การจำแนกชนิดทางพันธุกรรมของไวรัสและวิวัฒนาการชาติพันธุ์

การจำแนกชนิดทางพันธุกรรมของไวรัสและวิวัฒนาการชาติพันธุ์ใช้ข้อมูลลำดับพันธุกรรมของไวรัสเพื่อจำแนกไวรัสออกเป็นจีโนไทป์หรือชนิดย่อย และเพื่อสร้างความสัมพันธ์ทางวิวัฒนาการและการแพร่เชื้อขึ้นใหม่ เนื่องจากไวรัสหลายชนิดที่มีความสำคัญทางคลินิกมีการกลายพันธุ์อย่างรวดเร็ว การวิเคราะห์โดยอาศัยลำดับพันธุกรรมจึงเป็นเครื่องมือสำคัญในการทำความเข้าใจความหลากหลาย การแพร่กระจาย และการปรับตัวของไวรัสเหล่านี้

Definition

การจำแนกชนิดทางพันธุกรรมของไวรัสเป็นการจัดไวรัสให้อยู่ในกลุ่มพันธุกรรมที่กำหนด (จีโนไทป์ ชนิดย่อย หรือเครือญาติ) โดยอิงจากลำดับพันธุกรรมของไวรัส ในขณะที่วิวัฒนาการชาติพันธุ์ของไวรัสจะอนุมานแผนภูมิต้นไม้ทางวิวัฒนาการที่เชื่อมโยงลำดับพันธุกรรมของไวรัส และใช้เพื่อศึกษาต้นกำเนิด ความหลากหลาย และการแพร่เชื้อของไวรัส

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมการจำแนกชนิดทางพันธุกรรมของไวรัสโดยการวิเคราะห์ลำดับพันธุกรรม วิธีการทางวิวัฒนาการชาติพันธุ์ที่ใช้ในการเชื่อมโยงลำดับพันธุกรรมของไวรัส และการประยุกต์ใช้วิธีการเหล่านี้ในการระบาดวิทยาโมเลกุลและการวิเคราะห์กลุ่มการแพร่เชื้อ โดยมีกรอบเป็นหัวข้ออ้างอิงทางห้องปฏิบัติการและการวิเคราะห์มากกว่าคำแนะนำในการจัดการทางคลินิก

Core questions

• ลำดับพันธุกรรมของไวรัสนี้แสดงถึงจีโนไทป์หรือชนิดย่อยใด?
• ลำดับพันธุกรรมของไวรัสที่เก็บตัวอย่างมีความสัมพันธ์กันอย่างไร และแผนภูมิต้นไม้ที่อนุมานได้บ่งชี้ถึงการแพร่เชื้ออย่างไร?
• การกลายพันธุ์และการคัดเลือกมีผลต่อความหลากหลายของไวรัสเมื่อเวลาผ่านไปอย่างไร?
• ความลึกของการหาลำดับพันธุกรรมและวิธีการวิเคราะห์ใดที่เหมาะสมกับคำถาม?

Key concepts

• จีโนไทป์ ชนิดย่อย และเครือญาติของไวรัส
• การจัดเรียงลำดับพันธุกรรม
• การอนุมานแผนภูมิต้นไม้ทางวิวัฒนาการ
• ระบาดวิทยาโมเลกุลและกลุ่มการแพร่เชื้อ
• ฟิโลไดนามิกส์
• การหาลำดับพันธุกรรมแบบแซงเกอร์เทียบกับการหาลำดับพันธุกรรมยุคใหม่ (แบบละเอียด)
• สายพันธุ์ส่วนน้อยและควอซิสปีชีส์

Mechanisms

การจำแนกชนิดทางพันธุกรรมเริ่มต้นด้วยการหาลำดับพันธุกรรมทั้งหมดหรือบางส่วนของจีโนมไวรัส และเปรียบเทียบกับลำดับพันธุกรรมอ้างอิงเพื่อกำหนดกลุ่มพันธุกรรม จากนั้นลำดับพันธุกรรมที่จัดเรียงแล้วจะถูกนำมาใช้อนุมานแผนภูมิต้นไม้ทางวิวัฒนาการโดยวิธีที่อิงระยะทาง (distance-based), ความน่าจะเป็นสูงสุด (maximum-likelihood) หรือเบย์เซียน (Bayesian) ซึ่งดำเนินการในซอฟต์แวร์เช่น MEGA (Kumar et al., 2018) เนื่องจากไวรัสที่วิวัฒนาการอย่างรวดเร็วมีการสะสมการเปลี่ยนแปลงที่วัดได้ในช่วงเวลาสั้นๆ แผนภูมิต้นไม้จึงสามารถนำมารวมกับวันที่เก็บตัวอย่างเพื่อศึกษาว่าการระบาดเติบโตและแพร่กระจายอย่างไร ซึ่งเป็นสาขาของฟิโลไดนามิกส์ (phylodynamics) (Pybus & Rambaut, 2009) เครื่องมือกลุ่มการแพร่เชื้อจะจัดกลุ่มลำดับพันธุกรรมที่ใกล้เคียงกันเพื่อระบุการติดเชื้อที่น่าจะเชื่อมโยงกันในชุดข้อมูลขนาดใหญ่ (Kosakovsky Pond et al., 2018) ความลึกของการหาลำดับพันธุกรรมมีความสำคัญ: การหาลำดับพันธุกรรมแบบละเอียดพิเศษ (ultra-deep sequencing) สามารถเปิดเผยสายพันธุ์ส่วนน้อยที่การหาลำดับพันธุกรรมแบบแซงเกอร์ (Sanger sequencing) พลาดไปได้ แม้ว่าทั้งสองวิธีจะมีความสอดคล้องกันอย่างกว้างขวางสำหรับประชากรที่โดดเด่น (Trabaud et al., 2017)

