Nature: 破译ZIKV病毒之谜

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发表时间:2017-06-20 14:41

Zika病毒(ZIKV)在美洲流行并因其产生的相关疾病引起了极大的关注,寨卡病毒可造成大批婴儿脑发育不全。世界卫生组织(WHO)宣布,将寨卡病毒及小头症列为全球紧急公共卫生事件,国际社会应当协调应对。这是继甲型H1N1流感、脊髓灰质炎及埃博拉疫情后,世卫组织发布的第四个国际关注的突发公共卫生事件。然而,关于ZIKV流行病学和进化还有很多不为人知的问题。

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最近,Hayden C. Metsky科研团队通过使用多种测序方法来解决这些问题,从10个国家和地区的临床和蚊子样本获取110ZIKV基因组,观察ZIKV病毒遗传多样性。分析了不同地理区域ZIKV引入的时间和模式:系统学证据表明,巴西的ZIKV暴发迅速扩大,并多次将暴发株引入Puerto Rico, Honduras, Colombia,加勒比岛屿及美国大陆。他们表示:在首个局部传播病例被确认之前,ZIKV在多个区域内尚未被发现,这表明监测病毒感染的重要性。这一研究成果已于2017524日发表于《Nature》期刊”Zika virus evolution and spread in the Americas”一文。确定突变可能对ZIKV生物学和发病机理产生影响,并且可能与诊断测试有效性有关。

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自从ZIKV进入美洲,由蚊子携带的ZIKV病毒迅速传播,导致成千上万的ZIKV病例,如ZIKV先天性综合症以及其他可能的神经并发症。尽管ZIKV的发现和爆发已经有70年了,然而,从临床样本中直接测序的ZIKV基因组还不到100个。这在一定程度上是由于低载量病毒造成的技术性挑战,以及在未进行测序的情况下收集和存储的样本中RNA完整性的缺失。虽然培养病毒可以增加测序的材料,但可能会导致遗传变异。

Hayden C. Metsky希望直接从采集的样本中对病毒基因组进行测序,以获得对病毒种群的更深入的了解。检测的38个样本中,大多数都证明了基因组中没有足够的ZIKVRNA,但是,验证其他方法的结果仍然是很有价值的。此外,基因组学数据还揭示了其他病毒的序列,其中包括41个可能在蚊子池中出现的病毒序列片段。在单个病人身上没有发现ZIKV的序列,但是却从登革病毒中发现了一个完整的基因组,其中一种病毒与ZIKV类似。

为了获取足够的ZIKV,测序前采用了两种有目的的浓缩方法:PCR放大和混合捕获。对来自110个样本的完整或部分基因组进行了测序和组装。因为这些方法放大了污染物的含量,导致严重依赖于负控制来检测人工的序列。

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1.来自临床和蚊子样本的序列数据

为了研究ZIKV在美洲的传播,对110个基因组进行了系统分析。巴西ZIKV基因组出现在这棵系统树的所有深枝上,它们有着共同祖先。该进化树根附近的树的形状仍然不确定,由于突变数量太少,无法清晰地分辨出它们的分支。这表明了病毒爆发的早期传播模式与新病毒的传播相一致。还观察到一种完全由三个加勒比海国家或美国大陆上感染了ZIKV的患者的基因组组成,其每年的病毒爆发替代率为1.15×10-3,这比其他黄病毒的报告率高了1-5倍。但是,这是在一个较短取样周期内进行测量的,因此可能会包含更大比例的轻度有害突变,而这些突变尚未通过净化处理而被移除。

ZIKV暴发传播到达特定区域时,可以帮助阐明并追踪子其感染可能的并发症和发生率。第一次确诊的日期要比实际感染时间晚数月,当地传播链的tMRCA与最早发现的病例之间存在相似的时间间隔。有证据表明,ZIKV在美国大陆进行了几次报道,并发现在佛罗里达采集的蚊子和人类样本的序列组合在一起,与在佛罗里达州当地的ZIKV相一致。来自巴西和哥伦比亚的ZIKV基因组相似,而与其他国家的基因组存在差异。PCA的结果显示,巴西ZIKV没有明显的差异。

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2. ZIKV病毒在美洲蔓延

遗传变异可以为ZIKV生物学和发病机理提供重要的见解,并能揭示病毒潜在的功能变化。在完整的数据集里观察到1030个突变,它们在基因组中分布很好,这些突变的任何影响都不能从这些数据中得出。然而,最有可能出现功能性突变的是202种非同义突变,即5'3'未端翻译区域(UTRs)中的32个突变。适应性突变更有可能出现在高频或多次出现的情况下,尽管这两种效应也可能是偶然发生的。

为了评估这些突变可能的生物学意义,该团队在ZIKV基因组中寻找选择的证据。病毒表面糖蛋白是积极选择的目标,这些蛋白质突变可以赋予适应新的载体或帮助免疫逃逸。因此,在ZIKV包膜糖蛋白中寻找过量的非同义突变是有价值的。

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3. ZIKV病毒变异的地理分布及基因组分布

PCR化验和病毒序列之间的不匹配是本次暴发中诊断性能不佳的潜在来源,为了评估正在进化的病毒对诊断功能的潜在影响,Hayden C. Metsky团队比较了8个已发表的基于qRT–PCR的引物/探针的数据,发现许多位点与当前数据集174ZIKV基因组中发现的等位基因不匹配。大多数情况下,不一致的等位基因是由所有的暴发样本共享的,这些不匹配因素可能会影响诊断分析的所有用途。他们还发现了在进入美洲后发生的新突变所导致的不匹配。这些观察结果表明,基因组的进化并没有在疾病暴发期间导致诊断性能的普遍退化,但这种突变仍在继续积累,还需要进行持续的监测。

对宿主病毒遗传多样性的分析可以了解宿主病毒相互作用和传播的重要信息。然而,在低浓度的临床样本中准确地识别这些变异是很有挑战性的,为了研究是否能够可靠地检测出是否有一个内在的ZIKV变异体,研究发现了一种经培养的宿主内ZIKV分离变种,并且发现扩增测序和杂交捕获数据是一致的,并且是可复制的变体。尽管大多数的变异不是通过测序或技术复制来验证的,但那些高频率的都是可复制的。研究者以寻找样本间共享变量作为传递模式和线索,但是,有太多的变量无法得出任何有意义的结论。这表明进一步的技术发展是建立在扩增测序可以用于研究ZIKV宿主内变异以及低滴度病毒等临床样本。

目前,低滴度病毒测序尚(如直接从临床样本获取ZIKV)具有挑战性,这些挑战可能是导致目前暴发的基因组缺乏原因之一。虽然技术和分析方法会不断发展进步,但值得我们注意是上游因素,也是预测成功的重要因素。这一发现强调了持续发展和实施的最佳实践样品处理的重要性。在不破坏标准临床工作流程的情况下,更广泛地采用基因组监控,对于ZIKV的生物学和发病机理的持续研究仍然至关重要。这项研究为面对突发疫情挑战的基因组监测提出了技术和协作策略。

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元数据与排序结果之间的关系



赫贝点评:Hayden C. Metsky团队对ZIKV进行了基因组学研究破译了ZIKV病毒爆发之谜。该研究最新测序的基因组有助于更广泛区分本地传播和输入性感染,也可以将蚊媒作为目标进行ZIKV病毒的防控工作。这些研究数据为开发最新的分子诊断和疫苗研发奠定了基础,或可成为改进未来用于预防ZIKV病毒爆发的工具。然而,准确地识别低滴度病毒变异仍具有挑战性。




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