تعیین ژنوتیپ و فیلوژنتیک ویروسی

تعیین ژنوتیپ و فیلوژنتیک ویروسی از داده‌های توالی ویروسی برای طبقه‌بندی ویروس‌ها به ژنوتیپ‌ها یا زیرگونه‌ها و بازسازی روابط تکاملی و انتقال آن‌ها استفاده می‌کند. از آنجا که بسیاری از ویروس‌های مهم بالینی به سرعت جهش می‌یابند، تحلیل مبتنی بر توالی ابزاری محوری برای درک تنوع، گسترش و سازگاری آن‌ها است.

Definition

تعیین ژنوتیپ ویروسی، یک ویروس را بر اساس توالی آن به یک گروه ژنتیکی تعریف‌شده (ژنوتیپ، زیرگونه یا کلاد) اختصاص می‌دهد، در حالی که فیلوژنتیک ویروسی، درخت تکاملی مرتبط با توالی‌های ویروسی را استنباط می‌کند و از آن برای مطالعه منشأ، تنوع و انتقال آن‌ها استفاده می‌نماید.

Scope

این موضوع شامل تعیین ژنوتیپ ویروس‌ها با تحلیل توالی، روش‌های فیلوژنتیک مورد استفاده برای ارتباط دادن توالی‌های ویروسی، و کاربرد این روش‌ها در اپیدمیولوژی مولکولی و تحلیل خوشه‌های انتقال است. این موضوع به عنوان یک مرجع آزمایشگاهی و تحلیلی مطرح شده است تا یک توصیه برای مدیریت بالینی.

Core questions

• این توالی ویروسی کدام ژنوتیپ یا زیرگونه را نشان می‌دهد؟
• توالی‌های ویروسی نمونه‌برداری شده چگونه با هم مرتبط هستند و درخت استنباط شده چه مفهومی درباره انتقال دارد؟
• جهش و انتخاب چگونه تنوع ویروسی را در طول زمان شکل می‌دهند؟
• کدام عمق توالی‌یابی و روش تحلیلی برای این سؤال مناسب است؟

Key concepts

• ژنوتیپ، زیرگونه و کلاد ویروسی
• هم‌ترازی توالی
• استنباط درخت فیلوژنتیک
• اپیدمیولوژی مولکولی و خوشه‌های انتقال
• فیلودینامیک
• توالی‌یابی سنگر در مقابل توالی‌یابی نسل بعدی (عمیق)
• واریانت‌های اقلیت و شبه‌گونه‌ها

Mechanisms

تعیین ژنوتیپ با توالی‌یابی تمام یا بخشی از ژنوم ویروسی و مقایسه آن با توالی‌های مرجع برای اختصاص یک گروه ژنتیکی آغاز می‌شود. سپس توالی‌های هم‌تراز شده برای استنباط یک درخت فیلوژنتیک با استفاده از روش‌های مبتنی بر فاصله، حداکثر احتمال یا بیزی، که در نرم‌افزارهایی مانند MEGA (Kumar et al., 2018) پیاده‌سازی شده‌اند، به کار می‌روند. از آنجا که ویروس‌های با تکامل سریع در دوره‌های کوتاه تغییرات قابل اندازه‌گیری را انباشته می‌کنند، درخت‌ها را می‌توان با تاریخ‌های نمونه‌برداری ترکیب کرد تا نحوه رشد و گسترش اپیدمی‌ها را مطالعه کرد – که حوزه فیلودینامیک (Pybus & Rambaut, 2009) نامیده می‌شود. ابزارهای خوشه انتقال، توالی‌های نزدیک به هم را گروه‌بندی می‌کنند تا عفونت‌های احتمالی مرتبط را در مجموعه‌داده‌های بزرگ شناسایی کنند (Kosakovsky Pond et al., 2018). عمق توالی‌یابی اهمیت دارد: توالی‌یابی فوق‌عمیق می‌تواند واریانت‌های اقلیت را که توالی‌یابی سنگر (Sanger sequencing) از دست می‌دهد، آشکار کند، اگرچه این دو رویکرد برای جمعیت‌های غالب به طور کلی سازگار هستند (Trabaud et al., 2017).

