20 January 2021

Accelerated evolution of SARS-COV-2 in a person with immunodeficiency (with hands-on exercise)

 

 

 

Corona Update 20 January 2021




People with weakened immune systems are at higher risk of getting severely sick from SARS-CoV-2, the virus that causes covid-19 [1]. They may also remain infectious for a longer period of time than others with COVID-19. Recently, a group of 32 researchers published the results of viral genome sequencing of an immuno-compromised patient with Covid-19 [2].

To my knowledge, this study is the first where a sufficient number of whole-genome viral sequences were obtained from the same patient to establish the evolution of SARS-CoV-2 in one individual during a longer period of time in which anti-viral therapy was given, such as two remdesivir treatments and a SARS-CoV-2 antibody cocktail against the SARS-CoV-2 spike protein (Regeneron) [3] and more.  

In the study 9 whole-genome viral sequencing, 19 RT-PCR tests and a number of quantitative viral load assays of SARS-CoV-2 were done during a period of 154 days (5 months). After many clinical complications such as hypoxemia and remdesivir treatments, the patient died on day 154 from shock and respiratory failure.

In this blog I will focus on the whole genome sequences. The authors did a phylogenetic analysis of the viral sequences which was consistent with persistent infection and accelerated evolution of the virus. 

The authors conclude: "Although most immunocompromised persons effectively clear SARS-CoV-2 infection, this case highlights the potential for persistent infection and  accelerated  viral  evolution  associated  with  an immunocompromised state". 

This situation may be comparable to the continued use of antibiotics in humans or animals to combat bacterial infections. When the selection pressure is not too strong, not every microbe is killed. A few lucky mutants escape and multiply. When the 'right' mutations occur, antibiotic resistance soon develops [8].

 

The mutations...

For those who insist to know the exact mutations, here they are:

Fig 1a. Partial Spike sequences. continued below.

Fig 1b. Partial Spike sequences (continued). Click to enlarge.
Amino Acids in colored letters. Dots: identical AA.
Numbers above are positions in Spike protein
For complete Spike sequence see below: How to ...

 

Generally, mutations originate in random places in the genome. But the authors found that amino acid changes were pre-dominantly in the Spike gene (S) and the receptor-binding domain (RBD), which make up 13% and 2% of the viral genome, respectively, but harboured 57% and 38% of the observed changes. That means mutations in the Spike protein were much higher than expected by chance alone. Selection must have taken place: negative (removing mutated variants) and positive (amplifying mutated variants) [4].

Several synonymous as well as non-synonymous mutations in the virus were detected, as well as continuous deletions of 3, 4 and 7 amino acids (AA). One variant has a 7 AA and a 3 AA deletion (see Fig 1a), so its sequence is 10 AA or 30 nt shorter. Apparently, not very harmful. Remarkably, all mutations in the Spike protein are non-synonymous (see figures). That means amino acids are replaced. In synonymous mutations the amino acid does not change, so are of little consequence.

The top row in the figure is the first virus genome in the patient that has been sequenced (day 18). It is identical to Reference sequence (RefSeq) of the Spike protein, except for one substitution N869M in position 869: M has been substituted by N. So, the patient started with a standard virus. But then things changed rapidly. A total of 60 non-synonymous mutations and 15 synonymous mutations were found. That is 4 times as much non-synonymous than synonymous mutations. For comparison: the New Brazilian variant has 24 mutations!

Here is a list of 8 mutations found on the last sampling day (day 152):

del 141-144 [9]

Q183H

T478K

E484A [6]

F486I

S494P

N501Y [5],[7]

I870V

The first mutations appear on day 75 and all virus variants thereafter accumulate mutations. We see a familiar mutation: N501Y which occurs in the British B.1.17 [5] and South Africa variant [7].

The table Fig 1ab shows only one sequence per day. However, there must exist more sequences at the same time. 

Fig 1c. On Day 152 seven lost amino acids reappear.
 

For example, in Fig. 1c. we see a large 7 amino acids deletion (position 12-18) in the Spike protein on Day 146. A week later, on Day 152, the deleted amino acids reappear. Any mutated amino acid can mutate back to the wildtype, but deleted amino acids cannot reappear. So, they must be inherited from other variants without the deletion. But they are not shown in the table. The table is incomplete. So, different sub-populations must exist side-by-side and evolve independently. See the phylogenetic tree:

Phylogenetic tree of virus populations within one patient [1].

