Functional and genetic constraints on influenza virus replication and fidelity

流感病毒复制和保真度的功能和遗传限制

基本信息

  • 批准号:
    10647866
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 41.04万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2022
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2022-06-17 至 2027-05-31
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

The rapid evolution of influenza viruses has led to reduced vaccine efficacy, episodic drug resistance, and the emergence of novel seasonal and pandemic strains. The influenza virus polymerase complex is central to the evolution of influenza A viruses (IAV), as it is a major factor in adaptation to new hosts, and its replicative fidelity determines the rate at which the virus will acquire mutations that lead to host range expansion, drug resistance, or antigenic drift. The long-term goal of this project is to elucidate the mechanisms through which novel viral variants are generated, which is critical to understanding how viruses emerge and spread. The objective of this project is define how competing selective forces drive the evolution of the IAV polymerase. The central hypothesis is that there is an inherent conflict between replication speed and fidelity, and that the evolution of the IAV polymerase is highly constrained by the high mutation rate of PB1, its RNA-dependent RNA polymerase (RdRp). This project will apply phylogenetic analysis, mutation rate assays, deep mutational scanning (DMS), molecular dynamic modeling, and in vitro polymerase assays to define the structural and functional constrains on the IAV polymerase. The feasibility of this approach is supported by preliminary data, which show that: (i) phylogenetic approaches can define the mutational pathway taken by the IAV polymerase as it adapts to human hosts; (ii) deep mutational scanning (DMS) can systematically define the impact of amino acid substitutions on polymerase function; (iii) a novel fluctuation test provides precise measurements of mutation rates for each nucleotide substitution class; (iv) the combination of molecular dynamic modeling and biochemistry can define functionally important interactions within the polymerase heterotrimer. Detailed analyses of the IAV polymerase will be accomplished in three aims. (Aim 1) Define the trade-off between replicative speed and fidelity over 50 years of H3N2 evolution. Competition assays and fluctuation tests will be used to determine the functional impact of adaptive mutations that have arisen in the natural evolution of PB1. (Aim 2) Measure the structural and functional impacts of all amino acid mutations in the influenza virus RdRp. DMS of the PB1 protein with serial passage in the absence and presence of mutagenic nucleosides will be used to evaluate the impact of each mutation on viral replication and mutation rates. (Aim 3) Define how amino acid interactions within the polymerase complex affect replication and fidelity. Dynamic modeling and in vitro assays will be used to mechanistically interrogate how co-selected mutations in PB2, PB1 and PA determine mutation rate. This work is innovative, because it uniquely combines a range of complementary approaches to test a novel hypothesis regarding the evolution of viral polymerases. The proposed research is significant, because it will define how selection on replication rate and fidelity shape the short- and long-term evolution of influenza viruses.
流感病毒的快速进化导致疫苗功效降低、偶发耐药性以及新的季节性和大流行毒株的出现。流感病毒聚合酶复合物是甲型流感病毒(IAV)进化的核心,因为它是适应新宿主的主要因素,其复制保真度决定了病毒获得导致宿主范围扩大的突变的速度、耐药性或抗原漂移。该项目的长期目标是阐明新型病毒变体的产生机制,这对于了解病毒如何出现和传播至关重要。该项目的目标是定义竞争选择力如何驱动 IAV 聚合酶的进化。中心假设是复制速度和保真度之间存在固有的冲突,并且IAV聚合酶的进化受到PB1(其RNA依赖性RNA聚合酶(RdRp))的高突变率的高度限制。该项目将应用系统发育分析、突变率测定、深度突变扫描 (DMS)、分子动力学建模和体外聚合酶测定来定义 IAV 聚合酶的结构和功能限制。这种方法的可行性得到了初步数据的支持,这些数据表明:(i)系统发育方法可以定义 IAV 聚合酶在适应人类宿主时所采取的突变途径; (ii) 深度突变扫描(DMS)可以系统地定义氨基酸取代对聚合酶功能的影响; (iii) 一种新颖的波动测试提供了每个核苷酸取代类别的突变率的精确测量; (iv)分子动力学建模和生物化学的结合可以定义聚合酶异源三聚体内功能上重要的相互作用。 IAV 聚合酶的详细分析将实现三个目标。 (目标 1)定义 H3N2 进化 50 年来复制速度和保真度之间的权衡。竞争测定和波动测试将用于确定 PB1 自然进化中出现的适应性突变的功能影响。 (目标 2)测量流感病毒 RdRp 中所有氨基酸突变的结构和功能影响。在不存在和存在诱变核苷的情况下连续传代的 PB1 蛋白的 DMS 将用于评估每种突变对病毒复制和突变率的影响。 (目标 3)定义聚合酶复合物内的氨基酸相互作用如何影响复制和保真度。动态建模和体外测定将用于从机制上探讨 PB2、PB1 和 PA 中共同选择的突变如何决定突变率。这项工作具有创新性,因为它独特地结合了一系列互补方法来测试有关病毒聚合酶进化的新假设。拟议的研究意义重大,因为它将定义复制率和保真度的选择如何影响流感病毒的短期和长期进化。

项目成果

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