Published April 1, 2022 | Version v1
Publication Open

Molecular phylogeny of coronaviruses and host receptors among domestic and close-contact animals reveals subgenome-level conservation, crossover, and divergence

Creators

  • 1. Tuskegee University
  • 2. Kwame Nkrumah University of Science and Technology

Description

Abstract Background Coronaviruses have the potential to cross species barriers. To learn the molecular intersections among the most common coronaviruses of domestic and close-contact animals, we analyzed representative coronavirus genera infecting mouse, rat, rabbit, dog, cat, cattle, white-tailed deer, swine, ferret, mink, alpaca, Rhinolophus bat, dolphin, whale, chicken, duck and turkey hosts; reference or complete genome sequences were available for most of these coronavirus genera. Protein sequence alignments and phylogenetic trees were built for the spike (S), envelope (E), membrane (M) and nucleocapsid (N) proteins. The host receptors and enzymes aminopeptidase N (APN), angiotensin converting enzyme 2 (ACE2), sialic acid synthase (SAS), transmembrane serine protease 2 (TMPRSS2), dipeptidyl peptidase 4 (DPP4), cathepsin L (and its analogs) and furin were also compared. Results Overall, the S, E, M, and N proteins segregated according to their viral genera (α, β, or γ), but the S proteins of alphacoronaviruses lacked conservation of phylogeny. Interestingly, the unique polybasic furin cleavage motif found in severe acute respiratory syndrome coronavirus-2 (SARS-CoV-2) but not in severe acute respiratory syndrome coronavirus (SARS-CoV) or Middle East respiratory syndrome coronavirus (MERS-CoV) exists in several β-coronaviruses and a few α- or γ-coronaviruses. Receptors and enzymes retained host species-dependent relationships with one another. Among the hosts, critical ACE2 residues essential for SARS-CoV-2 spike protein binding were most conserved in white-tailed deer and cattle . Conclusion The polybasic furin cleavage motif found in several β- and other coronaviruses of animals points to the existence of an intermediate host for SARS-CoV-2, and it also offers a counternarrative to the theory of a laboratory-engineered virus. Generally, the S proteins of coronaviruses show crossovers of phylogenies indicative of recombination events. Additionally, the consistency in the segregation of viral proteins of the MERS-like coronavirus (NC_034440.1) from pipistrelle bat supports its classification as a β-coronavirus. Finally, similarities in host enzymes and receptors did not always explain natural cross-infections. More studies are therefore needed to identify factors that determine the cross-species infectivity of coronaviruses.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

خلفية مجردة فيروسات كورونا لديها القدرة على عبور حواجز الأنواع. لمعرفة التقاطعات الجزيئية بين الفيروسات التاجية الأكثر شيوعًا للحيوانات المنزلية والحيوانات القريبة الاتصال، قمنا بتحليل أجناس فيروس كورونا التمثيلية التي تصيب الفئران والجرذان والأرانب والكلب والقطط والماشية والغزلان ذات الذيل الأبيض والخنازير والنمس والمنك والألبكة وخفافيش الراين والدلافين والحيتان والدجاج والبط والديك الرومي ؛ كانت تسلسلات الجينوم المرجعية أو الكاملة متاحة لمعظم أجناس فيروس كورونا هذه. تم بناء محاذاة تسلسل البروتين والأشجار الوراثية للبروتينات المسمارية (S) والمغلف (E) والغشاء (M) والقفيصة النووية (N). تمت أيضًا مقارنة المستقبلات المضيفة والإنزيمات aminopeptidase N (APN)، والإنزيم المحول للأنجيوتنسين 2 (ACE2)، و Syalic acid synthase (SAS)، و Serine protease 2 عبر الغشاء (TMPRSS2)، و dipeptidyl peptidase 4 (DPP4)، و cathepsin L (ونظائرها) والفورين. النتائج بشكل عام، تم فصل بروتينات S و E و M و N وفقًا لأجناسها الفيروسية (α أو β أو γ)، لكن بروتينات S لفيروسات ألفا كورونا تفتقر إلى الحفاظ على تطور السلالات. ومن المثير للاهتمام أن الشكل الفريد لانقسام الفورين متعدد القواعد الموجود في فيروس كورونا 2 المرتبط بالمتلازمة التنفسية الحادة الوخيمة (SARS - CoV -2) ولكن ليس في فيروس كورونا المرتبط بالمتلازمة التنفسية الحادة الوخيمة (SARS - CoV) أو فيروس كورونا المرتبط بمتلازمة الشرق الأوسط التنفسية (MERS - CoV) موجود في العديد من فيروسات كورونا β وعدد قليل من فيروسات كورونا α أو γ. احتفظت المستقبلات والإنزيمات بعلاقات تعتمد على الأنواع المضيفة مع بعضها البعض. من بين المضيفين، كانت بقايا الإنزيم المحول للأنجيوتنسين 2 الحرجة الضرورية لارتباط بروتين سارس- كوف-2 الأكثر حفظًا في الغزلان ذات الذيل الأبيض والماشية . تشير فكرة انقسام الفورين متعدد القواعد الموجودة في العديد من فيروسات بيتا والفيروسات التاجية الأخرى للحيوانات إلى وجود مضيف وسيط لفيروس كورونا 2 المرتبط بمتلازمة الجهاز التنفسي الحادة الوخيمة، كما أنها تقدم سردًا مضادًا لنظرية الفيروسات المهندسة مختبريًا. بشكل عام، تظهر بروتينات S للفيروسات التاجية تقاطعات لتطور السلالات تشير إلى أحداث إعادة التركيب. بالإضافة إلى ذلك، فإن الاتساق في فصل البروتينات الفيروسية لفيروس كورونا الشبيه بمتلازمة الشرق الأوسط التنفسية (NC_034440.1) عن الخفافيش البيبيستريل يدعم تصنيفه على أنه فيروس كورونا بيتا. أخيرًا، لم تفسر أوجه التشابه في الإنزيمات المضيفة والمستقبلات دائمًا العدوى المتقاطعة الطبيعية. لذلك هناك حاجة إلى مزيد من الدراسات لتحديد العوامل التي تحدد عدوى فيروسات كورونا عبر الأنواع.