Clinical relevance

การจำแนกชนิดทางพันธุกรรมของไวรัสและวิวัฒนาการชาติพันธุ์อธิบายว่าห้องปฏิบัติการจำแนกไวรัสและสร้างการแพร่เชื้อขึ้นใหม่ได้อย่างไร ซึ่งให้ข้อมูลสำหรับการเฝ้าระวัง การสอบสวนการระบาด และการติดตามการดื้อยาในระดับประชากร หัวข้อนี้อธิบายว่าหลักฐานดังกล่าวถูกสร้างขึ้นมาได้อย่างไร และไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการตัดสินใจในการวินิจฉัยหรือการรักษาเฉพาะบุคคล

Epidemiology

การวิเคราะห์ทางวิวัฒนาการชาติพันธุ์และฟิโลไดนามิกส์เป็นวิธีการหลักของการระบาดวิทยาโมเลกุลของไวรัส ซึ่งใช้ในการติดตามต้นกำเนิดทางภูมิศาสตร์และการแพร่กระจายของการระบาด และเพื่อกำหนดกลุ่มการแพร่เชื้อภายในประชากร (Pybus & Rambaut, 2009; Kosakovsky Pond et al., 2018)

Evidence & guidelines

แนวปฏิบัติการวิเคราะห์ในหัวข้อนี้อิงตามวิธีการและซอฟต์แวร์ที่เป็นที่ยอมรับสำหรับการอนุมานทางวิวัฒนาการชาติพันธุ์ (Kumar et al., 2018) และการวิเคราะห์การแพร่เชื้อ (Kosakovsky Pond et al., 2018) การศึกษาเปรียบเทียบให้ข้อมูลในการเลือกระหว่างเทคโนโลยีการหาลำดับพันธุกรรม (Trabaud et al., 2017) มาตรฐานการรายงานสำหรับการทดสอบการจำแนกชนิดทางพันธุกรรมทางคลินิกกำหนดโดยองค์กรวิชาชีพและหน่วยงานกำกับดูแล และไม่ได้นำมากล่าวซ้ำในที่นี้

History

วิวัฒนาการชาติพันธุ์ของไวรัสพัฒนาขึ้นเมื่อการหาลำดับพันธุกรรมมีราคาไม่แพง และเมื่อมีการพัฒนาแบบจำลองทางสถิติสำหรับการอนุมานแผนภูมิต้นไม้จากข้อมูลโมเลกุลและบรรจุลงในซอฟต์แวร์ที่เข้าถึงได้ (Kumar et al., 2018) การตระหนักว่าไวรัสที่วิวัฒนาการอย่างเห็นได้ชัดช่วยให้สามารถอนุมานพลวัตทางวิวัฒนาการและระบาดวิทยาได้พร้อมกัน ทำให้เกิดฟิโลไดนามิกส์ (Pybus & Rambaut, 2009) และการหาลำดับพันธุกรรมแบบปริมาณมาก (high-throughput sequencing) ในภายหลังทำให้สามารถวิเคราะห์กลุ่มการแพร่เชื้อขนาดใหญ่ได้ (Kosakovsky Pond et al., 2018)

Debates

ควรเลือกความลึกของการหาลำดับพันธุกรรมสำหรับการจำแนกชนิดทางพันธุกรรมอย่างไร?

การหาลำดับพันธุกรรมแบบละเอียดสามารถตรวจจับสายพันธุ์ส่วนน้อยที่มีความสำคัญทางคลินิกและระบาดวิทยาที่การหาลำดับพันธุกรรมแบบแซงเกอร์พลาดไปได้ แต่เพิ่มต้นทุนและความซับซ้อนทางชีวสารสนเทศ การเปรียบเทียบแสดงให้เห็นความสอดคล้องกันอย่างกว้างขวางสำหรับสายพันธุ์ที่โดดเด่น ทำให้ความลึกที่เหมาะสมขึ้นอยู่กับบริบท

Seminal works

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

Frequently asked questions

ความแตกต่างระหว่างการจำแนกชนิดทางพันธุกรรมและวิวัฒนาการชาติพันธุ์คืออะไร?

การจำแนกชนิดทางพันธุกรรมเป็นการจัดไวรัสเดี่ยวให้อยู่ในหมวดหมู่ทางพันธุกรรมที่กำหนดไว้ล่วงหน้า ในขณะที่วิวัฒนาการชาติพันธุ์เป็นการสร้างความสัมพันธ์ทางวิวัฒนาการระหว่างลำดับพันธุกรรมของไวรัสหลายชนิดขึ้นใหม่ ซึ่งสามารถให้ข้อมูลเกี่ยวกับการกำหนดจีโนไทป์และการวิเคราะห์การแพร่เชื้อได้

เหตุใดวิธีการทางวิวัฒนาการชาติพันธุ์จึงมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับไวรัสโดยเฉพาะ?

ไวรัสหลายชนิดวิวัฒนาการเร็วพอที่จะสะสมการเปลี่ยนแปลงทางพันธุกรรมที่วัดได้ในระหว่างการระบาด ดังนั้นลำดับพันธุกรรมของไวรัสจึงมีข้อมูลเกี่ยวกับวิธีการและเวลาที่ไวรัสแพร่กระจาย ซึ่งสิ่งมีชีวิตที่วิวัฒนาการช้ากว่าจะเปิดเผยได้น้อยกว่า