Вирусное генотипирование и филогенетика

Вирусное генотипирование и филогенетика используют данные вирусных последовательностей для классификации вирусов по генотипам или подтипам и для реконструкции их эволюционных и трансмиссионных связей. Поскольку многие клинически значимые вирусы быстро мутируют, анализ на основе последовательностей является центральным инструментом для понимания их разнообразия, распространения и адаптации.

Definition

Вирусное генотипирование относит вирус к определенной генетической группе (генотипу, подтипу или кладе) на основе его последовательности, тогда как вирусная филогенетика выводит эволюционное древо, связывающее вирусные последовательности, и использует его для изучения их происхождения, диверсификации и передачи.

Scope

Тема охватывает генотипирование вирусов методом анализа последовательностей, филогенетические методы, используемые для установления связей между вирусными последовательностями, и применение этих методов в молекулярной эпидемиологии и анализе кластеров передачи. Она рассматривается как лабораторная и аналитическая справочная тема, а не как руководство по клиническому ведению.

Core questions

• Какой генотип или подтип представляет эта вирусная последовательность?
• Как связаны отобранные вирусные последовательности, и что подразумевает выведенное древо относительно передачи?
• Как мутации и отбор формируют вирусное разнообразие с течением времени?
• Какая глубина секвенирования и аналитический метод подходят для данного вопроса?

Key concepts

• Вирусный генотип, подтип и клада
• Выравнивание последовательностей
• Построение филогенетического древа
• Молекулярная эпидемиология и кластеры передачи
• Филодинамика
• Секвенирование по Сэнгеру против секвенирования нового поколения (глубокого)
• Минорные варианты и квазивиды

Mechanisms

Генотипирование начинается с секвенирования всего вирусного генома или его части и сравнения его с референсными последовательностями для присвоения генетической группы. Выровненные последовательности затем используются для построения филогенетического древа с помощью дистанционных методов, методов максимального правдоподобия или байесовских методов, реализованных в таких программах, как MEGA (Kumar et al., 2018). Поскольку быстро эволюционирующие вирусы накапливают измеримые изменения за короткие периоды, деревья могут быть объединены с датами отбора проб для изучения того, как эпидемии развиваются и распространяются — область филодинамики (Pybus & Rambaut, 2009). Инструменты для анализа кластеров передачи группируют тесно связанные последовательности для выявления вероятно связанных инфекций в больших наборах данных (Kosakovsky Pond et al., 2018). Глубина секвенирования имеет значение: ультраглубокое секвенирование может выявить минорные варианты, которые пропускает секвенирование по Сэнгеру, хотя эти два подхода в целом согласуются для доминирующих популяций (Trabaud et al., 2017).

Clinical relevance

Вирусное генотипирование и филогенетика описывают, как лаборатории классифицируют вирусы и реконструируют передачу, предоставляя информацию для эпиднадзора, расследования вспышек и мониторинга резистентности на популяционном уровне. Тема объясняет, как генерируются такие данные, и не является основой для индивидуальных диагностических или лечебных решений.

Epidemiology

Филогенетический и филодинамический анализы являются основными методами вирусной молекулярной эпидемиологии, используемыми для отслеживания географического происхождения и распространения эпидемий, а также для определения кластеров передачи внутри популяций (Pybus & Rambaut, 2009; Kosakovsky Pond et al., 2018).

Evidence & guidelines

Аналитическая практика в этой области опирается на установленные методы и программное обеспечение для филогенетического вывода (Kumar et al., 2018) и анализа передачи (Kosakovsky Pond et al., 2018). Сравнительные исследования определяют выбор между технологиями секвенирования (Trabaud et al., 2017). Стандарты отчетности для клинических анализов генотипирования устанавливаются профессиональными и регулирующими органами и здесь не воспроизводятся.

History

Вирусная филогенетика развивалась по мере того, как секвенирование становилось доступным, а статистические модели для построения деревьев по молекулярным данным разрабатывались и упаковывались в доступное программное обеспечение (Kumar et al., 2018). Признание того, что измеримо эволюционирующие вирусы позволяют совместно выводить эволюционную и эпидемиологическую динамику, привело к появлению филодинамики (Pybus & Rambaut, 2009), а высокопроизводительное секвенирование позднее позволило проводить крупномасштабный анализ кластеров передачи (Kosakovsky Pond et al., 2018).

Debates

Как следует выбирать глубину секвенирования для генотипирования?

Глубокое секвенирование может выявлять клинически и эпидемиологически значимые минорные варианты, которые пропускает секвенирование по Сэнгеру, но оно увеличивает затраты и биоинформатическую сложность; сравнения показывают широкое соответствие для доминирующих вариантов, оставляя оптимальную глубину контекстно-зависимой.

Seminal works

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

Frequently asked questions

В чем разница между генотипированием и филогенетикой?

Генотипирование помещает отдельный вирус в предопределенную генетическую категорию, тогда как филогенетика реконструирует эволюционные связи между многими вирусными последовательностями, что, в свою очередь, может информировать о присвоении генотипа и анализе передачи.

Почему филогенетические методы так важны именно для вирусов?

Многие вирусы эволюционируют достаточно быстро, чтобы накапливать измеримые генетические изменения во время вспышки, поэтому их последовательности несут информацию о том, как и когда они распространяются, что менее очевидно для медленно эволюционирующих организмов.