Population genetic processes underlying evolutionary patterns of human influenza A/H3N2 virus

Abstract

Since its first detection in 1968, influenza viral strain H3N2 continued to infect human hosts and caused global seasonal epidemics. This viral population is of great interest in evolutionary biology as the accumulation of decades-long genetic data assembled in unparalleled global efforts allows the observation of adaptive evolution occurring in real time. A large number of viral sequences, mostly of hemagglutinin (HA) gene segment, have been obtained over many geographic regions, which allowed clear evolutionary genetic analyses on rapid antigenic changes, termed antigenic drift, for escaping host immunity and inferences on the complex demographic structure of viral population. The availability of longitudinal samples of the viral sequences also provides opportunity to investigate various population genetic processes underlying the evolutionary pattern of influenza. It has been observed that nucleotide substitutions in the HA1 domain of seasonal influenza virus H3N2 occur in temporal clusters, which was interpreted as a result of recurrent selective sweeps underlying antigenic drift. However, classical theory by Watterson suggests that episodic substitutions are mainly due to stochastic genealogy combined with unique genetic structure of influenza virus: high mutation rate over a non-recombining viral segment. This explains why even larger variance in the number of allelic fixations per year is observed in non-antigenic gene segments of H3N2 than in antigenic (HA and NA) segments. Using simulation, I confirm that allelic substitutions at non-recombining segments with high mutation rate become temporally clustered without selection. I conclude that temporal clustering of fixations, as it is primarily caused by inherent randomness in genealogical process at linked sites, cannot be used as an evidence of positive selection in the H3N2 population. This effect of linkage and high mutation rate should be carefully considered in analyzing the genomic patterns of allelic substitutions in asexually reproducing systems in general. The genealogical tree of HA sequences sampled over several decades comprises a long trunk and short side branches, which indicates small effective population size. Various studies have reproduced this unique genealogical structure by modeling recurrent positive selection. However, it has not been clearly demonstrated whether recurrent selective sweeps alone can explain the limited level of genetic diversity observed in the HA of H3N2. Using computer simulation of a viral population evolving under recurrent selective sweeps I demonstrate that positive selection alone, if it occurs at a rate estimated by previous studies, cannot lead to such a small effective population size. Genetic hitchhiking fails to completely wipe out pre-existing variation because soft, rather than hard, selective sweeps prevail under realistic parameters of mutation rate and population size. I find that antigenic-cluster-transition substitutions in HA occur as hard sweeps. This indicates that the effective population size under which those mutations arise must be much smaller than the actual