서론: 중증급성호흡기증후군 코로나바이러스 2(SARS-CoV-2)는 전 세계 코로나바이러스감염증-2019(COVID-19) 팬데믹의 원인 병원체이며, 새로운 변이의 출현을 통해 연속적인 감염 파동을 지속적으로 유발하고 있다. 따라서 글로벌 감시를 통해 다음 클레이드(clade) 계통의 뿌리를 정확히 예측하는 일은 백신 항원 업데이트를 예방·통제하고 적시에 갱신하기 위해 매우 중요하다. 본 연구는 394개의 완전 유전체 및 스파이크(S) 유전자 서열을 바탕으로 계통발생학적(phylogeny-informed) 유전적 거리(genetic distances)를 이용하여 SARS-CoV-2의 진화 역학을 평가하였다. 또한, 클레이드 뿌리에서의 비동의(non-synonymous) 및 동의(synonymous) 유전적 거리로부터 출현 변이가 클레이드 치환(clade replacement)을 일으킬 가능성을 추정하는 예측 프레임워크를 도입하였으며, 이는 전 세계적인 집단 면역 압력을 반영한다. 방법: 비동의 및 동의 유전적 거리는 우한(Wuhan) 및 클레이드 뿌리(clade root) 균주 모두로부터 평가하여, 클레이드 치환이 일어나기 전 3개월 이내에 해당 클레이드가 우세해질지 또는 소멸할지를 예측하였다. 결과: 2024년 1월까지 관찰된 5회의 클레이드 치환을 통해, 클레이드 뿌리로부터 스파이크(S) 유전자의 비동의 및 동의 유전적 거리에서 우세 변이와 소멸 변이 간의 정량화 가능한 이질성을, 점진적 또는 급격한 변화 여부에 따른 ‘새로움(novelty)’의 정도로 측정하여 포착하였다. 논의: 본 프레임워크는 비동의 및 동의 유전적 거리의 차등 가중치를 반영함으로써, 훈련 및 테스트 데이터셋 모두에서 치환 이전의 다음 클레이드 뿌리를 식별하는 데 높은 예측 가능성을 보였다(수신자 조작 특성 곡선 [AUROC] 아래 면적 > 0.90). 또한, 스파이크 유전자 데이터만을 단독으로 사용한 프레임워크는 완전 유전체를 사용하는 경우와 유사한 정확도를 나타냈다. 전반적으로, 본 접근법은 SARS-CoV-2 백신의 잠재적 업데이트를 식별하기 위한 정량화 가능한 분자 기준을 제시함으로써 선제적 팬데믹 대비에 기여한다.
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