Monitoring the spread of the SARS-CoV-2 (Coronaviridae: Coronavirinae: Betacoronavirus; Sarbecovirus) variants in the Moscow region using targeted high-throughput sequencing

Cover Image

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. Since the outbreak of the COVID-19 pandemic caused by SARS-CoV-2 novel coronavirus, the international community has been concerned about the emergence of mutations altering some biological properties of the pathogen like increasing its infectivity or virulence. Particularly, since the end of 2020, several variants of concern have been identified around the world, including Alpha (B.1.1.7), Beta (B.1.351), Gamma (P.1), and Delta (B.1.617.2). However, the existing mechanism of detecting important mutations are not always effective enough, since only a relatively small part of all pathogen samples can be examined by whole genome sequencing due to its high cost.

Material and methods. In this study, we have designed special primer panel and used it for targeted highthroughput sequencing of several significant S-gene (spike) regions of SARS-CoV-2. The Illumina platform averaged approximately 50,000 paired-end reads with a length of ≥150 bp per sample. This method was used to examine 579 random samples obtained from COVID-19 patients in Moscow and the Moscow region from February to June 2021.

Results. This study demonstrated the dynamics of distribution of several SARS-CoV-2 strains and its some single mutations. It was found that the Delta strain appeared in the region in May 2021, and became prevalent in June, partially displacing other strains.

Discussion. The obtained results provide an opportunity to assign the viral samples to one of the strains, including the previously mentioned in time- and cost-effective manner. The approach can be used for standardization of the procedure of searching for mutations in individual regions of the SARS-CoV-2 genome. It allows to get a more detailed data about the epidemiological situation in a region.

About the authors

N. I. Borisova

FSBI «Central Research Institute for Epidemiology» of the Federal Service for Supervision of Consumer Rights Protection and Human Welfare (Rospotrebnadzor)

Author for correspondence.
Email: fake@neicon.ru
ORCID iD: 0000-0002-9672-0648

Moscow, 111123, Russia

Russian Federation

I. A. Kotov

FSBI «Central Research Institute for Epidemiology» of the Federal Service for Supervision of Consumer Rights Protection and Human Welfare (Rospotrebnadzor); FSAEI HE «Moscow Institute of Physics and Technology (National Research University)»

Email: fake@neicon.ru
ORCID iD: 0000-0003-2416-5689

Moscow, 111123, Russia

Moscow, 111123, Russia

Russian Federation

A. A. Kolesnikov

FSBI «Central Research Institute for Epidemiology» of the Federal Service for Supervision of Consumer Rights Protection and Human Welfare (Rospotrebnadzor)

Email: fake@neicon.ru
ORCID iD: 0000-0003-3480-953X

Moscow, 111123, Russia

Russian Federation

V. V. Kaptelova

FSBI «Central Research Institute for Epidemiology» of the Federal Service for Supervision of Consumer Rights Protection and Human Welfare (Rospotrebnadzor)

Email: fake@neicon.ru
ORCID iD: 0000-0003-0952-0830

Moscow, 111123, Russia

Russian Federation

A. S. Speranskaya

FSBI «Central Research Institute for Epidemiology» of the Federal Service for Supervision of Consumer Rights Protection and Human Welfare (Rospotrebnadzor)

Email: fake@neicon.ru
ORCID iD: 0000-0001-6326-1249

Moscow, 111123, Russia

Russian Federation

L. Yu. Kondrasheva

FSBI «Central Research Institute for Epidemiology» of the Federal Service for Supervision of Consumer Rights Protection and Human Welfare (Rospotrebnadzor)

Email: fake@neicon.ru
ORCID iD: 0000-0002-0147-4262

Moscow, 111123, Russia

Russian Federation

E. V. Tivanova

FSBI «Central Research Institute for Epidemiology» of the Federal Service for Supervision of Consumer Rights Protection and Human Welfare (Rospotrebnadzor)

Email: fake@neicon.ru
ORCID iD: 0000-0003-1286-2612

Moscow, 111123, Russia

Russian Federation

K. F. Khafizov

FSBI «Central Research Institute for Epidemiology» of the Federal Service for Supervision of Consumer Rights Protection and Human Welfare (Rospotrebnadzor)

Email: kkhafizov@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-5524-0296

Kamil F. Khafizov, Ph.D. (Biol.), Head of the Scientific Group for the Development of New Diagnostic Methods, Department of Molecular Diagnostics and Epidemiology

Moscow, 111123, Russia

Russian Federation

V. G. Akimkin

FSBI «Central Research Institute for Epidemiology» of the Federal Service for Supervision of Consumer Rights Protection and Human Welfare (Rospotrebnadzor)