population size due to other evolutionary forces before selective sweeps further reduce it. I thus examine the effects of background selection and metapopulation dynamics in reducing the effective population size, using parameter values that reproduce other aspects of molecular evolution in H3N2. When either process is incorporated in recurrent selective sweep simulation, selective sweeps are mostly hard and the observed level of synonymous diversity is obtained with large census population size. The variation-reducing power of background selection and metapopulation dynamics is greater than that of recurrent positive selection under realistic parameters in H3N2. Therefore, these previously under-recognized evolutionary processes are likely to play crucial roles in reducing the effective population size of H3N2 viruses and thus explaining the characteristic shape of H3N2 genealogy.;인플루엔자 A/H3N2는 1968년 인간 숙주 집단으로 넘어와 대유행을 일으킨 후 지금까지 계절에 따라 유행하고 있으며, 사람을 감염시키는 가장 보편적인 아형의 인플루엔자이다. 인플루엔자는 숙주의 면역계에 대응하여 빠르게 적응 진화를 하여 독감 백신의 효과를 빠르게 떨어뜨리고 매년 250,000명에서 500,000명에 이르는 사망자를 발생시키는 질병부담이 큰 바이러스이므로, 인플루엔자에 대한 연구가 다각도로 이루어지고 있다. 특별히 지난 수십년에 걸쳐 환자로부터 분리된 수많은 바이러스 검체의 유전자 서열 결정을 통해 인플루엔자의 진화가 연구되어 왔다. 가장 많은 샘플 수를 축적한 유전자는 항원 변이가 빈번하게 일어나는 것으로 알려진 헤마글루티닌 (hemagglutinin, HA)과 뉴라미니다아제(neuraminidase, NA)이다. 그러나 시간에 따라 축적된 이 방대한 양의 유전자 서열 데이터는 적응 진화뿐 아니라 바이러스의 진화에 관여하는 다양한 집단 유전학적 프로세스를 탐구하는 데에 좋은 기회를 제공한다. 기존 연구들에서 헤마글루티닌 유전자의 HA1 도메인에서의 뉴클레오티드 치환이 시간적 군집을 이루는 것이 관찰되었고, 이 현상은 항원 변이를 일으키는 선택일소에 의한 것으로 해석되었다. 그러나, 본 논문에서는 선택일소가 아닌 Watterson의 이론으로 이 현상을 설명할 수 있음을 밝혀내었다. 즉, 재조합이 일어나지 않으면서 돌연변이율이 매우 높은 독특성을 갖는 인플루엔자 유전자 절편이 확률과정에 따른 계보를 형성함에 따라 불규칙한 뉴클레오티드 치환이 일어나는 것이다. 이 이론에 따르면 항원 변이가 빈번하게 일어나는 헤마글루티닌이나 뉴라미니다아제 외의 H3N2의 다른 유전자 절편에서도 군집치환이 관찰되는 이유를 설명할 수 있다. 이론을 검증하기 위해 시뮬레이션을 통해 재조합이 일어나지 않고 높은 돌연변이율을 갖는 절편에서 양성 선택(positive selection)이 일어나지 않아도 뉴클레오티드의 군집치환이 일어남을 확인하였고, H3N2 각 절편의 군집치환도가 세그먼트 돌연변이율에 따라 증가하는 것을 확인하였다. 즉 인플루엔자의 군집치환은 근본적으로 재조합 없는 염기서열에 작용하는 유전적 부동에 기인하므로, 클러스터링 패턴은 H3N2에서 일어나는 양성 선택의 증거로 이용될 수 없다. 본 연구에서 밝힌 돌연변이율이 높고 재조합이 없는 유전자의 진화유전학적 특성은 앞으로 무성생식을 하는 시스템의 유전체에서 일어나는 돌연변이들의 치환 패턴을 분석할 때 필수적으로 고려되어야 할 것이다. 헤마글루티닌 유전자 서열로 구성한 인플루엔자 H3N2의 계통수는 다른 바이러스의 계통수들과 구분이 되는 독특한 구조를 가지고 있다. 하나의 긴 줄기와 나머지의 짧은 주변 가지들로 이루어져 있는 이 계통수 구조는 H3N2의 유효집단크기가 매우 작음을 보여 준다. 그 동안 많은 연구들이 다양한 시나리오의 적응진화를 모델링하여 이 계통수 구조를 재현하였다. 그러나 실제로 선택일소만으로 H3N2 헤마글루티닌 유전자의 제한된 유전적 변이를 설명할 수 있는지 연구된 바가 없다. 따라서 본 연구에서는 실제 헤마글루티닌에서 측정된 빈도로 양성 선택이 일어나도록 한 바이러스 집단의 시뮬레이션에서 유전적 변이가 얼마나 낮아지는가를 조사하였는데, 반복적 선택일소만으로는 관측된 값과 같은 낮은 수준의 유전적 변이를 재현해내지 못하였다. 실제적인 돌연변이율과 집단크기를 적용한 시뮬레이션에서는 선택일소가 hard sweep이 아닌 soft sweep 방식으로 일어나 유전적 변이를 완전히 제거하지 못한 것이다. 그러나 실제 인플루엔자의 항원 클러스터 전환 돌연변이들을 조사한 결과, 선택일소가 모두 hard sweep으로 일어났음을 확인하였다. 이는 선택일소를 일으키는 돌연변이들이 일어나게 되는 유효집단 크기를 실제 집단 크기보다 크게 낮추는 진화적 프로세스들이 작용하고 있음을 의미한다. 인플루엔자에서 이와 같은 작용을 하는 진화적 프로세스는 background selection과 metapopulation dynamics일 것으로 예측하고, 각 프로세스가 유효집단 크기를 얼마나 줄일 수 있는지 시뮬레이션을 통해 조사하였다. 기존의 양성 선택만 작용하였던 시뮬레이션에 각 프로세스를 추가하였을 때, 선택일소는 대부분 hard sweep으로 일어나게 되었고 실제 바이러스에서 관측되는 것과 같이 낮은 수준으로 유전적 변이가 제한됨을 확인하였다. 뿐만 아니라, background selection과 metapopulation dynamics가 유전적 변이를 줄이는 효과는 양성 선택의 효과보다 더 강력하였다. 따라서, 지금까지 중요하게 인식되지 않았던 이 진화적 프로세스들이 오히려 인플루엔자 H3N2의 작은 유효집단크기 및 독특한 계통수 구조를 설명하는 데에 더 중요한 요인임을 밝히게 되었다.