This small tree shows evolutionary diversification. As time progresses more lineages appear. At time T0 there are two lineages and at T3 there are 3 different lineages. Unfortunately, there are not enough data to establish which variants went extinct and how many variants survived until the last day. But, then, this is a patient, not an experiment.

 

Conclusion

The pharmacological cocktail in this patient with an weakened immune system seem to have caused accelerated evolution of SARS-CoV-2. The mutations are significantly more located in the Spike protein and there are more non-synonymous than synonymous mutations. In other words: micro-evolution with positive selection for reproductive success of the virus and adaptation to the internal environment of the patient. Maybe the discontinuous therapy has given the virus time to recover and thereby contributed to the accelerated evolution.


How to download a sequence from NCBI

 
To download the Spike protein of SARS-COV-2 (Surface glycoprotein):
  • click this link (SARS-CoV-2 Spike protein Reference is selected)
  • select the YP_009724390 (this is the reference sequence; 1273 AA)
  • press DOWNLOAD button 
  • step 1 'Protein' is pre-selected
  • Step 2: Next
  • Download Selected Records 
  • Step 3: 'Use default'. Next
  • Download 
  • the downloaded file is: sequences.fasta
  • this file is a plain text file and can be read in a simple text editor
  • the file is formatted in lines of 60 characters.
  • optional: remove first line and save as YP_009724390.txt

 
Overview of all mutations (red) in Spike protein.
Yellow highlight: sequences shown in the publication.
Used is the Reference sequence (1273 AA).
Formatted in lines of 100 characters. Click to enlarge.


I used the downloaded Reference sequence YP_009724390 of the Spike protein to show the mutations in context and to compare the sequences of the patient with the official reference sequence. Deletions are also shown in red. Yellow highlight are the sequences shown in the publication. This is an example how one can use downloaded sequences.
 
Alternative method [10]: 
 
click on YP_009724390 and scroll down and you find the amino acid (AA) sequence of the Reference Spike protein in rows of 60 in blocks of 10 per row:
the complete sequence of the Spike protein: 1273 AA
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/protein/YP_009724390



References/Notes

 
- hypoxemia: an abnormally low level of oxygen in the blood
- A 7 amino acid (AA) deletion correspondents to a 21 nucleotide (nt) deletion.
- Synonymous mutation is a mutation in DNA/RNA that doesn't change the amino acid. A non-synonymous mutation does change the amino acid.

- Remdesivir is a broad-spectrum anti-viral molecule (wikipedia)

- NCBI = The National Center for Biotechnology Information

- RT-PCR = Reverse-Transcriptase–Polymerase-Chain-Reaction.
 
  1. People with weakened immune systems are at higher risk of getting severely sick from SARS-CoV-2, the virus that causes covid-19
  2. 32 authors: 'Persistence and Evolution of SARS-CoV-2 in an Immunocompromised Host' in The New England Journal of Medicine, November 11, 2020
  3. Experimental treatment for COVID-19 (Regeneron Pharmaceuticals)
  4. Positive selection has been reported by others:  Positive selection within the genomes of SARS-CoV-2 and other Coronaviruses independent of impact on protein function
  5. see a previous blog: Finding the highly transmissible British SARS-CoV-2 B.1.1.7 variant in the USA
  6. "The most consequential mutations, at a location called E484, caused a steep drop in the potency of some individuals’ antibodies. Coronavirus variants identified in South Africa and Brazil carry a mutation at the same spot." Nature.
  7. Emergence and rapid spread of a new severe acute respiratory syndrome-related coronavirus 2 (SARS-CoV-2) lineage with multiple spike mutations in South Africa. Posted December 22, 2020.
  8. The same effect is predicted to occur when the second covid-19 vaccination is delayed: Could delaying a second vaccine dose lead to more dangerous coronavirus strains?  Jan 14, 2021 (thank you Harry)
  9. correction: del142-144 must be del141-144 (4AA) on the last day. On previous days it was del142-144 (3AA).
  10. Update 24 Jan 2021: I added an alternative method to get the complete amino acid sequence without downloading it to your computer.

 

Thanks Marleen for notifying me to nrc article which referred to publication [2].

16 January 2021

Is het virus ooit geïsoleerd, geïdentificeerd, en gepurificeerd?

 

Corona Update 16 januari 2021

"Is het virus ooit geïsoleerd, geïdentificeerd, en gepurificeerd?"

