Эволюционные аспекты динамики мутаций в репликационно-транскрипционном комплексе SARS-CoV-2

Вирус SARS-CoV-2 остается заметной угрозой для человечества, поскольку продолжает циркулировать и эволюционировать. При этом продолжающийся глобальный мониторинг и накопление геномных данных позволяют детально изучать эволюционные механизмы. В нашей работе мы анализируем репликационно-транскрипционный комплекс (RTC, nsp7–nsp14) – более консервативную, чем S-белок, напрямую связанный с инфекционностью и избеганием иммунитета, но все-таки динамично эволюционирующую часть генома – в течение 5.5-летнего периода (декабрь 2019 г. – июль 2025 г.). Исследование сосредоточено на аминокислотных заменах, присутствующих по крайней мере в 1 % доступных в базе GISAID геномов, их временнóй динамике, совместной встречаемости и структурном контексте. Мы идентифицировали 22 таких точечных аминокислотных замены, проанализировали их недельную динамику, выявили три различных временны’ х паттерна и рассчитали частоты для групп мутаций (пары, тройки и т. д.), одновременно присутствующих в геномах. Примечательно, что все изученные замены были однонуклеотидными. Мы визуализировали аминокислотные остатки, соответствующие рассмотренным мутациям, на трехмерной структуре RTC, описали их особенности и обобщили данные литературы для изучения известных функциональных последствий. Одна из мутаций, nsp12:G671S, продемонстрировала уникальную динамику: она появлялась, доминировала в глобальном масштабе в течение нескольких месяцев, затем исчезала дважды, а в 2025 г. появилась в третий раз. При этом она всегда сопровождалась набором сопутствующих мутаций в комплексе RTC, что делает ее потенциальным индикатором изменений в геноме, т. е. необходимо продолжить отслеживание ее динамики. Кроме того, наш анализ временны’ х линий мутаций и вариантов позволяет предположить, что вариант Дельта мог появиться на 7–8 месяцев раньше, чем принято считать. В совокупности эти результаты дают целостное представление о повторяющихся вариациях в RTC, их временны’ х классах и совместной встречаемости, а также о структурном контексте, подчеркивая ценность систематического мониторинга nsp7–nsp14 наряду с анализом, сфокусированным на структурных белках.

1. Abbasian M.H., Mahmanzar M., Rahimian K., Mahdavi B., Tokhanbigli S., Moradi B., Sisakht M.M., Deng Y. Global landscape of SARS-CoV-2 mutations and con-served regions. J Transl Med. 2023;21(1):152. doi 10.1186/s12967-023-03996-w

2. Ahmadi A.S., Shafiei-Jandaghi N.Z., Sadeghi K., Nejati A., Zadheidar S., Mokhtari-Azad T., Yavarian J. Comparison of circulating variants during the beginning, middle and the end of the 4th wave of COVID-19 in Tehran Province, Iran in 2021. Iran J Public Health. 2023;52(12):2621-2629. doi 10.18502/ijph.v52i12.14323

3. Aksamentov I., Roemer C., Hodcroft E.B., Neher R.A. Nextclade: clade assignment, mutation calling and quality control for viral genomes. J Open Source Softw. 2021;6(67):3773. doi 10.21105/joss.03773

4. Amicone M., Borges V., Alves M.J., Isidro J., Ze-Ze L., Duarte S., Vieira L., Guiomar R., Gomes P.J., Gordo I. Mutation rate of SARSCoV-2 and emergence of mutators during experimental evolution. Evol Med Public Health. 2022;10(1):142-155. doi 10.1093/emph/eoac010

5. Bai C., Zhong Q., Gao G.F. Overview of SARS-CoV-2 genome-encoded proteins. Sci China Life Sci. 2022;65(2):280-294. doi 10.1007/s11427-021-1964-4

6. Bokolia N.P., Gadepalli R. Identification of genomic signatures and multiple lineage markers from the second and third wave samples of COVID-19 in Western Rajasthan, India. bioRxiv. 2022. doi 10.1101/2022.12.10.518819

7. BrantA.C., Tian W., Majerciak V., Yang W., Zheng Z.-M. SARS-CoV-2: from its discovery to genome structure, transcription, and replication. Cell Biosci. 2021;11(1):136. doi 10.1186/s13578-021-00643-z

8. Carabelli A.M., Peacock T.P., Thorne L.G., Harvey W.T., Hughes J.; COVID-19 Genomics UK Consortium; Peacock S.J., Barclay W.S., de Silva T.I., Towers G.J., Robertson D.L. SARS-CoV-2 variant biology: immune escape, transmission and fitness. Nat Rev Microbiol. 2023;21(3):162-177. doi 10.1038/s41579-022-00841-7

9. Cherian S., Potdar V., Jadhav S., Gupta N., Das M., Rakshit P., Singh S., Abraham P., Panda S., Team N. SARS-CoV-2 spike mutations, L452R, T478K, E484Q and P681R, in the second wave of COVID-19 in Maharashtra, India. Microorganisms. 2021;9(7):1542. doi 10.3390/microorganisms9071542

