SARS-CoV-2 is a SARS-like coronavirus of likely zoonotic origin first identified in December 2019 in Wuhan, the capital of China's Hubei province. The virus has since spread globally, resulting in the currently ongoing COVID-19 pandemic. The first whole genome sequence was published on January 5 2020, and thousands of genomes have been sequenced since this date. This resource allows unprecedented insights into the past demography of SARS-CoV-2 but also monitoring of how the virus is adapting to its novel human host, providing information to direct drug and vaccine design. We curated a dataset of 7666 public genome assemblies and analysed the emergence of genomic diversity over time. Our results are in line with previous estimates and point to all sequences sharing a common ancestor towards the end of 2019, supporting this as the period when SARS-CoV-2 jumped into its human host. Due to extensive transmission, the genetic diversity of the virus in several countries recapitulates a large fraction of its worldwide genetic diversity. We identify regions of the SARS-CoV-2 genome that have remained largely invariant to date, and others that have already accumulated diversity. By focusing on mutations which have emerged independently multiple times (homoplasies), we identify 198 filtered recurrent mutations in the SARS-CoV-2 genome. Nearly 80% of the recurrent mutations produced non-synonymous changes at the protein level, suggesting possible ongoing adaptation of SARS-CoV-2. Three sites in Orf1ab in the regions encoding Nsp6, Nsp11, Nsp13, and one in the Spike protein are characterised by a particularly large number of recurrent mutations (>15 events) which may signpost convergent evolution and are of particular interest in the context of adaptation of SARS-CoV-2 to the human host. We additionally provide an interactive user-friendly web-application to query the alignment of the 7666 SARS-CoV-2 genomes.

Abstract COVID-19 is caused by the coronavirus SARS-CoV-2, which jumped into the human population in late 2019 from a currently uncharacterised animal reservoir. Due to this recent association with humans, SARS-CoV-2 may not yet be fully adapted to its human host. This has led to speculations that SARS-CoV-2 may be evolving towards higher transmissibility. The most plausible mutations under putative natural selection are those which have emerged repeatedly and independently (homoplasies). Here, we formally test whether any homoplasies observed in SARS-CoV-2 to date are significantly associated with increased viral transmission. To do so, we develop a phylogenetic index to quantify the relative number of descendants in sister clades with and without a specific allele. We apply this index to a curated set of recurrent mutations identified within a dataset of 46,723 SARS-CoV-2 genomes isolated from patients worldwide. We do not identify a single recurrent mutation in this set convincingly associated with increased viral transmission. Instead, recurrent mutations currently in circulation appear to be evolutionary neutral and primarily induced by the human immune system via RNA editing, rather than being signatures of adaptation. At this stage we find no evidence for significantly more transmissible lineages of SARS-CoV-2 due to recurrent mutations.

Abstract Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) emerged in late 2019 and spread globally to cause the COVID-19 pandemic. Despite the constant accumulation of genetic variation in the SARS-CoV-2 population, there was little evidence for the emergence of significantly more transmissible lineages in the first half of 2020. Starting around November 2020, several more contagious and possibly more virulent ‘Variants of Concern’ (VoCs) were reported in various regions of the world. These VoCs share some mutations and deletions that haven arisen recurrently in distinct genetic backgrounds. Here, we build on our previous work modelling the association of mutations to SARS-CoV-2 transmissibility and characterise the contribution of individual recurrent mutations and deletions to estimated viral transmissibility. We then assess how patterns of estimated transmissibility in all SARS-CoV-2 clades have varied over the course of the COVID-19 pandemic by summing transmissibility estimates for all individual mutations carried by any sequenced genome analysed. Such an approach recovers the Delta variant (21A) as the most transmissible clade currently in circulation, followed by the Alpha variant (20I). By assessing transmissibility over the time of sampling, we observe a tendency for estimated transmissibility within clades to slightly decrease over time in most clades. Although subtle, this pattern is consistent with the expectation of a decay in transmissibility in mainly non-recombining lineages caused by the accumulation of weakly deleterious mutations. SARS-CoV-2 remains a highly transmissible pathogen, though such a trend could conceivably play a role in the turnover of different global viral clades observed over the pandemic so far. Caveats This work is not about the severity of disease. We do not analyse the severity of disease. We do not present any evidence that SARS-CoV-2 has decreased in severity. Lineage replacement dynamics are affected by many factors. The trend we recover for a decrease in inferred transmissibility of a clade over time is a small effect. We caution against over-interpretation. This result would not affect the management of the SARS-CoV-2 pandemic: for example, we make no claims about any impact on the efficacy of particular non-pharmaceutical interventions (NPIs). Our phylogeny-based method to infer changes in estimated transmissibility due to recurrent mutations and deletions makes a number of simplifying assumptions. These may not all be valid. The consistent trend for the slight decrease we report might be due to an as-yet-unidentified systematic bias.

