子就像组装蛋白质的配方，编码特定的氨基酸。当核苷酸发生改变时，例如在复制过程中，就会发生突变。这种改变导致使用不同的氨基酸来制造蛋白质。但正如巴布和冈纳森发现的那样，并非所有突变出现的可能性都相同。

“基因复制过程存在固有的偏差，例如A相对容易突变为C，而不是G，”Babu解释道。“这意味着具有这种A到C突变的突变体库更大，并且存活的变体将主要从该特定库中出现，即使可能存在具有A到G突变的更适合的序列。”

Gunnarsson和Babu以流感病毒为案例研究，将这一概念转化为数学模型。他们的模型使研究人员能够根据突变的可及性来预测未来的进化路径。特别令人感兴趣的是探索特定蛋白质位点如何在获得突变后获得或失去被修饰的能力。然后他们研究了这种增加或减少如何影响蛋白质的功能。

磷酸化是这种修饰的一个例子。当磷酸盐分子添加到蛋白质的特定氨基酸上时，就会发生这种情况。就流感而言，磷酸化可以帮助病毒劫持宿主分子途径以介导成功感染。这些突变可能对过去的流感大流行至关重要，Gunnarsson和Babu正是使用这些数据集来开发他们的模型。

头奖活动的重要性

该模型还帮助研究人员更好地理解长期概念化的突变属性，即头奖事件。这些突变是在种群增长早期偶然发生的，导致整个后代持续受益。Gunnarsson解释说：“基因型越容易获得，这些特定的累积奖金事件就越频繁，因为它只是一个概率事件。”“如果一个特定的基因获得特定突变的可能性是原来的一百倍，你会发现头奖事件发生的频率相应地更高。这些事件在进化中很重要，并且主要由变体的可及性驱动。”

更容易接近的突变可能在人群中占主导地位，尽管它们可能不是最适合的突变。Gunnarsson说：“如果获得最适突变的概率是数百万亿分之一，那么即使它是最适突变，它在群体中固定的可能性也很低。当你有多个头奖突变实例时从统计数据来看，这种变体的流行率大幅增加，即使它与另一种更适合但不太容易获得的突变体相比不太适合。”

加深我们对突变偏差的理解并预测进化系统的结果

变体可及性的概念因其简单而优雅，但与自然界中的大多数事物一样，它是统计概率的平衡。从突变事件和某些核苷酸变化的概率差异到密码子冗余(同一氨基酸的多个密码子)，驱动进化途径的组件之间存在微妙的平衡。

巴布说：“进一步了解病毒的生化突变偏差(例如，在复制过程中)可以开辟新的方向和可能性，因为它将更好地了解病毒如何进化。”事实上，该模型正在应用于有关流感病毒在突变可及性框架内如何变化的历史数据，以更准确地预测病毒进化。

基于可及性预测病毒进化结果的能力引起了圣裘德宿主-微生物相互作用部门的流感专家、世界卫生组织生态学研究合作中心主任理查德·韦比博士的兴趣。动物和鸟类的流感。

韦比说：“在公共卫生领域，我们在许多情况下尝试预测流感病毒的进化路径，包括为未来的流感选择最合适的疫苗。”“‘可访问的生存’模型将为这些预测提供支持，并使我们能够更自信地识别更有可能呈现令人担忧特征的病毒。”

该模型还适用于流感甚至病毒学之外的领域，并引导进一步研究不同疾病的突变偏差。例如，在癌症中，该模型可以帮助回答许多有关病理学的问题，例如为什么特定的癌症驱动或耐药突变会反复出现。

巴布说：“我们的模型可用于帮助预测特定类型的突变是否可能作为肿瘤驱动因素或对特定治疗的耐药突变出现。”“我们希望我们的工作能够促进对驱动病毒和肿瘤进化的突变偏差特征的研究。如果我们能够量化并更好地理解导致突变偏差的生化过程，这对于预测进化遗传系统中的突变结果将是非常有价值的。发生之前的结果将使我们能够在事情最终发生时做好准备。”

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