Translated Description (French)

Résumé Contexte Les coronavirus ont le potentiel de franchir les barrières entre les espèces. Pour apprendre les intersections moléculaires entre les coronavirus les plus courants des animaux domestiques et à contact étroit, nous avons analysé des genres représentatifs de coronavirus infectant des hôtes de souris, de rat, de lapin, de chien, de chat, de bétail, de cerf de Virginie, de porc, de furet, de vison, d'alpaga, de chauve-souris Rhinolophus, de dauphin, de baleine, de poulet, de canard et de dinde ; des séquences génomiques de référence ou complètes étaient disponibles pour la plupart de ces genres de coronavirus. Des alignements de séquences protéiques et des arbres phylogénétiques ont été construits pour les protéines de pointe (S), d'enveloppe (E), de membrane (M) et de nucléocapside (N). Les récepteurs et enzymes hôtes aminopeptidase N (APN), enzyme de conversion de l'angiotensine 2 (ACE2), acide sialique synthase (SAS), sérine protéase transmembranaire 2 (TMPRSS2), dipeptidyl peptidase 4 (DPP4), cathepsine L (et ses analogues) et furine ont également été comparés. Résultats Dans l'ensemble, les protéines S, E, M et N se sont séparées en fonction de leurs genres viraux (α, β ou γ), mais les protéines S des alphacoronavirus n'ont pas conservé leur phylogénie. Fait intéressant, le motif unique de clivage de la furine polybasique trouvé dans le coronavirus 2 du syndrome respiratoire aigu sévère (SRAS-CoV-2), mais pas dans le coronavirus du syndrome respiratoire aigu sévère (SRAS-CoV) ou le coronavirus du syndrome respiratoire du Moyen-Orient (MERS-CoV), existe dans plusieurs β-coronavirus et quelques α- ou γ-coronavirus. Les récepteurs et les enzymes ont conservé des relations dépendantes de l'espèce hôte les uns avec les autres. Parmi les hôtes, les résidus ACE2 essentiels à la liaison aux protéines de pointe du SRAS-CoV-2 étaient les plus conservés chez les cerfs de Virginie et les bovins . Conclusion Le motif de clivage polybasique de la furine trouvé dans plusieurs β- et autres coronavirus d'animaux indique l'existence d'un hôte intermédiaire pour le SARS-CoV-2, et il offre également un contre-récit à la théorie d'un virus conçu en laboratoire. Généralement, les protéines S des coronavirus montrent des croisements de phylogénies indicatives d'événements de recombinaison. De plus, la cohérence de la ségrégation des protéines virales du coronavirus de type mers (NC_034440.1) de pipistrelle bat soutient sa classification en tant que β-coronavirus. Enfin, les similitudes entre les enzymes et les récepteurs de l'hôte n'expliquaient pas toujours les infections croisées naturelles. D'autres études sont donc nécessaires pour identifier les facteurs qui déterminent l'infectivité interspécifique des coronavirus.