Abstract The COVID-19 pandemic has led to an unprecedented global sequencing effort of its viral agent SARS-CoV-2. The first whole genome assembly of SARS-CoV-2 was published on January 5 2020. Since then, over 150,000 high-quality SARS-CoV-2 genomes have been made available. This large genomic resource has allowed tracing of the emergence and spread of mutations and phylogenetic reconstruction of SARS-CoV-2 lineages in near real time. Though, whether SARS-CoV-2 undergoes genetic recombination has been largely overlooked to date. Recombination-mediated rearrangement of variants that arose independently can be of major evolutionary importance. Moreover, the absence of recombination is a key assumption behind the application of phylogenetic inference methods. Here, we analyse the extant genomic diversity of SARS-CoV-2 and show that, to date, there is no detectable hallmark of recombination. We assess our detection power using simulations and validate our method on the related MERS-CoV for which we report evidence for widespread genetic recombination.

Abstract There has been limited characterisation of bat-borne coronaviruses in Europe. Here, we screened for coronaviruses in 48 faecal samples from 16 of the 17 bat species breeding in the UK, collected through a bat rehabilitation and conservationist network. We recovered nine (two novel) complete genomes across six bat species: four alphacoronaviruses, a MERS-related betacoronavirus, and four closely related sarbecoviruses. We demonstrate that at least one of these sarbecoviruses can bind and use the human ACE2 receptor for infecting human cells, albeit suboptimally. Additionally, the spike proteins of these sarbecoviruses possess an R-A-K-Q motif, which lies only one nucleotide mutation away from a furin cleavage site (FCS) that enhances infectivity in other coronaviruses, including SARS-CoV-2. However, mutating this motif to an FCS does not enable spike cleavage. Overall, while UK sarbecoviruses would require further molecular adaptations to infect humans, their zoonotic risk is unknown and warrants closer surveillance.

Abstract Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2), the novel coronavirus responsible for the COVID-19 pandemic, continues to cause significant public health burden and disruption globally. Genomic epidemiology approaches point to most countries in the world having experienced many independent introductions of SARS-CoV-2 during the early stages of the pandemic. However, this situation may change with local lockdown policies and restrictions on travel leading to the emergence of more geographically structured viral populations and lineages transmitting locally. Here, we report the first SARS-CoV-2 genomes from Palestine sampled from early March, when the first cases were observed, through to August of 2020. SARS-CoV-2 genomes from Palestine fall across the diversity of the global phylogeny, consistent with at least nine independent introductions into the region. We identify one locally predominant lineage in circulation represented by 50 Palestinian SARS-CoV-2, grouping with isolated viral samples from patients in Israel and the UK. We estimate the age of introduction of this lineage to 05/02/2020 (16/01/2020 - 19/02/2020), suggesting SARS-CoV-2 was already in circulation in Palestine predating its first detection in Bethlehem in early March. Our work highlights the value of ongoing genomic surveillance and monitoring to reconstruct the epidemiology of COVID-19 at both local and global scales.