Gisteravond in een youtube lifestream van Vincent Everts en Charles Groenhuizen werden een apotheker, een farmacoloog, een viroloog en een huisarts geïnterviewd over de mogelijke toelating van Ivermectin als behandeling van covid-19. Kijkers konden vragen stellen. Ik viel van mijn stoel toen ik de volgende vraag voorbij zag komen:

"Is het virus ooit geïsoleerd, geïdentificeerd, en gepurificeerd?" (t=3790)

De SARS-CoV-2 pandemie begon eind december 2019 in Wuhan. Op 15 januari 2021, dus ruim een jaar later vraagt iemand:

"Is het virus ooit geïsoleerd, geïdentificeerd, en gepurificeerd?"

Ik neem aan dat de vragensteller te goeder trouw is, en het een eerlijke vraag is van iemand die het gewoon niet weet, maar wellicht beïnvloed is door complotdenkers op sociale media. De viroloog Ab Osterhaus mocht de vraag beantwoorden. Hij deed dat kort en duidelijk. Het volledige SARS-CoV-2 virus genoom is op 10 januari 2020 door Chinese onderzoekers gepubliceerd. Dat was zeer belangrijk voor de rest van de wereld. Op basis van die publicatie konden in het Westen PCR testen ontwikkeld worden om SARS-CoV-2 bij mensen aan te tonen en de farmaceutische industrie kon beginnen met het samenstellen van een vaccin tegen het virus. Vroeger beschikten wetenschappers niet over het volledige genoom van virussen. Het is een enorme vooruitgang dat dat tegenwoordig wel kan.

Osterhaus zei er niet bij dat het RNA van meer dan 50.000 individuele SARS-CoV-2 virussen bekend is. Dus het volledige genoom tot op de laatste letter is bekend en gepubliceerd. Dit is te zien in openbare databases als GISAID en NCBI. [1],[2]

Het virus is ook niet 100% nieuw zoals de naam al doet vermoeden: het is versie 2. Versie 1, SARS-CoV-1 veroorzaakte een kleinere epidemie in 2003. Ze behoren beide tot de familie van coronavirussen. Dit kun je allemaal in de wikipedia vinden. En dat is niet moeilijk te vinden.


Ik zal in een volgend blog laten zien hoe iedereen zelf de RNA volgorde van SARS-CoV-2 kan downloaden als tekstbestand. Dan hoef je de vraag Is het SARS virus ooit geïsoleerd, geïdentificeerd, en gepurificeerd? niet meer te stellen! Nooit meer!


Noten

  1. "In the past year, more than 360,000 SARS-CoV-2 genomes have been sequenced and stored on GISAID, a non-profit online database for sharing viral genomes ... covering more than 140 countries." Nature, 15 Jan 2021.
  2. "more than 90 million cases of COVID-19 have been recorded and only about 350,000 virus variants have been sequenced". Eurekalert 28 Jan 2021



Referenties

LIVE 16:00 Ab Osterhaus en Adam Cohen over toelating Ivermectin voor Covid-19 behandeling

One year since first genomes of SARS-CoV-2 released to the world 10 January 2020 00:41UTC

Global analysis of more than 50,000 SARS-CoV-2 genomes reveals epistasis between eight viral genes

11 January 2021

ObsIdentify (NIA) herkent Cetti's zanger op tegenlicht foto met 99% zekerheid

f/9,0  1.1250 sec ISO 1600. Sony 70-350 telezoom. 9 Jan 2021
Bewerkte foto. ObsIdentify voorspelt:
Cetti's Zanger - Cettia cetti met zekerheid 96.9%


f/9.0  1/3200 sec ISO 1600. Sony 70-350 telezoom. 9 Jan 2021
ObsIdentify voorspelt Cetti's Zanger met 99,8% zekerheid


Het beeldherkenningsprogramma ObsIdentify (NIA) heeft een tegenlicht foto van een Cetti's zanger met 99% zekerheid herkent. 

