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高通量测序 锁定病原体“命门”

  视觉中国

  病原体能使人类群体性致病甚至致死,为追本溯源,找到变异基因作为有效靶点,科学家们在迎战埃博拉病毒的过程中取得突破。

  《科学》杂志的历史上,刊载过一篇沉重的学术文章。2014年一篇关于通过基因组学手段监测埃博拉病毒的起源和传播的论文,在刊登时已有6名研究人员因感染埃博拉而死亡。

  “对埃博拉病毒的研究和控制是高通量测序技术(二代测序技术)全面应用的首次‘实战’。”日前,在由中国医学科学院、北京协和医学院主办的第二届感染性疾病精准医学高峰论坛上,参加过与埃博拉病毒一线作战的研究人员,对中国团队与埃博拉病毒“作战”的战略战术进行了揭秘。中国科学院武汉病毒研究所研究员刘翟表示,病原体能使人类群体性致病甚至致死,二代测序技术及宏基因组学能帮助人类追溯病原体、捕捉放大它们在分子水平上的变化、锁定病原体“命门”,最终赢得“人毒之战”“人菌之战”。

  测准遗传物质 新策略抓住病毒“七寸”

  在2014西非埃博拉病毒爆发期间,美国的团队最初断言病毒可能在加速进化。刘翟回忆,这一发现在当时是一个“面临强敌”的信号,它意味着传统的检测防治方法或许失效,如果埃博拉病毒是迅速变化且致命性叠加的致病原,其危险性将比人类最初认知的更高。

  “病毒在短时间内迅速变化并不符合进化逻辑。”刘翟说,要改变美国团队的结论,中国团队需要提供更多的事实和数据。

  中国团队在非期间检测了大量临床样本,对175株埃博拉病毒进行了全基因组测序。“利用二代测序技术,很少的变异也能被‘觉察’到。”刘翟说。

  二代测序的应用不是简单地将病例样本中的基因提取出来进行比对。全基因组的遗传信息繁杂而海量,测定不只包括量的叠加,还包括相互作用和影响,即测定病毒在宿主体内的进化,以体现宿主和病毒的基因组之间的相互作用与关联。宏基因组学的研究基础是人和病毒的遗传物质混在“一个篮子里”,这增加了研究工作难度;此外,由于埃博拉病毒是RNA病毒,共同提取的将是人类遗传物质中的RNA,RNA的复杂程度也加大了研究难度……

  为此,研究团队设计开发了埃博拉病毒基因组的新测序策略——扩增子深度测序技术,并开发了一套全新的生物信息学分析流程。“我们设计了标准质粒进行方法验证,将测序方法的假阳性率控制在千分之一以下。”刘翟介绍,考虑到在宿主中病毒的痕量,团队还在方法的敏感性上取得了突破,做到低浓度样本下仍能探测到位点变化。

  团队对于样本的生物信息学分析,在病毒暴发过程中第一次锁定了埃博拉病毒的“进攻线路图”。刘翟展示的病毒地理学联络图,显示与西非的城市热度和交通枢纽相一致。

  除了进攻路线,团队还揭示了埃博拉病毒基于自身的“战术变化”——在宿主内,埃博拉病毒曾经产生了710个单核苷酸变异位点,也维持着最保守基因的不变。保守基因的发现相当于抓到了病毒的“七寸”。刘翟逆向思维,“最保守基因的突变对于病毒大都有害,可以作为最有效的抗病毒靶点。”

  预判威胁 防患SARS“东山再起”

  同类技术在SARS(严重急性呼吸综合征)同族病毒的发现与监控中,也发挥了居功至伟的作用。

  几年前,广东省四个猪场出现了小猪仔急性腹泻死亡的疫情,两万多头小猪出生后6天之内迅速死亡。这引起了军事医学科学院研究员童贻刚的注意,“近年来发生的重大传染病疫情大部分由动物病毒跨种传播引起,此次疫情发生地距离SARS发源地小于100公里。我们通过遗传物质的测序确定致病病毒也是一类冠状病毒。”病毒类型、发生地点以及近年规律都不同程度地亮起“警报”。

  《变形金刚》里的威震天被消灭多次,却会在宇宙的尽头休整,一旦人们放松就伺机重生。SARS冠状病毒在2003年造成了全球性的恐慌之后,会不会上演威震天的戏码?

  为了回答新发现病毒与SARS病毒同源性如何、如何传播、感染人类能力等问题,多个科研机构组成的团队共同展开研究,基于二代测序技术进行病毒分离鉴定、动物感染回归实验、回顾性检测等工作。团队将新病毒命名为猪急性腹泻综合征(SADS)冠状病毒。

  “通过新旧病毒的比对,我们发现它与SARS病毒在外壳蛋白上有86%的相似度。”童贻刚说,这说明感染蛋白可能发生了变化。也就是说,病毒获准进入机体完成感染的“敲门砖”变了。

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