布羅德研究所(Broad Institute)的研究人員表示，他們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種名為“CATCH”的新計(jì)算技術(shù)，可以用來(lái)為已知感染人類(lèi)的任何病毒及其所有已知毒株設(shè)計(jì)分子誘餌，包括臨床樣本中含量較低的病毒，比如寨卡病毒?？茖W(xué)家們說(shuō)，這種方法可以幫助全球范圍內(nèi)的小型測(cè)序中心更有效、更經(jīng)濟(jì)地進(jìn)行疾病監(jiān)測(cè)，從而為控制疫情提供關(guān)鍵信息。

這項(xiàng)由麻省理工學(xué)院研究生海登·梅茨基和博士后凱蒂·西德?tīng)柌┦款I(lǐng)導(dǎo)的新研究(“利用全面可伸縮的探針設(shè)計(jì)捕獲元基因組的序列多樣性”)發(fā)表在《自然生物技術(shù)》的網(wǎng)站上。

“宏基因組測(cè)序有潛力改變微生物的檢測(cè)和表征，但需要新的工具來(lái)提高其敏感性。”在此，我們提出一種計(jì)算方法，以加強(qiáng)核酸捕獲的富集不同的微生物類(lèi)群。CATCH設(shè)計(jì)了具有指定數(shù)量的寡核苷酸的最優(yōu)探針集，該探針集可以實(shí)現(xiàn)已知序列多樣性的完全覆蓋和良好的擴(kuò)展。我們致力于應(yīng)用CATCH在復(fù)雜的宏基因組樣本中捕獲病毒基因組。我們?cè)O(shè)計(jì)、合成和驗(yàn)證多個(gè)探針集，包括一個(gè)針對(duì)已知感染人類(lèi)的356種病毒的整個(gè)基因組的探針集，”研究人員寫(xiě)道。

“使用這些探針集捕獲的病毒平均可使病毒的獨(dú)特含量增加18倍，使我們能夠組裝沒(méi)有富集就無(wú)法恢復(fù)的基因組，并準(zhǔn)確地保持樣本內(nèi)的多樣性。”我們還使用這些探針集恢復(fù)尼日利亞2018年拉沙熱暴發(fā)后的基因組，并改進(jìn)對(duì)人類(lèi)和蚊子樣本中未鑒定的病毒感染的檢測(cè)。結(jié)果表明，CATCH可以實(shí)現(xiàn)更靈敏、更經(jīng)濟(jì)的元基因組測(cè)序。

“基因組測(cè)序成為疾病監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵部分,捕捉等工具將幫助我們和其他人發(fā)現(xiàn)疫情,病原體產(chǎn)生更多的數(shù)據(jù)可以共享與更廣泛的科學(xué)和醫(yī)學(xué)研究社區(qū),“基督教Matranga說(shuō),博士的這項(xiàng)新研究文章的第二作者加入了一個(gè)本地生物技術(shù)創(chuàng)業(yè)公司

科學(xué)家已經(jīng)能夠檢測(cè)到一些低豐度的病毒通過(guò)分析所有的遺傳物質(zhì)在一個(gè)臨床樣本使用宏基因組測(cè)序。然而，根據(jù)布羅德團(tuán)隊(duì)的研究，這種方法經(jīng)常會(huì)遺漏掉在大量其他微生物和患者自身DNA中丟失的病毒物質(zhì)。

另一種方法是為特定病毒增加臨床樣本。為了做到這一點(diǎn)，研究人員使用一種基因誘餌來(lái)固定目標(biāo)病毒的遺傳物質(zhì)，這樣其他遺傳物質(zhì)就可以被沖走。馬里蘭州帕迪斯薩比提(Pardis Sabeti)實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們成功地使用了誘餌來(lái)分析埃博拉和拉沙病毒的基因組。誘餌是一種分子探針，由短鏈RNA或DNA與樣本中的病毒DNA片段配對(duì)而成。然而，這些探針總是針對(duì)一種微生物，這意味著它們必須確切地知道自己在尋找什么，而且它們的設(shè)計(jì)并不嚴(yán)謹(jǐn)、高效。

他們需要的是一種設(shè)計(jì)探針的計(jì)算方法，這種方法能夠提供臨床樣本中各種微生物含量的全面視圖，同時(shí)也能對(duì)寨卡病毒等低豐度微生物進(jìn)行富集。

“我們想重新思考我們實(shí)際上是如何設(shè)計(jì)探測(cè)器來(lái)進(jìn)行捕獲的，”Metsky說(shuō)。“我們意識(shí)到，我們可以用比以前更少的探針來(lái)捕獲病毒，包括它們已知的多樣性。”為了使其成為一種有效的監(jiān)測(cè)工具，我們決定嘗試一次鎖定20種病毒，最終我們將已知的356種感染人類(lèi)的病毒數(shù)量擴(kuò)大到356種。

