在2015 - 16年寨卡病毒爆發(fā)期間，公共衛(wèi)生官員爭(zhēng)相控制這一流行病并遏制病原體對(duì)孕婦的破壞性影響。與此同時(shí)，全球的科學(xué)家們?cè)噲D了解這種神秘病毒的遺傳學(xué)。問題是，病人的血液中沒有很多寨卡病毒顆粒。在臨床樣本中尋找它可以像在海洋中捕魚一樣的min魚。

Broad Institute科學(xué)家開發(fā)的一種新計(jì)算方法有助于克服這一障礙。建立在Broad研究所研究員Pardis Sabeti的實(shí)驗(yàn)室中，“CATCH”方法可用于設(shè)計(jì)任何已知感染人類及其所有已知菌株的病毒的分子“誘餌”，包括那些在臨床樣本中存在低豐度的病毒，如寨卡。該方法可以幫助全球的小型測(cè)序中心更有效，更具成本效益地進(jìn)行疾病監(jiān)測(cè)，從而為控制疫情提供重要信息。

這項(xiàng)新研究由麻省理工學(xué)院的研究生Hayden Metsky和博士后研究員Katie Siddle領(lǐng)導(dǎo)，它出現(xiàn)在Nature Biotechnology的網(wǎng)絡(luò)上。

“由于基因組測(cè)序成為疾病監(jiān)測(cè)的重要組成部分，像CATCH這樣的工具將幫助我們和其他人更早地檢測(cè)出爆發(fā)，并產(chǎn)生更多可與更廣泛的科學(xué)和醫(yī)學(xué)研究界共享的病原體數(shù)據(jù)，”Christian Matranga說道，這項(xiàng)新研究的資深作者加入了當(dāng)?shù)匾患疑锛夹g(shù)創(chuàng)業(yè)公司。

科學(xué)家已經(jīng)能夠通過分析臨床樣本中的所有遺傳物質(zhì)來檢測(cè)一些低豐度病毒，這種技術(shù)被稱為“宏基因組”測(cè)序，但這種方法常常錯(cuò)過了其他微生物和患者體內(nèi)豐富的病毒物質(zhì)。自己的DNA。

另一種方法是“富集”特定病毒的臨床樣本。為此，研究人員使用一種遺傳“誘餌”來固定目標(biāo)病毒的遺傳物質(zhì)，以便其他遺傳物質(zhì)被沖走。Sabeti實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家成功地使用了誘餌，這些誘餌是由短鏈RNA或DNA組成的分子探針，與樣本中的病毒DNA配對(duì)，分析埃博拉病毒和拉沙病毒基因組。然而，探針始終針對(duì)單個(gè)微生物，這意味著它們必須確切地知道它們正在尋找什么，并且它們不是以嚴(yán)格，有效的方式設(shè)計(jì)的。

他們需要的是一種用于設(shè)計(jì)探針的計(jì)算方法，該方法可以提供臨床樣品中多種微生物含量的全面視圖，同時(shí)富集像Zika這樣的低豐度微生物。

“我們想重新考慮我們實(shí)際上是如何設(shè)計(jì)探針進(jìn)行捕獲的，”Metsky說。“我們意識(shí)到我們可以捕獲病毒，包括它們已知的多樣性，使用的探測(cè)器比我們之前使用的更少。為了使這成為監(jiān)視的有效工具，我們決定一次嘗試針對(duì)大約20種病毒，我們最終進(jìn)行了擴(kuò)展已知感染人類的??356種病毒。“

“用于全面雜交的目標(biāo)的緊湊聚集”的簡(jiǎn)稱CATCH允許用戶設(shè)計(jì)定制的探針組，以捕獲任何微生物物種組合的遺傳物質(zhì)，包括病毒，甚至是已知感染人類的??所有形式的所有病毒。

