流感病毒NA蛋白上位点突变的功能约束和进化选择机制

The influenza virus neuraminidase (NA) protein executes important functions in the invasion and budding of viral particles. Mutations on HA protein may change its function(s) on protein even viral level, such as the emerging of drug resistance or the change of antigenicity. Now, many studies focus on finding how single or multiple mutations on NA affect its enzyme activity, drug resistance and antigenicity. However, a comprehensive picture of how these functions cooperate together and shape the mutations' trajectory of NA is still absent. Here we draw up a proposal to investigate how these NA functions constraint its evolutionary trajectory and how mutations on NA affect its multiple functions through both computational and experimental methods. First, we'll use Markov chain Monte Carlo method to build phylogenetic trees for seasonal influenza viruses A(H3N2) and A(H1N1). Then, we'll convert the order of mutations along the time line and get the evolutionary trajectories for them. Finally, we can use experimental detection systems to measure the functional constraints uderlying the mutations that were fixed in the evolutionary history. We believe that this study will not only reveal the mechanism how functions constraint mutations on NA protein, but also provide an avenue to monitor the emerging of novel druy resistance.

流感病毒的神经氨酸酶（NA）蛋白在病毒侵入和释放中起重要作用。NA蛋白上的位点突变可能直接影响其功能，如耐药性或免疫原性的改变等，因此系统地研究NA蛋白上位点突变的功能约束和进化选择机制具有重要意义。然而，现有研究主要针对NA蛋白某一特定功能，如酶活性、耐药性或抗原性等，没有考虑这些功能是如何协同约束NA蛋白的位点突变和选择。本课题中我们拟采用计算和实验相结合的方法，定量刻画出流感NA蛋白的自然进化轨迹，并综合多种功能检测体系系统地研究病毒进化过程中的功能约束机制。实现时，将针对季节性流感A(H3N2)和A(H1N1)，先通过进化分析方法计算出历史上逐步固定的关键突变，然后通过功能检测系统进行位点突变的酶活性、耐药性测定和抗原性检测，系统地评估出每个进化中间态上位点选择的功能约束机制。这一研究不仅能清楚地阐明NA蛋白在序列空间中的进化规律，还能为病毒耐药性监测提供有效指导。

流感病毒的神经氨酸酶(NA)蛋白在病毒侵入和释放中起重要作用。NA蛋白上的位点突变可能直接影响其功能,如耐药性或免疫原性的改变等,因此系统地研究NA蛋白上位点突变的功能约束和进化选择机制具有重要意义。然而,现有研究主要针对NA蛋白某一特定功能,如酶活性、耐药性或抗原性等,没有考虑这些功能是如何协同约束NA蛋白的位点突变和选择。本课题中我们采用计算和实验相结合的方法,定量刻画出流感NA蛋白的自然进化轨迹,并综合功能检测体系系统地研究病毒进化过程中的功能约束机制。具体实现时,我们针对季节性流感A(H3N2)和A(H1N1),通过进化分析方法构建出了它们各自的位点突变轨迹树，计算出历史上NA蛋白逐步固定下来的关键突变。其中，包括H1N1病毒进化历史中的9个显著性位点（100、214、222、234、274、329、344、382和454），以及H3N2 NA蛋白进化轨迹中的29个显著性位点。随后，我们挑选了位于NA蛋白酶活区的222位点作为例子，通过结合实验室发展的一套以酵母展示技术为基础的流感NA药物敏感性评估系统，进行位点突变的酶活性和耐药性测定,系统地评估出这个位点进化中间态上位点选择的功能约束机制。这一研究不仅清楚地阐明了流感NA蛋白在进化中的位点突变和选择固定规律,还能为病毒耐药性监测提供有效指导。