基因测序应用系列之一|传染性疾病的鉴别诊断与追踪

传统的流行病学方法对细菌性或病毒性传染源的追踪和传播规律的认识有一定的局限。随着高通量测序技术的发展,应用全基因组测序技术为传染病的传播机制研究提供了新的检测手段

从转录组学角度来看,高通量测序能够从整体分析样品中的全部RNA,进而对细胞中的转录组变化规律进行系统研究。分析mRNA表达谱有助于筛选出表达差异显著的基因,为后期鉴定和筛选影响宿主的关键调控分子和通路提供参考,并为解决病原带来的致病危害提供研究线索。

全基因组测序技术目前已在多个流行病学研究中使用,显示了其独特的优势。以最新在世界范围内流行的新型冠状病毒性肺炎(SARS-CoV-2) 研究为例,主要按照以下两个步骤进行: 

一、建立病毒信息库

21世纪以来,冠状病毒引发了全球性的严重急性呼吸综合征和中东呼吸综合征,提 高了人们对该类病毒的关注度,例如非典型肺炎病毒(SARS)和新型冠状病毒(SARS-CoV-2)。

为促进SARS-CoV-2 数据共享应用并及时向全球公众提供病毒的相关信息,国家生物信息中心(CNCB)/国家基因组科学数据中心(NGDC)建立了 2019 新型冠状病毒信息库(https://bigd.big.ac.cn/ncov)。为新冠病毒的研究提供新测序病毒株系的基因组原始测序数据。

2019 新型冠状病毒信息库分别选取可感染人的两种冠状病毒进行基因组序列变异分析,即 SARS (NC_004718)和最先公布的SARS-CoV-2 基因组序列(MN908947),以及一种从蝙蝠中分离采集到的SARS-CoV-2 全基因组序列,用 Muscle 软件逐一进行全基因组序列比较和多序列比对,比较发现SARS-CoV-2与NC_004718、bat-SL-CoVZC45 和蝙蝠中检测到的冠状病毒(bat/Yunnan/RaTG13/2013)的基因组序列相似度分别为80%、88%和 96%,而SARS-CoV-2内部不同株系间的序列相似性约为99.9%。

人类冠状病毒的分布(图源:Trends in Microbiology)

利用快速发展的基因组学方法与技术,全球的科研人员已经获得了多个SARS-CoV-2 基因组序列,并且开展了多项相关研究。因此,收集整合已有的SARS-CoV-2 数据,构建统一完整的信息库系统,实现对数据的动态发布与共享对于防控病毒疫情、制定病毒性肺炎治疗方案具有重要意义。 

二、病毒的鉴别与研究

国家CDC对病毒进行了基因测序,从携带病毒的个体中获得了完整的和部分的SARS-CoV-2基因组序列。使用Sanger测序连接病毒重叠群以获得全长基因组,其末端区域通过快速扩增cDNA末端来确定。这些SARS-CoV-2基因组和其他冠状病毒基因组的进化树分析用于确定病毒的进化史并帮助推断其可能的起源。进行同源性建模以探索病毒的可能受体结合特性。

新型冠状病毒的电镜照片(图源:中国疾病预防控制中心)

除了对病毒的鉴别与追踪外全基因组测序技术还能准确的鉴别细菌和病毒。人类正在面临着耐抗生素细菌日益增长的威胁,准确的鉴别细菌和病毒可以对医生决定是否使用抗生素提供关键性的参考意见,避免抗生素的滥用。

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