Abstract The reconstruction of the evolutionary histories of pathogen populations in space and time has greatly improved our understanding of their epidemiology. However, analyses are usually restricted to the non-recombining genomic regions and, thus, fail to inform on the dynamics of the accessory genome. Yet, horizontal gene transfer is of striking importance to the evolution of bacteria as it can redistribute phenotypically important genes. For bacterial pathogens, those include resistance to antimicrobial compounds and virulence factors. Understanding the gene turnover in genomes at microevolutionary scales is key to apprehend the pace of this evolutionary process. Here we addressed this question for the epidemic lineage of a major bacterial plant pathogen, relying on a dense geographic sampling spanning 39 years of evolution. Gene turnover rate exceeded SNP mutation rates by three orders of magnitude. Accessory genes were preferentially plasmid-encoded, but we evidenced a highly plastic chromosomal region hosting ecologically important genes such as transcription activator-like effectors. We argue that turnover of accessory genes provides a potent evolutionary force in monomorphic bacteria, and exemplify this statement retracing the history of a mobile element conferring resistance to copper compounds widely used for the management of plant bacterial pathogens.

Abstract The COVID-19 pandemic is caused by the coronavirus SARS-CoV-2, which jumped into the human population in late 2019 from a currently uncharacterised animal reservoir. Due to this extremely recent association with humans, SARS-CoV-2 may not yet be fully adapted to its human host. This has led to speculations that some lineages of SARS-CoV-2 may be evolving towards higher transmissibility. The most plausible candidate mutations under putative natural selection are those which have emerged repeatedly and independently (homoplasies). Here, we formally test whether any of the recurrent mutations that have been observed in SARS-CoV-2 are significantly associated with increased viral transmission. To do so, we develop a phylogenetic index to quantify the relative number of descendants in sister clades with and without a specific allele. We apply this index to a carefully curated set of recurrent mutations identified within a dataset of 46,723 SARS-CoV-2 genomes isolated from patients worldwide. We do not identify a single recurrent mutation in this set convincingly associated with increased viral transmission. Instead, recurrent SARS-CoV-2 mutations currently in circulation appear to be evolutionary neutral. Recurrent mutations also seem primarily induced by the human immune system via host RNA editing, rather than being signatures of adaptation to the novel human host. In conclusion, we find no evidence at this stage for the emergence of significantly more transmissible lineages of SARS-CoV-2 due to recurrent mutations.

Severe acute respiratory coronavirus 2 (SARS-CoV-2), the agent of the ongoing COVID-19 pandemic, jumped into humans from an unknown animal reservoir in late 2019. In line with other coronaviruses, SARS-CoV-2 has the potential to infect a broad range of hosts. SARS-CoV-2 genomes have now been isolated from cats, dogs, lions, tigers and minks. SARS-CoV-2 seems to transmit particularly well in mink farms with outbreaks reported in Spain, Sweden, the Netherlands, Italy, the USA and Denmark. Genomic data from SARS-CoV-2 isolated from infected minks provides a natural case study of a secondary host jump of the virus, in this case from humans to animals, and occasionally back again. We screened published SARS-CoV-2 genomes isolated from minks for the presence of recurrent mutations common in mink but infrequent in SARS-CoV-2 genomes isolated from human infections. We identify 23 recurrent mutations including three nonsynonymous mutations in the Receptor Binding Domain of the SARS-CoV-2 spike protein that independently emerged at least four times but are only rarely observed in human lineages. The repeat emergence of mutations across phylogenetically distinct lineages of the virus isolated from minks points to ongoing adaptation of SARS-CoV-2 to a new host. The rapid acquisition and spread of SARS-CoV-2 mutations in minks suggests that if a similar phenomenon of host adaptation had occurred upon its jump into humans, those human-specific mutations would likely have reached fixation already before the first SARS-CoV-2 genomes were generated.