CATCH是“用于綜合雜交的目標(biāo)的緊密聚合”的縮寫(xiě)，它允許用戶設(shè)計(jì)定制的探針集來(lái)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(lèi)的所有病毒的所有形式。

Metsky解釋說(shuō)，要真正全面地運(yùn)行CATCH，用戶可以很容易地輸入已上傳到國(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(lèi)病毒的基因組。該程序根據(jù)用戶想要恢復(fù)的信息來(lái)確定最佳探測(cè)集，無(wú)論這些信息是病毒還是一個(gè)子集。探針序列列表可以發(fā)送到少數(shù)幾個(gè)合成探針進(jìn)行研究的公司之一?？茖W(xué)家和臨床研究人員希望檢測(cè)和研究這些微生物，然后可以使用像魚(yú)鉤一樣的探針來(lái)捕獲所需的微生物DNA進(jìn)行測(cè)序，從而為感興趣的微生物富集樣本。

用CATCH設(shè)計(jì)的探針組測(cè)試顯示，富集后，病毒含量占測(cè)序數(shù)據(jù)的比例是富集前的18倍，這使得該團(tuán)隊(duì)能夠組裝無(wú)法從未富集樣本中生成的基因組。該研究小組通過(guò)檢測(cè)30個(gè)樣本來(lái)驗(yàn)證這種方法，這些樣本的已知內(nèi)容橫跨8種病毒。研究人員還表示，2018年尼日利亞拉沙病毒(Lassa)爆發(fā)時(shí)，如果不進(jìn)行富集，很難對(duì)拉沙病毒樣本進(jìn)行測(cè)序，而使用一套由catch設(shè)計(jì)的針對(duì)所有人類(lèi)病毒的探針，可以“拯救”這些樣本。此外，該小組還能夠改進(jìn)對(duì)來(lái)自患者和蚊子的未知含量樣本的病毒檢測(cè)。

利用CATCH, Metsky和他的同事們生成了針對(duì)寨卡病毒和基孔肯雅病毒的病毒探針子集，基孔肯雅病毒是在同一地理區(qū)域發(fā)現(xiàn)的另一種蚊媒病毒。除了用其他方法生成的寨卡病毒基因組外，他們使用由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)到寨卡病毒之前，該病毒已經(jīng)在幾個(gè)地區(qū)傳播了數(shù)月，這一發(fā)現(xiàn)可以為控制未來(lái)疫情的努力提供信息。

為了演示CATCH的其他潛在應(yīng)用，Siddle使用了一系列不同病毒的樣本。Siddle和其他人一直在與西非的科學(xué)家合作，建立實(shí)驗(yàn)室和工作流程，以便現(xiàn)場(chǎng)分析病原體基因組。西非的病毒爆發(fā)和難以診斷的發(fā)燒很常見(jiàn)。Siddle說(shuō):“我們希望我們?cè)谀崛绽麃喌暮献骰锇槟軌蛴行У貜牟煌臉颖局羞M(jìn)行宏基因組測(cè)序，而CATCH幫助他們提高對(duì)這些病原體的敏感性。”

這種方法也是一種強(qiáng)大的方法來(lái)調(diào)查未確診的發(fā)燒與疑似病毒的原因。Siddle補(bǔ)充說(shuō):“我們對(duì)使用宏基因組測(cè)序來(lái)闡明這些病例的潛力感到興奮，特別是在受影響的國(guó)家在當(dāng)?shù)剡@樣做的可能性。”他指出，CATCH方法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它的適應(yīng)性。

隨著新的突變被識(shí)別，新的序列被添加到GenBank，用戶可以使用最新的信息重新設(shè)計(jì)一組探針。此外，雖然大多數(shù)探頭的設(shè)計(jì)都是專有的，但Metsky和Siddle已經(jīng)公開(kāi)了他們用CATCH設(shè)計(jì)的所有探頭。用戶可以在CATCH中訪問(wèn)實(shí)際的探針序列，允許研究人員在合成探針之前探索和定制探針設(shè)計(jì)。

Sabeti和其他研究人員說(shuō)，他們對(duì)漁獲物提高大規(guī)模高分辨率微生物群落研究的潛力感到興奮。他們還希望這種方法有朝一日能在診斷應(yīng)用中發(fā)揮效用，將結(jié)果返回給患者，讓他們做出臨床決定。就目前而言，該技術(shù)在改善寨卡病毒和拉沙病毒等病毒暴發(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)用方面的潛力，令他們感到鼓舞。