Clinical relevance

تعیین ژنوتیپ و فیلوژنتیک ویروسی نحوه طبقه‌بندی ویروس‌ها و بازسازی انتقال آن‌ها توسط آزمایشگاه‌ها را توصیف می‌کند و به نظارت، بررسی شیوع و پایش مقاومت در سطح جمعیت کمک می‌کند. این موضوع توضیح می‌دهد که چگونه چنین شواهدی تولید می‌شود و مبنایی برای تصمیمات تشخیصی یا درمانی فردی نیست.

Epidemiology

تحلیل‌های فیلوژنتیک و فیلودینامیک روش‌های اصلی اپیدمیولوژی مولکولی ویروسی هستند که برای ردیابی منشأ جغرافیایی و گسترش اپیدمی‌ها و تعیین خوشه‌های انتقال در جمعیت‌ها استفاده می‌شوند (Pybus & Rambaut, 2009; Kosakovsky Pond et al., 2018).

Evidence & guidelines

عملکرد تحلیلی در این موضوع بر اساس روش‌ها و نرم‌افزارهای تثبیت‌شده برای استنباط فیلوژنتیک (Kumar et al., 2018) و تحلیل انتقال (Kosakovsky Pond et al., 2018) استوار است. مطالعات مقایسه‌ای در انتخاب بین فناوری‌های توالی‌یابی (Trabaud et al., 2017) نقش دارند. استانداردهای گزارش‌دهی برای آزمایش‌های ژنوتیپینگ بالینی توسط نهادهای حرفه‌ای و نظارتی تعیین می‌شوند و در اینجا بازتولید نشده‌اند.

History

فیلوژنتیک ویروسی با مقرون‌به‌صرفه شدن توالی‌یابی و توسعه مدل‌های آماری برای استنباط درخت‌ها از داده‌های مولکولی و بسته‌بندی آن‌ها در نرم‌افزارهای قابل دسترس (Kumar et al., 2018) به بلوغ رسید. این شناخت که ویروس‌های با تکامل قابل اندازه‌گیری امکان استنباط مشترک دینامیک‌های تکاملی و اپیدمیولوژیک را فراهم می‌کنند، منجر به فیلودینامیک (Pybus & Rambaut, 2009) شد و توالی‌یابی با توان بالا بعدها تحلیل خوشه‌های انتقال در مقیاس بزرگ را ممکن ساخت (Kosakovsky Pond et al., 2018).

Debates

عمق توالی‌یابی برای تعیین ژنوتیپ چگونه باید انتخاب شود؟

توالی‌یابی عمیق می‌تواند واریانت‌های اقلیت مرتبط بالینی و اپیدمیولوژیک را که توالی‌یابی سنگر از دست می‌دهد، شناسایی کند، اما هزینه و پیچیدگی بیوانفورماتیک را افزایش می‌دهد؛ مقایسه‌ها سازگاری گسترده‌ای را برای واریانت‌های غالب نشان می‌دهند و عمق بهینه را وابسته به زمینه می‌سازند.

Seminal works

• pybus-2009
• kumar-2018
• kosakovsky-pond-2018

Frequently asked questions

تفاوت بین تعیین ژنوتیپ و فیلوژنتیک چیست؟

تعیین ژنوتیپ یک ویروس واحد را در یک دسته ژنتیکی از پیش تعریف شده قرار می‌دهد، در حالی که فیلوژنتیک روابط تکاملی بین بسیاری از توالی‌های ویروسی را بازسازی می‌کند، که به نوبه خود می‌تواند به تعیین ژنوتیپ و تحلیل انتقال کمک کند.

چرا روش‌های فیلوژنتیک به طور خاص برای ویروس‌ها بسیار مهم هستند؟

بسیاری از ویروس‌ها به اندازه کافی سریع تکامل می‌یابند تا تغییرات ژنتیکی قابل اندازه‌گیری را در طول یک شیوع انباشته کنند، بنابراین توالی‌های آن‌ها اطلاعاتی درباره چگونگی و زمان گسترش آن‌ها حمل می‌کنند، که ارگانیسم‌های با تکامل کندتر کمتر به راحتی آشکار می‌کنند.