Translated Description (Spanish)

Resumen Antecedentes Los coronavirus tienen el potencial de cruzar las barreras de las especies. Para conocer las intersecciones moleculares entre los coronavirus más comunes de animales domésticos y de contacto cercano, analizamos géneros representativos de coronavirus que infectan a ratones, ratas, conejos, perros, gatos, vacas, ciervos de cola blanca, cerdos, hurones, visones, alpacas, murciélagos Rhinolophus, delfines, ballenas, pollos, patos y pavos; se disponía de secuencias genómicas de referencia o completas para la mayoría de estos géneros de coronavirus. Se construyeron alineamientos de secuencias de proteínas y árboles filogenéticos para las proteínas de espiga (S), envoltura (E), membrana (M) y nucleocápside (N). También se compararon los receptores y enzimas del huésped aminopeptidasa N (APN), enzima convertidora de angiotensina 2 (ACE2), ácido siálico sintasa (SAS), serina proteasa transmembrana 2 (TMPRSS2), dipeptidil peptidasa 4 (DPP4), catepsina L (y sus análogos) y furina. Resultados En general, las proteínas S, E, M y N se segregaron de acuerdo con sus géneros virales (α, β o γ), pero las proteínas S de los alfacoronavirus carecían de filogenia. Curiosamente, el motivo de escisión de furina polibásico único que se encuentra en el coronavirus-2 del síndrome respiratorio agudo severo (SARS-CoV-2) pero no en el coronavirus del síndrome respiratorio agudo severo (SARS-CoV) o el coronavirus del síndrome respiratorio de Oriente Medio (MERS-CoV) existe en varios β-coronavirus y algunos α- o γ-coronavirus. Los receptores y las enzimas conservaron las relaciones entre sí dependientes de la especie huésped. Entre los huéspedes, los residuos críticos de ACE2 esenciales para la unión a la proteína espicular del SARS-CoV-2 se conservaron más en ciervos de cola blanca y ganado . Conclusión El motivo de escisión de furina polibásico encontrado en varios β- y otros coronavirus de animales apunta a la existencia de un huésped intermedio para el SARS-CoV-2, y también ofrece una contra-narrativa a la teoría de un virus diseñado en laboratorio. Generalmente, las proteínas S de los coronavirus muestran cruces de filogenias indicativas de eventos de recombinación. Además, la consistencia en la segregación de proteínas virales del coronavirus similar al MERS (NC_034440.1) del murciélago pipistrelle respalda su clasificación como un β-coronavirus. Finalmente, las similitudes en las enzimas y receptores del huésped no siempre explicaron las infecciones cruzadas naturales. Por lo tanto, se necesitan más estudios para identificar los factores que determinan la infectividad entre especies de los coronavirus.

Files

s12917-022-03217-4.pdf

Files (4.3 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:5b67cbfea096c38974947dc11219f096
4.3 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
يكشف التطور الجزيئي للفيروسات التاجية والمستقبلات المضيفة بين الحيوانات المنزلية والحيوانات القريبة من الاتصال عن الحفظ على مستوى الجينوم الفرعي والتقاطع والاختلاف
Translated title (French)
La phylogénie moléculaire des coronavirus et des récepteurs de l'hôte chez les animaux domestiques et en contact étroit révèle une conservation, un croisement et une divergence au niveau du sous-génome
Translated title (Spanish)
La filogenia molecular de los coronavirus y los receptores del huésped entre los animales domésticos y de contacto cercano revela la conservación, el cruce y la divergencia a nivel del subgenoma

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4220872839
DOI
10.1186/s12917-022-03217-4

Is supplement to
https://openalex.org/W4299389082 (Other)
https://openalex.org/W2969059916 (Other)
https://openalex.org/W2630967916 (Other)
https://openalex.org/W2392589811 (Other)
https://openalex.org/W2347477706 (Other)
https://openalex.org/W2306830238 (Other)
https://openalex.org/W2110294633 (Other)
https://openalex.org/W2102514425 (Other)
https://openalex.org/W1978349322 (Other)
https://openalex.org/W1943663474 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Ghana

References

  • https://openalex.org/W2019694242
  • https://openalex.org/W2043133015
  • https://openalex.org/W2043578044
  • https://openalex.org/W2046153984
  • https://openalex.org/W2060486433
  • https://openalex.org/W2104474203
  • https://openalex.org/W2105149323
  • https://openalex.org/W2139919363
  • https://openalex.org/W2163400707
  • https://openalex.org/W2336647424
  • https://openalex.org/W2513547424
  • https://openalex.org/W2613980154
  • https://openalex.org/W3011093535
  • https://openalex.org/W3011680753
  • https://openalex.org/W3014194455
  • https://openalex.org/W3014662258
  • https://openalex.org/W3014780497
  • https://openalex.org/W3039414546
  • https://openalex.org/W3040907131
  • https://openalex.org/W3046218112
  • https://openalex.org/W3047473941
  • https://openalex.org/W3088534053
  • https://openalex.org/W3090172996
  • https://openalex.org/W3090774621
  • https://openalex.org/W3091938242
  • https://openalex.org/W3096829897
  • https://openalex.org/W3097137931
  • https://openalex.org/W3115614266
  • https://openalex.org/W3124805424
  • https://openalex.org/W3127200220
  • https://openalex.org/W3170734619