為了真正全面地運(yùn)行CATCH，用戶可以輕松輸入已上載到國(guó)家生物技術(shù)信息中心GenBank序列數(shù)據(jù)庫(kù)的所有形式的人類病毒的基因組。該程序根據(jù)用戶想要恢復(fù)的內(nèi)容確定最佳探針集，無論是所有病毒還是僅部分病毒?？梢詫⑻结樞蛄辛斜戆l(fā)送給合成用于研究的探針的少數(shù)公司之一。希望檢測(cè)和研究微生物的科學(xué)家和臨床研究人員可以使用像釣魚鉤這??樣的探針來捕獲所需的微生物DNA進(jìn)行測(cè)序，從而豐富樣品中的微生物。

使用CATCH設(shè)計(jì)的探針組的測(cè)試表明，在富集后，病毒含量構(gòu)成了比富集前更多的測(cè)序數(shù)據(jù)的18倍，使得該團(tuán)隊(duì)能夠組裝不能從未富集的樣品中產(chǎn)生的基因組。他們通過檢查30個(gè)已知內(nèi)容跨越8種病毒的樣本來驗(yàn)證該方法。研究人員還表明，尼日利亞2018年拉薩爆發(fā)的拉沙病毒樣本經(jīng)證實(shí)難以在沒有富集的情況下進(jìn)行測(cè)序，可以通過使用一套針對(duì)所有人類病毒的CATCH設(shè)計(jì)探針來“拯救”。此外，該團(tuán)隊(duì)還能夠改善患者和蚊子中含有未知內(nèi)容的樣本中的病毒檢測(cè)。

使用CATCH，Metsky及其同事生成了針對(duì)寨卡病毒和基孔肯雅病毒的病毒探針子集，這是另一種在同一地理區(qū)域發(fā)現(xiàn)的蚊媒病毒。與其他方法產(chǎn)生的Zika基因組一起，使用CATCH設(shè)計(jì)的探針生成的數(shù)據(jù)幫助他們發(fā)現(xiàn)在科學(xué)家能夠檢測(cè)到Zika病毒之前幾個(gè)月已經(jīng)引入了Zika病毒，這一發(fā)現(xiàn)可以為控制未來爆發(fā)的努力提供信息。 。

為了證明CATCH的其他潛在應(yīng)用，Siddle使用了來自各種不同病毒的樣本。Siddle和其他人一直在與西非的科學(xué)家合作，在那里建立病毒爆發(fā)和難以診斷的發(fā)燒，以建立實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)分析病原體基因組的工作流程。“我們希望我們?cè)谀崛绽麃喌暮献骰锇槟軌驈亩喾N樣品中有效地進(jìn)行宏基因組測(cè)序，而CATCH可以幫助他們提高對(duì)這些病原體的敏感性，”Siddle說。

該方法也是研究具有可疑病毒原因的未確診發(fā)熱的有效方法。“我們對(duì)使用宏基因組測(cè)序來揭示這些病例的可能性感到興奮，特別是在受影響國(guó)家當(dāng)?shù)剡@樣做的可能性，”Siddle說。

CATCH方法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是其適應(yīng)性。隨著新突變的識(shí)別并將新序列添加到GenBank中，用戶可以快速重新設(shè)計(jì)一組具有最新信息的探針。此外，雖然大多數(shù)探頭設(shè)計(jì)都是專有的，但Metsky和Siddle公開了所有他們用CATCH設(shè)計(jì)的探頭。用戶可以訪問CATCH中的實(shí)際探針序列，使研究人員能夠在合成之前探索和定制探針設(shè)計(jì)。

Sabeti和其他研究人員對(duì)CATCH有可能改進(jìn)微生物群落的大規(guī)模高分辨率研究感到興奮。他們也希望這種方法有朝一日能夠用于診斷應(yīng)用，其中將結(jié)果返回給患者以做出臨床決策。目前，他們對(duì)改善Zika和Lassa病毒爆發(fā)的基因組監(jiān)測(cè)以及其他需要全面了解低水平微生物含量的應(yīng)用的潛力感到鼓舞。

CATCH軟件可在GitHub上公開訪問。由Sabeti和Matranga監(jiān)督的其開發(fā)和驗(yàn)證在Nature Biotechnology的在線描述。