ウイルスの遺伝子型判定と系統解析

ウイルスの遺伝子型判定と系統解析は、ウイルスの配列データを用いて、ウイルスを遺伝子型や亜型に分類し、その進化および伝播の関係を再構築するものです。臨床的に重要なウイルスの多くは急速に変異するため、配列に基づく解析は、ウイルスの多様性、拡散、適応を理解するための中心的なツールとなっています。

Definition

ウイルスの遺伝子型判定は、ウイルスの配列に基づいて、ウイルスを定義された遺伝子群（遺伝子型、亜型、またはクレード）に割り当てるものであり、ウイルスの系統解析は、ウイルスの配列間の進化的樹形図を推定し、それを用いてウイルスの起源、多様化、伝播を研究するものです。

Scope

このトピックは、配列解析によるウイルスの遺伝子型判定、ウイルスの配列を関連付けるために用いられる系統解析手法、およびこれらの手法の分子疫学と伝播クラスター解析への応用を扱います。臨床管理のアドバイスではなく、実験室および分析の参考トピックとして構成されています。

Core questions

• このウイルス配列はどの遺伝子型または亜型を表していますか？
• サンプリングされたウイルス配列はどのように関連しており、推定された樹形図は伝播について何を意味しますか？
• 変異と選択は時間の経過とともにウイルスの多様性をどのように形成しますか？
• 質問に対して適切なシーケンス深度と分析方法はどれですか？

Key concepts

• ウイルスの遺伝子型、亜型、クレード
• 配列アラインメント
• 系統樹の推定
• 分子疫学と伝播クラスター
• 系統動態学 (Phylodynamics)
• サンガーシーケンスと次世代（ディープ）シーケンス
• マイノリティバリアントとクアジスピーシーズ

Mechanisms

遺伝子型判定は、ウイルスゲノムの全部または一部をシーケンスし、それを参照配列と比較して遺伝子群を割り当てることから始まります。その後、アラインメントされた配列は、MEGA (Kumar et al., 2018) などのソフトウェアに実装されている距離ベース、最尤法、またはベイズ法によって系統樹を推定するために使用されます。急速に進化するウイルスは短期間で測定可能な変化を蓄積するため、樹形図をサンプリング日付と組み合わせることで、流行がどのように発生し、広がるかを研究することができます。これは系統動態学 (phylodynamics) の分野です (Pybus & Rambaut, 2009)。伝播クラスターツールは、密接に関連する配列をグループ化して、大規模なデータセットにおける感染の関連性を特定します (Kosakovsky Pond et al., 2018)。シーケンス深度は重要です。超深度シーケンスは、サンガーシーケンスでは見逃されるマイノリティバリアントを検出できますが、両アプローチは優勢な集団については概ね一致しています (Trabaud et al., 2017)。

Clinical relevance

ウイルスの遺伝子型判定と系統解析は、検査室がウイルスを分類し、伝播を再構築する方法を記述し、サーベイランス、アウトブレイク調査、集団レベルの耐性モニタリングに情報を提供します。このトピックは、そのようなエビデンスがどのように生成されるかを説明するものであり、個別の診断や治療の決定の根拠となるものではありません。

Epidemiology

系統解析および系統動態解析は、ウイルスの分子疫学における中心的な手法であり、流行の地理的起源と拡散を追跡し、集団内の伝播クラスターを特定するために使用されます (Pybus & Rambaut, 2009; Kosakovsky Pond et al., 2018)。

Evidence & guidelines

このトピックにおける分析の実践は、系統推定 (Kumar et al., 2018) および伝播解析 (Kosakovsky Pond et al., 2018) のための確立された手法とソフトウェアに基づいています。比較研究は、シーケンス技術の選択に情報を提供します (Trabaud et al., 2017)。臨床遺伝子型判定アッセイの報告基準は、専門機関および規制機関によって定められており、ここでは再現されていません。

History

ウイルスの系統解析は、シーケンスが手頃な価格になり、分子データから樹形図を推定するための統計モデルが開発され、アクセスしやすいソフトウェアにパッケージ化されるにつれて成熟しました (Kumar et al., 2018)。測定可能な進化をするウイルスが、進化的および疫学的動態の共同推定を可能にするという認識は、系統動態学 (phylodynamics) を生み出し (Pybus & Rambaut, 2009)、その後、ハイスループットシーケンスによって大規模な伝播クラスター解析が可能になりました (Kosakovsky Pond et al., 2018)。

Debates

遺伝子型判定のためのシーケンス深度はどのように選択すべきか？

ディープシーケンスは、サンガーシーケンスでは見逃される臨床的および疫学的に関連するマイノリティバリアントを検出できますが、コストとバイオインフォマティクス的な複雑さが増します。比較研究では、優勢なバリアントについては広範な一致が示されており、最適な深度は状況に依存します。

Seminal works

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

Frequently asked questions

遺伝子型判定と系統解析の違いは何ですか？

遺伝子型判定は、単一のウイルスを事前に定義された遺伝子カテゴリーに分類するのに対し、系統解析は、多くのウイルス配列間の進化的関係を再構築し、それが遺伝子型割り当てや伝播解析に情報を提供することができます。

なぜ系統解析手法は特にウイルスにとって重要なのでしょうか？

多くのウイルスは、アウトブレイク中に測定可能な遺伝的変化を蓄積するのに十分な速さで進化するため、その配列には、どのように、いつ拡散したかについての情報が含まれています。これは、進化の遅い生物ではあまり明らかではありません。