Email: fake@neicon.ru
ORCID iD: 0000-0003-4228-9044

Moscow, 111123, Russia

Russian Federation

References

  1. Zhou P., Yang X.L., Wang X.G., Hu B., Zhang L., Zhang W., et al. A pneumonia outbreak associated with a new coronavirus of probable bat origin. Nature. 2020; 579(7798): 270–3. https://doi.org/10.1038/s41586-020-2012-7
  2. COVID-19 data in motion. Available at: https://coronavirus.jhu.edu (accessed July 24, 2021).
  3. Chen P., Nirula A., Heller B., Gottlieb R.L., Boscia J., Morris J., et al. SARS-CoV-2 neutralizing antibody LY-CoV555 in outpatients with Covid-19. N. Engl. J. Med. 2021; 384(3): 229–37. https://doi.org/10.1056/nejmoa2029849
  4. Weinreich D.M., Sivapalasingam S., Norton T., Ali S., Gao H., Bhore R., et al. REGN-COV2, a neutralizing antibody cocktail, in outpatients with Covid-19. N. Engl. J. Med. 2021; 384(3): 238–51. https://doi.org/10.1056/nejmoa2035002
  5. Baden L.R., El Sahly H.M., Essink B., Kotloff K., Frey S., Novak R., et al. Efficacy and safety of the mRNA-1273 SARS-CoV-2 vaccine. N. Engl. J. Med. 2021; 384(5): 403–16. https://doi.org/10.1056/nejmoa2035389
  6. Polack F.P., Thomas S.J., Kitchin N., Absalon J., Gurtman A., Lockhart S., et al. Safety and efficacy of the BNT162b2 mRNA Covid-19 Vaccine. N. Engl. J. Med. 2020; 383(27): 2603–15. https://doi.org/10.1056/nejmoa2034577
  7. Jones I., Roy P. Sputnik V COVID-19 vaccine candidate appears safe and effective. Lancet. 2021; 397(10275): 642–3. https://doi.org/10.1016/s0140-6736(21)00191-4
  8. Рыжиков А.Б., Рыжиков Е.А., Богрянцева М.П., Усова С.В., Даниленко Е.Д., Нечаева Е.А., и др. Простое слепое плацебо-контролируемое рандомизированное исследование безопасности, реактогенности и иммуногенности вакцины «ЭпиВакКорона» для профилактики COVID-19 на добровольцах в возрасте 18–60 лет (фаза I–II). Инфекция и иммунитет. 2021; 11(2): 283–96. https://doi.org/10.15789/2220-7619-ASB-1699
  9. About Variants of the Virus that Causes COVID-19. Available at: https://www.cdc.gov/coronavirus/2019-ncov/Transmission/variant.html (accessed July 26, 2021).
  10. Wang W.B., Liang Y., Jin Y.Q., Zhang J., Su J.G., Li Q.M. E484K mutation in SARS-CoV-2 RBD enhances binding affinity with hACE2 but reduces interactions with neutralizing antibodies and nanobodies: binding free energy calculation studies. bioRxiv. 2021; Preprint. https://doi.org/10.1101/2021.02.17.431566
  11. Garcia-Beltran W.F., Lam E.C., St. Denis K., Nitido A.D., Garcia Z.H., Hauser B.M., et al. Circulating SARS-CoV-2 variants escape neutralization by vaccine-induced humoral immunity. medRxiv. 2021; Preprint. https://doi.org/10.1101/2021.02.14.21251704
  12. Liu H., Wei P., Zhang Q., Chen Z., Aviszus K., Downing W., et al. 501Y.V2 and 501Y.V3 variants of SARS-CoV-2 lose binding to bamlanivimab in vitro. MAbs. 2021; 13(1): 1919285. https://doi.org/10.1080/19420862.2021.1919285
  13. Yuan M., Huang D., Lee C.D., Wu N.C., Jackson A.M., Zhu X., et al. Structural and functional ramifications of antigenic drift in recent SARS-CoV-2 variants. Science. 2021; eabh1139. https://doi.org/10.1126/science.abh1139
  14. Ikegame S., Siddiquey M.N.A., Hung C.-T., Haas G., Brambilla L., Oguntuyo K.Y., et al. Neutralizing activity of Sputnik V vaccine sera against SARS-CoV-2 variants. medRxiv. 2021.03.31.21254660. doi: https://doi.org/10.1101/2021.03.31.21254660
  15. Gard N., Buzko O., Spilman P., Niazi K., Rabizadeh S., Soon- Shiong P. Molecular dynamic simulation reveals E484K mutation enhances spike RBD-ACE2 affinity and the combination of E484K, K417N and N501Y mutations (501Y.V2 variant) induces conformational change greater than N501Y mutant alone, potentially resulting in an escape mutant bioRxiv. 2021.01.13.426558. doi: https://doi.org/10.1101/2021.01.13.426558