10. Danda M., Klimešová A., Kušková K., Dostálková A., Pagáčová A., Prchal J., Kapisheva M., Ruml T., Rumlová M. Biochemical characterization of naturally occurring mutations in SARS-CoV-2 RNAdependent RNA polymerase. Protein Sci. 2024;33(9):e5103. doi 10.1002/pro.5103

11. Elbe S., Buckland-Merrett G. Data, disease and diplomacy: GISAID’s innovative contribution to global health. Glob Chall. 2017;1(1): 33-46. doi 10.1002/gch2.1018

12. Eriani G., Martin F. Viral and cellular translation during SARS-CoV-2 infection. FEBS Open Bio. 2022;12(9):1584-1601. doi 10.1002/2211-5463.13413

13. Feng S., O’Brien A., Chen D., Saeed M., Baker S.C. SARS-CoV-2 nonstructural protein 6 from Alpha to Omicron: evolution of a transmembrane protein. mBio. 2023;14(4):e00688-23. doi 10.1128/mbio.00688-23

14. Ferrer-Orta C., Vázquez-Monteagudo S., Ferrero D.S., Verdaguer N. Point mutations at specific sites of the nsp12–nsp8 interface dramatically affect the RNA polymerization activity of SARS-CoV-2. Proc Natl Acad Sci USA. 2024;121(29):e2317977121. doi 10.1073/pnas.2317977121

15. Kandhasamy V., Pillai A.B., Mariappan V., Ramalingam M., Raganadin P., Ramadoss R., Moovarkumudalvan B., Easow J.M., Vasudevan M., Rao S.R. A study of SARS-CoV-2 genomic profiles, evolutionary changes, and transmission dynamics in Southeastern India during three pandemic waves. JIOMICS. 2025;15(2):239. doi 10.5584/jiomics.v15i2.239

16. Khare S., Gurry C., Freitas L., Schultz M.B., Bach G., Diallo A., Akite N., Ho J., Lee R.T., Yeo W., Curation Team G.C., MaurerStroh S. GISAID’s role in pandemic response. China CDC Wkly. 2021;3(49):1049-1051. doi 10.46234/ccdcw2021.255

17. Kim S.M., Kim E.H., Casel M.A.B., Kim Y.I., Sun R., Kwak M.J., Yoo J.S., … Hwang J., Song M.S., Kim M.H., Jung J.U., Choi Y.K. SARS-CoV-2 variants with NSP12 P323L/G671S mutations display enhanced virus replication in ferret upper airways and higher transmissibility. Cell Rep. 2023;42(9):113077. doi 10.1016/j.celrep.2023.113077

18. Mack A.H., Menzies G., Southgate A., Jones D.D., Connor T.R. A proofreading mutation with an allosteric effect allows a cluster of SARS-CoV-2 viruses to rapidly evolve. Mol Biol Evol. 2023;40(10): msad209. doi 10.1093/molbev/msad209

19. Mlcochova P., Kemp S.A., Dhar M.S., Papa G., Meng B., Ferreira I.A.T.M., Datir R., … Piccoli L., Barclay W.S., Rakshit P., Agrawal A., Gupta R.K. SARS-CoV-2 B.1.617.2 Delta variant replication and immune evasion. Nature. 2021;599(7883):114-119. doi 10.1038/s41586-021-03944-y

20. Ou X., Xu G., Li P., Liu Y., Zan F., Liu P., Hu J., … Jin Q., Liu P., Lu J., Wang X., Qian Z. Host susceptibility and structural and immunological insight of S proteins of two SARS-CoV-2 closely related bat coronaviruses. Cell Discov. 2023;9(1):78. doi 10.1038/s41421-023-00581-9

21. Palyanov A.Y., Palyanova N.V. On the space of SARS-CoV-2 genetic sequence variants. Vavilovskii Zhurnal Genetiki i Selektsii = Vavilov J Genet Breed. 2023;27(7):839-850. doi 10.18699/VJGB-23-97

22. Palyanov A.Y., Palyanova N.V. A novel approach to analyzing the evolution of SARS-CoV-2 based on visualization and clustering of large genetic data compactly represented in operative memory. Vavilovskii Zhurnal Genetiki i Selektsii = Vavilov J Genet Breed. 2024;28(8):843-853. doi 10.18699/vjgb-24-92

23. Palyanova N.V., Sobolev I.A., Palyanov A.Y., Kurskaya O.G., Komissarov A.B., Danilenko D.M., Fadeev A.V., Shestopalov A.M. The development of the SARS-CoV-2 epidemic in different regions of Siberia in the 2020–2022 period. Viruses. 2023;15(10):2014. doi 10.3390/v15102014

24. Peng Q., Peng R., Yuan B., Zhao J., Wang M., Wang X., Wang Q., Sun Y., Fan Z., Qi J., Gao G.F., Shi Y. Structural and biochemical characterization of the nsp12-nsp7-nsp8 core polymerase complex from SARS-CoV-2. Cell Rep. 2020;31(11):107774. doi 10.1016/j.celrep.2020.107774

