Định kiểu gen và phát sinh chủng loại vi rút

Định kiểu gen và phát sinh chủng loại vi rút sử dụng dữ liệu trình tự vi rút để phân loại vi rút thành các kiểu gen hoặc phân nhóm và để tái tạo các mối quan hệ tiến hóa và lây truyền của chúng. Bởi vì nhiều vi rút quan trọng về mặt lâm sàng đột biến nhanh chóng, phân tích dựa trên trình tự là một công cụ trung tâm để hiểu sự đa dạng, lây lan và thích nghi của chúng.

Definition

Định kiểu gen vi rút gán một vi rút vào một nhóm di truyền xác định (kiểu gen, phân nhóm hoặc nhánh) dựa trên trình tự của nó, trong khi phát sinh chủng loại vi rút suy luận cây tiến hóa liên quan đến các trình tự vi rút và sử dụng nó để nghiên cứu nguồn gốc, sự đa dạng hóa và lây truyền của chúng.

Scope

Chủ đề này bao gồm việc định kiểu gen của vi rút bằng phân tích trình tự, các phương pháp phát sinh chủng loại được sử dụng để liên hệ các trình tự vi rút, và ứng dụng của các phương pháp này vào dịch tễ học phân tử và phân tích cụm lây truyền. Nó được trình bày như một chủ đề tham khảo về phòng thí nghiệm và phân tích hơn là lời khuyên về quản lý lâm sàng.

Core questions

• Trình tự vi rút này đại diện cho kiểu gen hoặc phân nhóm nào?
• Các trình tự vi rút được lấy mẫu có liên quan như thế nào, và cây suy luận ngụ ý gì về sự lây truyền?
• Đột biến và chọn lọc định hình sự đa dạng của vi rút theo thời gian như thế nào?
• Độ sâu giải trình tự và phương pháp phân tích nào phù hợp với câu hỏi?

Key concepts

• Kiểu gen, phân nhóm và nhánh vi rút
• Căn chỉnh trình tự
• Suy luận cây phát sinh chủng loại
• Dịch tễ học phân tử và các cụm lây truyền
• Phát sinh động lực học
• Giải trình tự Sanger so với giải trình tự thế hệ tiếp theo (sâu)
• Các biến thể thiểu số và quần thể giả loài

Mechanisms

Định kiểu gen bắt đầu bằng việc giải trình tự toàn bộ hoặc một phần bộ gen vi rút và so sánh nó với các trình tự tham chiếu để gán một nhóm di truyền. Các trình tự đã được căn chỉnh sau đó được sử dụng để suy luận một cây phát sinh chủng loại bằng các phương pháp dựa trên khoảng cách, khả năng tối đa hoặc Bayes, được triển khai trong phần mềm như MEGA (Kumar et al., 2018). Bởi vì các vi rút tiến hóa nhanh chóng tích lũy sự thay đổi có thể đo lường được trong thời gian ngắn, các cây có thể được kết hợp với ngày lấy mẫu để nghiên cứu cách các dịch bệnh phát triển và lây lan — lĩnh vực phát sinh động lực học (Pybus & Rambaut, 2009). Các công cụ cụm lây truyền nhóm các trình tự có liên quan chặt chẽ để xác định các trường hợp nhiễm trùng có khả năng liên quan trong các tập dữ liệu lớn (Kosakovsky Pond et al., 2018). Độ sâu giải trình tự rất quan trọng: giải trình tự siêu sâu có thể tiết lộ các biến thể thiểu số mà giải trình tự Sanger bỏ sót, mặc dù hai phương pháp này nhìn chung tương đồng đối với các quần thể chiếm ưu thế (Trabaud et al., 2017).

Clinical relevance

Định kiểu gen và phát sinh chủng loại vi rút mô tả cách các phòng thí nghiệm phân loại vi rút và tái tạo sự lây truyền, cung cấp thông tin cho giám sát, điều tra dịch bệnh và theo dõi kháng thuốc ở cấp độ quần thể. Chủ đề này giải thích cách tạo ra bằng chứng như vậy và không phải là cơ sở cho các quyết định chẩn đoán hoặc điều trị cá nhân.

Epidemiology

Phân tích phát sinh chủng loại và phát sinh động lực học là các phương pháp cốt lõi của dịch tễ học phân tử vi rút, được sử dụng để theo dõi nguồn gốc địa lý và sự lây lan của dịch bệnh và để phân định các cụm lây truyền trong quần thể (Pybus & Rambaut, 2009; Kosakovsky Pond et al., 2018).

Evidence & guidelines

Thực hành phân tích trong chủ đề này dựa trên các phương pháp và phần mềm đã được thiết lập để suy luận phát sinh chủng loại (Kumar et al., 2018) và phân tích lây truyền (Kosakovsky Pond et al., 2018). Các nghiên cứu so sánh cung cấp thông tin cho việc lựa chọn giữa các công nghệ giải trình tự (Trabaud et al., 2017). Các tiêu chuẩn báo cáo cho các xét nghiệm định kiểu gen lâm sàng được thiết lập bởi các cơ quan chuyên môn và quản lý và không được tái tạo ở đây.

History

Phát sinh chủng loại vi rút trưởng thành khi việc giải trình tự trở nên phải chăng và khi các mô hình thống kê để suy luận cây từ dữ liệu phân tử được phát triển và đóng gói thành phần mềm dễ tiếp cận (Kumar et al., 2018). Việc nhận ra rằng các vi rút tiến hóa có thể đo lường được cho phép suy luận chung về động lực học tiến hóa và dịch tễ học đã tạo ra phát sinh động lực học (Pybus & Rambaut, 2009), và giải trình tự thông lượng cao sau đó đã cho phép phân tích cụm lây truyền quy mô lớn (Kosakovsky Pond et al., 2018).

Debates

Nên chọn độ sâu giải trình tự như thế nào để định kiểu gen?

Giải trình tự sâu có thể phát hiện các biến thể thiểu số có liên quan về mặt lâm sàng và dịch tễ học mà giải trình tự Sanger bỏ sót, nhưng nó làm tăng chi phí và độ phức tạp tin sinh học; các so sánh cho thấy sự tương đồng rộng rãi đối với các biến thể chiếm ưu thế, khiến độ sâu tối ưu phụ thuộc vào ngữ cảnh.

Seminal works

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

Frequently asked questions

Sự khác biệt giữa định kiểu gen và phát sinh chủng loại là gì?

Định kiểu gen đặt một vi rút đơn lẻ vào một danh mục di truyền được xác định trước, trong khi phát sinh chủng loại tái tạo các mối quan hệ tiến hóa giữa nhiều trình tự vi rút, từ đó có thể cung cấp thông tin cho việc gán kiểu gen và phân tích lây truyền.

Tại sao các phương pháp phát sinh chủng loại lại đặc biệt quan trọng đối với vi rút?

Nhiều vi rút tiến hóa đủ nhanh để tích lũy sự thay đổi di truyền có thể đo lường được trong một đợt bùng phát, vì vậy trình tự của chúng mang thông tin về cách thức và thời điểm chúng lây lan, điều mà các sinh vật tiến hóa chậm hơn ít bộc lộ rõ ràng hơn.