  16. Tian F., Tong B., Sun L., Shi S., Zheng B., Wang Z., et al. Mutation N501Y in RBD of spike protein strengthens the interaction between COVID-19 and its receptor ACE2. bioRxiv. 2021; Preprint. https://doi.org/10.1101/2021.02.14.431117
  17. Хафизов К.Ф., Петров В.В., Красовитов К.В., Золкина М.В., Акимкин В.Г. Экспресс-диагностика новой коронавирусной инфекции с помощью реакции петлевой изотермической амплификации. Вопросы вирусологии. 2021; 66(1): 17–28. https://doi.org/10.36233/0507-4088-42
  18. Gladkikh A., Dolgova A., Dedkov V., Sbarzaglia V., Kanaeva O., Popova A., et al. Characterization of a novel SARS-CoV-2 genetic variant with distinct spike protein mutations. Viruses. 2021; 13(6): 1029. https://doi.org/10.3390/v13061029
  19. Klink G.V., Safina K.R., Garushyants S.K., Moldovan M., Nabieva E., Komissarov A.B., et al. Spread of endemic SARSCoV-2 lineages in Russia. medRxiv. 2021; Preprint. https://doi.org/10.1101/2021.05.25.21257695
  20. Komissarov A.B., Safina K.R., Garushyants S.K., Fadeev A.V., Sergeeva M.V., Ivanova A.A., et al. Genomic epidemiology of the early stages of the SARS-CoV-2 outbreak in Russia. Nat. Commun. 2021; 12(1): 649. https://doi.org/10.1038/s41467-020-20880-z
  21. Long S.W., Olsen R.J., Christensen P.A., Subedi S., Olson R., Davis J.J., et al. Sequence Analysis of 20,453 Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus 2 Genomes from the Houston Metropolitan Area Identifies the Emergence and Widespread Distribution of Multiple Isolates of All Major Variants of Concern. Am. J. Pathol. 2021; 191(6): 983–92. https://doi.org/10.1016/j.ajpath.2021.03.004
  22. Altschul S.F., Gish W., Miller W., Myers E.W., Lipman D.J. Basic local alignment search tool. J. Mol. Biol. 1990; 215(3): 403–10. https://doi.org/10.1016/s0022-2836(05)80360-2
  23. Li H., Durbin R. Fast and accurate short read alignment with Burrows– Wheeler transform. Bioinformatics. 2009; 25(14): 1754–60. https://doi.org/10.1093/bioinformatics/btp324
  24. Bushnell B., Rood J., Singer E. BBMerge – Accurate paired shotgun read merging via overlap. PLoS One. 2017; 12(10): e0185056. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0185056
  25. Poplin R., Ruano-Rubio V., DePristo M.A., Fennell T.J., Carneiro M.O., Van der Auwera G.A., et al. Scaling accurate genetic variant discovery to tens of thousands of samples. bioRxiv. 2018; 201178. doi: https://doi.org/10.1101/201178
  26. Humphrey W., Dalke A., Schulten K. VMD: visual molecular dynamics. J. Mol. Graph. 1996; 14(1): 33–8. https://doi.org/10.1016/0263-7855(96)00018-5
  27. Lv Z., Deng Y.Q., Ye Q., Cao L., Sun C.Y., Fan C., et al. Structural basis for neutralization of SARS-CoV-2 and SARS-CoV by a potent therapeutic antibody. Science. 2020; 369(6510): 1505–9. https://doi.org/10.1126/science.abc5881
  28. Davies N.G., Abbott S., Barnard R.C., Jarvis C.I., Kucharski A.J., Munday J.D., et al. Estimated transmissibility and impact of SARSCoV-2 lineage B.1.1.7 in England. Science. 2021; 372(6538): eabg3055. https://doi.org/10.1126/science.abg3055
  29. Expert comment on the ‘Delta plus’ variant (B.1.617.2 with the addition of K417N mutation). Available at: https://www.sciencemediacentre.org/expert-comment-on-the-delta-plus-variant-b-1-617-2-with-theaddition-of-k417n-mutation/ (accessed July 26, 2021).
  30. Weekly epidemiological update on COVID-19 – 22 June 2021. Available at: https://www.who.int/publications/m/item/weekly-epidemiological-update-on-covid-19---22-june-2021 (accessed July 24, 2021).

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2021 Borisova N.I., Kotov I.A., Kolesnikov A.A., Kaptelova V.V., Speranskaya A.S., Kondrasheva L.Y., Tivanova E.V., Khafizov K.F., Akimkin V.G.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».