新發(fā)病毒性傳染病病原體高通量測序數(shù)據分析.pdf

1、新發(fā)傳染病近年來屢有發(fā)生，SARS冠狀病毒，MERS冠狀病毒，禽流感病毒，埃博拉病毒等病原體新發(fā)傳染病威脅著人類的生命安全。新發(fā)傳染病病原體多種多樣，常規(guī)的病原體分析方法不能完全適應新發(fā)傳染病病原體的分析要求。高通量測序是一種新興的技術，采用高通量測序技術對新發(fā)傳染病病原體進行分析是一門正在發(fā)展的熱門學科。將多種生物信息學理論和分析方法應用到新發(fā)傳染病病原體分析和新發(fā)傳染病的防控當中，可以有效提高應對新發(fā)傳染病的能力。本研究以近年來發(fā)生

2、于國內外的歷次新發(fā)傳染病疫情的病原體為研究對象，采用高通量測序結合數(shù)據分析的方法，研究歷次傳染病病原體的多樣性與進化等規(guī)律，為疫情防控提供數(shù)據和參考。
　　本論文的主要研究內容如下：
　　我國軍隊腺病毒疫情的測序分析。針對近年來我國軍隊不同地區(qū)發(fā)生的集體發(fā)熱疫情，采用高通量測序技術發(fā)現(xiàn)這些疫情都是由腺病毒感染引起。進一步通過高通量測序獲得腺病毒的全基因組序列，對這些序列進行了比較基因組學研究，研究發(fā)現(xiàn)近年來我國軍隊爆發(fā)的腺病

3、毒疫情主要由7型，14型和55型三種不同型別的腺病毒引起。
　　2014年西非埃博拉病毒的進化研究。對西非的埃博拉病毒感染患者標本進行高通量測序，獲得了175株埃博拉病毒的全長基因組序列。將這175株序列與公共數(shù)據庫中的其他全長序列混合進行分析，得到了新測得序列中存在著440個突變位點，并且證明其中一些位點已經在流行的過程中被固定下來，顯示了病毒仍在不斷地適應宿主。發(fā)現(xiàn)了病毒在傳播到塞拉利昂國內之后仍然在進行持續(xù)的分化，共分化出了

4、7個不同的子系。通過統(tǒng)計每個子系的分布地理區(qū)域發(fā)現(xiàn)了塞拉利昂西部地區(qū)的三個重要疫情防控地理位點?；谧钚滦蛄杏嬎愕囊咔橹胁《緣A基替換速率與以往埃博拉病毒中一致，證明病毒仍在穩(wěn)定進化，沒有突發(fā)性的加速進化，打消了國際社會的疑慮。本研究從總體上研究了塞拉利昂西部地區(qū)的埃博拉病毒遺傳多樣性與進化動力學，對塞拉利昂西部地區(qū)的疫情防控工作具有借鑒意義。
　　H7N9型禽流感病毒的混合感染與重配研究。對江蘇省禽類咽拭子標本的高通量測序與組裝得

5、到了8個樣品中的流感病毒，其中的H7N9型禽流感病毒的序列與同時期同地區(qū)的人感染 H7N9型禽流感疫情中的病原體序列具有極高的同源性，而其中的H9N2型禽流感病毒序列與當?shù)亻L期存在的H9N2型禽流感病毒序列一致。在測序標本中發(fā)現(xiàn)了有4株樣品中存在混合感染現(xiàn)象，并且發(fā)現(xiàn)了混合感染的毒株中發(fā)生了重配現(xiàn)象。這提示本次疫情的病毒重配過程仍在持續(xù)當中。研究中對禽流感病毒的8個不同片段進行了溯源分析，得出H7N9型禽流感病毒的HA和NA片段來源于境

6、外，其余6個內部基因片段來源于國內，是一種三重重配導致的新病毒，分化時間較新。以上分析結果說明了H7N9型禽流感病毒的來源與發(fā)展趨勢，并且觀測到了正在發(fā)生的重配現(xiàn)象。
　　中國人體內指環(huán)病毒科病毒的多樣性研究。本研究對33份中國人血液標本進行核酸提取和MDA方法擴增并進行高通量測序，發(fā)現(xiàn)中國人群中指環(huán)病毒科病毒的感染率相當高，而且有大量的混合感染現(xiàn)象，同一個個體感染了不同屬的指環(huán)病毒。感染中國人的指環(huán)病毒基因組差異很大，同一混合感

7、染宿主中分離到的指環(huán)病毒可以分屬不同的子系，一方面顯示病毒感染的普遍性，另一方面顯示病毒進化和傳播的過程比想象中要復雜。指環(huán)病毒科病毒的感染與人類疾病之間并沒有直接而明確的證據表明二者有關聯(lián)，但有部分疾病與指環(huán)病毒科病毒感染之間可能有潛在的相關性。本研究提供了大量中國人體內的指環(huán)病毒科病毒基因組序列，為后續(xù)研究提供了數(shù)據基礎。
　　云南地區(qū)一種新型黃病毒的發(fā)現(xiàn)。采用高通量測序方法對從云南大理地區(qū)的伊蚊中分離到的一株病毒的全長基因組

8、序列進行了測定，序列分析證明其為黃病毒屬下的一種新的病毒種，并經國際病毒分類學委員會確定。該病毒與之前發(fā)現(xiàn)的伊蚊內傳播的黃病毒基因組結構比較相似，并且都含有一個因為移碼突變導致的開放閱讀框。同其他伊蚊內傳播的黃病毒類似，該病毒目前不能造成 Vero細胞發(fā)生細胞病變，提示其可能對哺乳動物沒有感染性。
　　高通量測序數(shù)據中病原體的智能快速篩查。對于未知感染的復雜標本或者疑似存在病原體但無法確認的標本進行直接高通量測序，設計智能判別算法

9、，從產出的大量讀序（reads）中嘗試尋找和發(fā)現(xiàn)可能存在的病原體核酸信息。該方法可以對臨床復雜標本進行病原體智能快速篩查。該方法建立和完善之后已經處理數(shù)十例類似的高通量測序數(shù)據，并成功地篩查到其中存在的病原體，部分篩查結果采用實驗方法進行了驗證。
　　相關生物信息學程序的設計。在上述研究過程中，為了降低人工參與的強度，加快分析速度，降低分析錯誤率的發(fā)生，本研究設計和開發(fā)了相關的生物信息學軟件和數(shù)據庫，將分析流程整合到軟件中，并且能

10、夠適應多種原始數(shù)據的分析。相關軟件已經在課題組的日常工作中發(fā)揮了重要的作用。
　　綜上所述，本研究建立了較為完整的基于高通量測序的新發(fā)傳染病病原體分析技術。通過上述的研究過程，本論文總結了不同種類病原體的基于高通量測序的數(shù)據處理方法。對于已知的病原體，通過組裝獲取全基因組序列，采用多序列比對與系統(tǒng)發(fā)育分析相結合的方法，探索病原體基因組的進化規(guī)律，研究其遺傳多樣性與進化動力學；對于比較新的物種，通過組裝獲取全基因組序列，采用序列比較