Hij zat in het struikgewas aan de rand van een meertje. Ik wist absoluut niet wat het was. Zelfs thuis op mijn computerscherm wist ik het niet. Het had iets van een winterkoning, maar de staart was te lang. Of een Rosse Waaierstaart, maar die is zeer zeldzaam. Of een staartmees, maar die heeft een lange smalle staart en een kleiner lichaampje. Toen ik de foto's aanbood aan ObsIdentify (waarneming.nl) kreeg ik tot mijn grote verbazing scores van 99% en hoger voor de Cetti's zanger! Voor een tegenlicht foto! Waar totaal geen kleur in zit. Zelfs het beste fototoestel en lens kan geen kleur tevoorschijn toveren uit een tegenlicht foto. Ik heb de foto's bewerkt om er nog zoveel mogelijk detail uit te halen. De zon scheen die middag. Maar ik en/of de zon stonden verkeerd. Het vogeltje was binnen een minuut weer weg. Ik heb net 10 foto's kunnen maken. De foto's waren wel scherp. Maar het waren in feite zwart-wit foto's.

Het algoritme gaf het volgende oordeel: "Confident (99%), but a new location". Dat betekent dat er op die plek de laatste tijd (maanden) nooit een goedgekeurde Cetti's zanger geregistreerd was. Tot mijn verbazing waren er in oktober, november en december 2020 op die plek waarnemingen van het beestje, maar geen van allen waren goedgekeurd wegens gebrek aan bewijs (foto). Het algoritme keurt dan zo'n waarneming niet goed. Een validator (moderator) heeft mijn waarneming goedgekeurd: "accepted (with evidence) by validator". Ik was uitzonderlijk blij en heb op vegagebak getrakteerd! Tevens is het een zeer goede prestatie van ObsIdentify beeldherkenning! Andere foto's gaven: 99,8%, 99,9%, 93,7%, 99,5%, 100,0%. Een knappe prestatie mogen we voorzichtig concluderen. Het algoritme blijft erg gevoelig voor meer of minder uitsnijden van de foto.

Zo ziet hij eruit in het zonlicht (René Fousert)

Ik heb extreem geluk gehad dat ik hem heb kunnen fotograferen, want het bleek dat van de 956 waarnemingen van de Cetti's zanger in waarneming.nl in de eerste 10 dagen van januari, er slechts 8 foto's geüpload waren (inclusief de mijne). Dat is minder dan 1% van de waarnemingen. Dus: extreem geluk dat ik hem heb kunnen fotograferen. Dit is typisch een toevalswaarneming: ik stond toevallig op de juiste plek op het juiste moment, maar had de pech dat het een tegenlicht opname was. Het zeer grote aantal waarnemingen komt waarschijnlijk door over-rapportage: het is winter en het is toch een bijzondere soort.

De Cetti's zanger is voor mij een bijzonderheid, omdat ik heb hem pas vorig jaar voorjaar voor het eerst gehoord (niet gezien!) heb, terwijl ik eigenlijk mijn hele leven belangstelling heb voor (zang)vogels. Officieel is zijn status 'vrij algemeen'. Voor mij is het een zeldzaam vogeltje. Het was überhaupt de eerste keer dat ik hem heb 'gezien' (zonder te weten dat het een Cetti's was). Hij laat zich namelijk zelden zien. 's Winters zijn ze iets makkelijker te zien omdat bladeren ontbreken. Zijn geluid is onmiskenbaar. Maar als je gaat spitten in waarnemingen.nl zie je een oudgediende die hem 42 jaar geleden al in Nederland heeft waargenomen. Toen was het een echte zeldzaamheid. Een dwaalgast. De laatste 20 jaar is hij in Nederland in aantal toegenomen. Het beestje voelt zich kennelijk thuis in Nederland. Vooral in rietlanden en oevervegetatie. En dat is er kennelijk nog genoeg in Nederland. 

Je verwacht van zo'n vogel dat het een insecten-eter is en dus naar het Zuiden trekt zoals de traditionele Nederlandse zangvogels (fitis, tjiftjaf, tuinfluiter, nachtegaal). Volgens wikipedia is hij 'insectivorous'. Kennelijk kan hij zich goed in leven houden in de winter. Wat hij in de winter eet is niet bekend. En er wordt geen melding gemaakt van overwintering. Dus het is bijzonder dat je hem 's winters kunt zien of horen.

 

update 12 jan: enige aanvullingen.

 

Referenties

Cetti's zanger (Nederlandse wikipedia), Engelse wikipedia.

Cetti's zanger (Vogelbescherming)

Cetti's zanger (waarneming.nl) 

Vorig blog over ObsIdentify:  Tesla beeldherkenning en ObsIdentify beeldherkenning: steeds beter, maar maken nog steeds klassieke fouten (10). Dit is deel 11.


Voor alle blogs over ObsIdentify klik op label ObsIdentify