25. Rahalkar M.C., Bahulikar R.A. Lethal pneumonia cases in Mojiang miners (2012) and the mineshaft could provide important clues to the origin of SARS-CoV-2. Front Public Health. 2020;8:581569. doi 10.3389/fpubh.2020.581569

26. Rahman M.S., Hoque M.N., Chowdhury S.R., Siddique M.M., Islam O.K., Galib S.M., Islam M.T., Hossain M.A. Temporal dynamics and fatality of SARS-CoV-2 variants in Bangladesh. Health Sci Rep. 2023;6(4):e1209. doi 10.1002/hsr2.1209

27. Rodriguez L., Li J., Han D., Martin R., Moshiri J., Peinovich N., Bilello J.P., Perry J.K., Hedskog C. Remdesivir and obeldesivir retain potent activity against SARS-CoV-2 omicron variants. Open Forum Infect Dis. 2023;10(Suppl.2):ofad500.614. doi 10.1093/ofid/ofad500.614

28. Rodrigruez L., Zamora J.L.R., Han D., Moshiri J., Peinovich N., Martinez C., Ho P.Y., Li J., Aeschbacher T., Martin R., Pekosz A., Bilello J.P., Perry J.K., Hedskog C. Remdesivir and obeldesivir retain potent antiviral activity against SARS-CoV-2 omicron variants. Viruses. 2025;17(2):168. doi 10.3390/v17020168

29. Romano M., Ruggiero A., Squeglia F., Maga G., Berisio R. A structural view of SARS-CoV-2 RNA replication machinery: RNA synthesis, proofreading and final capping. Cells. 2020;9(5):1267. doi 10.3390/cells9051267

30. Schubert K., Karousis E.D., Jomaa A., Scaiola A., Echeverria B., Gurzeler L.A., Leibundgut M., Thiel V., Mühlemann O., Ban N. SARSCoV-2 Nsp1 binds the ribosomal mRNA channel to inhibit translation. Nat Struct Mol Biol. 2020;27(10):959-966. doi 10.1038/s41594-020-0511-8

31. Shen X., Song S., Li C., Zhang J. Synonymous mutations in representative yeast genes are mostly strongly non-neutral. Nature. 2022; 606(7915):725-731. doi 10.1038/s41586-022-04823-w

32. Singh D., Kushwaha T., Kulandaisamy R., Kumar V., Baswal K., Tiwari S.H., Ghorai A., … Gadde S., Côté M., Kayampeta S.R., Appaiahgari M.B., Inampudi K.K. Redefining NSP12 activity in SARSCoV-2 and its regulation by NSP8 and NSP7. Mol Ther Nucleic Acids. 2025;36(1):102452. doi 10.1016/j.omtn.2025.102452

33. St Laurent G., Shtokalo D., Heydarian M., Palyanov A., Babiy D., Zhou J., Kumar A., Urcuqui-Inchima S. Insights from the HuRinteracting transcriptome: ncRNAs, ubiquitin pathways, and patterns of secondary structure dependent RNA interactions. Mol Genet Genomics. 2012;287(11-12):867-879. doi 10.1007/s00438-012-0722-8

34. Tay J.H., Porter A.F., Wirth W., Duchene S. The emergence of SARSCoV-2 variants of concern is driven by acceleration of the substitution rate. Mol Biol Evol. 2022;39(2):msac013. doi 10.1093/molbev/msac013

35. Temmam S., Vongphayloth K., Baquero E., Munier S., Bonomi M., Regnault B., Douangboubpha B., … Nilges M., Rey F.A., van der Werf S., Brey P.T., Eloit M. Bat coronaviruses related to SARS-CoV-2 and infectious for human cells. Nature. 2022;604(7905):330-336. doi 10.1038/s41586-022-04532-4

36. Yan L., Yang Y., Li M., Zhang Y., Zheng L., Ge J., Huang Y.C., … Huang Y.Y., Guddat L.W., Gao Y., Rao Z., Lou Z. Coupling of N7-methyltransferase and 3′-5′ exoribonuclease with SARS-CoV-2 polymerase reveals mechanisms for capping and proofreading. Cell. 2021;184(13):3474-3485.e11. doi 10.1016/j.cell.2021.05.033

37. Yan W., Zheng Y., Zeng X., He B., Cheng W. Structural biology of SARS-CoV-2: open the door for novel therapies. Signal Transduct Target Ther. 2022;7(1):26. doi 10.1038/s41392-022-00884-5

38. Zhou P., Yang X.L., Wang X.G., Hu B., Zhang L., Zhang W., Si H.R., … Yan B., Zhan F.X., Wang Y.Y., Xiao G.F., Shi Z.L. A pneumonia outbreak associated with a new coronavirus of probable bat origin. Nature. 2020;579(7798):270-273. doi 10.1038/s41586-020-2012-7