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Revealing patterns of SARS-CoV-2 variant emergence and evolution using RBD amplicon sequencing of wastewater - 17/10/24

Doi : 10.1016/j.jinf.2024.106284 
Xingwen Chen a, b, John Balliew c, Cici X. Bauer a, b, Jennifer Deegan a, b, Anna Gitter a, b, Blake M. Hanson a, b, Anthony W. Maresso d, Michael J. Tisza e, Catherine L. Troisi a, b, Janelle Rios a, b, Kristina D. Mena a, b, Eric Boerwinkle a, b, Fuqing Wu a, b,
a School of Public Health, University of Texas Health Science Center at Houston, TX, USA 
b Texas Epidemic Public Health Institute (TEPHI), UTHealth Houston, Houston, TX, USA 
c El Paso Water Utility, El Paso, TX, USA 
d TAILOR Labs, Department of Molecular Virology and Microbiology, Baylor College of Medicine, Houston, TX, USA 
e The Alkek Center for Metagenomics and Microbiome Research, Department of Molecular Virology and Microbiology, Baylor College of Medicine, Houston, TX, USA 

Corresponding author at: School of Public Health, University of Texas Health Science Center at Houston, TX, USA.School of Public Health, University of Texas Health Science Center at HoustonTXUSA

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Summary

Objectives

Rapid evolution of SARS-CoV-2 has resulted in the emergence of numerous variants, posing significant challenges to public health surveillance. Clinical genome sequencing, while valuable, has limitations in capturing the full epidemiological dynamics of circulating variants in the general population. This study aimed to monitor the SARS-CoV-2 variant community dynamics and evolution using receptor-binding domain (RBD) amplicon sequencing of wastewater samples.

Methods

We sequenced wastewater from El Paso, Texas, over 17 months, compared the sequencing data with clinical genome data, and performed biodiversity analysis to reveal SARS-CoV-2 variant dynamics and evolution.

Results

We identified 91 variants and observed waves of dominant variants transitioning from BA.2 to BA.2.12.1, BA.4&5, BQ.1, and XBB.1.5. Comparison with clinical genome sequencing data revealed earlier detection of variants and identification of unreported outbreaks. Our results also showed strong consistency with clinical data for dominant variants at the local, state, and national levels. Alpha diversity analyses revealed significant seasonal variations, with the highest diversity observed in winter. By segmenting the outbreak into lag, growth, stationary, and decline phases, we found higher variant diversity during the lag phase, likely due to lower inter-variant competition preceding outbreak growth.

Conclusions

Our findings underscore the importance of low transmission periods in facilitating rapid mutation and variant evolution. Our approach, integrating RBD amplicon sequencing with wastewater surveillance, demonstrates effectiveness in tracking viral evolution and understanding variant emergence, thus enhancing public health preparedness.

Le texte complet de cet article est disponible en PDF.

Graphical Abstract




ga1

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Highlights

Ninety-one SARS-CoV-2 variants were identified, with waves of variants transitioning.
Wastewater sequencing detects early variant circulation and unreported outbreaks.
Seasonal variations in variant diversity observed, with peak diversity in winter.
Higher biodiversity was found for SARS-CoV-2 variants during outbreak lag phases.
RBD amplicon sequencing of wastewater effectively tracks variant community dynamics.

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Keywords : Receptor-binding domain, Amplicon sequencing, Wastewater surveillance, SARS-CoV-2, Variant emergence, Viral evolution


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Vol 89 - N° 5

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