流感病毒基因组测序和基因特征分析

基因组测序

流感病毒在不断变化。事实上，随着时间的推移，所有流感病毒都会发生基因变化。流感病毒的基因组由构成病毒的所有基因组成。CDC对流行性流感病毒进行全年监测，以监测这些病毒基因组的变化。这项工作是美国常规流感监测的一部分，也是CDC作为世界卫生组织(WHO)流感监测、流行病学和控制合作中心的一部分。CDC从研究流感病毒的基因变化(也称为“替代”或“突变”)中收集的信息发挥着重要的公共卫生作用，有助于确定疫苗和抗病毒药物是否对当前流行的流感病毒有效，以及有助于确定动物中的流感病毒感染人类的可能性。

基因组测序是确定病毒基因组中每个基因的核苷酸顺序或序列(即A、C、G和T/U)的过程。核苷酸是构成核酸的有机分子，如RNA和DNA。所有流感病毒都由单链RNA组成，而不是双链DNA。流感病毒的RNA基因由核苷酸链组成，这些核苷酸链结合在一起，由字母A、C、G和U编码，分别代表腺嘌呤、胞嘧啶、鸟嘌呤和尿嘧啶。全基因组测序可以揭示流感病毒基因组所有基因的大约13，500个字母的序列。

导致季节性流行的两种流感类型(A型和B型)有八个RNA基因片段。这些基因包含制造新病毒的指令，并在流感病毒如何引起感染方面发挥重要作用。流感病毒的表面蛋白血凝素(HA)和神经氨酸酶(NA)决定了病毒的重要特性，并包含在大多数季节性疫苗中，这就是为什么它们被更密切地分析。在典型的一年中，CDC对通过病毒学监测收集的原始临床样本中的约7000种流感病毒进行全基因组测序。

将一种病毒的一个基因中的核苷酸与另一种病毒的核苷酸进行比较，可以揭示两种病毒之间的差异。基因变异很重要，因为它们可以改变构成流感病毒蛋白质的氨基酸，导致蛋白质的结构变化，从而改变病毒的特性。其中一些特性包括逃避人类免疫的能力、在人群中传播的能力以及对流感抗病毒药物的敏感性。蛋白质的这些变化可以以氨基酸取代、插入或缺失的形式出现。

遗传特征

自20世纪80年代以来，CDC和世界各地的其他公共卫生实验室一直在对流感病毒的基因片段进行测序。CDC向公共数据库提供基因序列，例如GenBank和共享禽流感数据全球倡议，供研究人员和公共卫生科学家使用。存入这些数据库的序列使CDC和其他研究人员能够将目前流行的流感病毒的基因与旧流感病毒和疫苗中使用的基因进行比较。这个比较基因序列的过程被称为遗传特征。CDC使用基因鉴定有几个原因，包括:

• 为了确定流感病毒在基因上有多“相关”或相似
• 监测流感病毒如何随时间演变或改变
• 以确定影响病毒特性的基因变化。例如，确定与更容易传播、导致更严重疾病或对抗病毒药物产生耐药性的流感病毒相关的特定变化
• 根据流感疫苗与特定流感病毒的基因相似性来评估流感疫苗对该病毒的保护程度
• 监测在动物群体中传播的流感病毒中可能使它们感染人类的基因变化。

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一组流感病毒之间的遗传差异可以通过将它们组织并显示在一个名为“系统进化树”的图形中来显示流感病毒的系统进化树就像人类的家族(系谱)树。这些树显示了单个病毒之间的密切联系。特定流感病毒的每个序列在树上都有自己的分支。通过比较基因内核苷酸的变化对病毒进行分类。这些分支交汇的“节点”代表了病毒的共同祖先，并表明这些病毒拥有相似的遗传序列。共享一个共同祖先的病毒也可以被描述为属于同一个进化枝。病毒之间的遗传差异程度(核苷酸差异的数量)由系统发育树中水平线(分支)的长度来表示。在系统进化树的横轴上，病毒之间的距离越远，病毒之间的遗传差异就越大。

流感病毒的系统进化树通常显示疫苗病毒和流通病毒的血凝素(HA)基因的核苷酸序列是多么相似。

例如，在CDC对通过监测收集的甲型流感(H3N2)病毒进行测序后，该病毒序列与具有相似HA基因(H3)和相似NA基因(N2)的其他序列一起被编目。CDC将新病毒序列与其他病毒序列进行比较，寻找它们之间的差异。CDC然后使用系统进化树来直观地表示A(H3N2)病毒在基因上的相似程度。在图1中，与病毒d相比，病毒b在基因上更类似于病毒c。病毒b和病毒c共享一个共同的祖先，并且水平分支的总长度较短。

CDC全年都进行流感病毒的基因鉴定。这些基因数据与病毒一起使用抗原特性数据和其他数据，比如人类血清学数据，帮助选择每年流感疫苗的疫苗病毒。每年进行两次分析和选择，为北半球和南半球推荐疫苗病毒。在世卫组织促成的前几个月疫苗咨询会议在提出建议的地方，CDC通过监测收集流感病毒，并将当前疫苗病毒的HA和NA基因序列与正在传播的流感病毒的HA和NA基因序列进行比较。这是疾病预防控制中心评估流行性感冒病毒与季节性流感疫苗所针对的病毒的密切程度的方法之一。

有时在一个季节的过程中，流行的流感病毒会发生基因变化，因此需要进一步分析，以确定它们是否与当前的疫苗病毒保持抗原性相似，或者是否需要在下一个流感季节的疫苗中加入新的病毒。许多其他数据，包括抗原特性调查结果和人类血清学数据，塑造疫苗选择决策。抗原表征是指分析病毒与抗体的反应，以帮助评估它与疫苗病毒和其他流行性流感病毒的关系。

流感基因组测序方法

由于流感病毒不断变化的性质，从患者身上收集的样本包含许多流感病毒颗粒，这些颗粒彼此之间具有微小的遗传差异。传统上，科学家使用一种称为“桑格方法”的测序技术来监测流感的演变，作为基因表征的一部分。Sanger测序确定了在病毒样本中发现的许多流感病毒中的主要基因序列。这意味着样本中病毒数量的微小变化不会反映在最终结果中。较新的技术，如下一代测序(如下所述)，更适合检测病毒基因的微小变异，并为全基因组测序提供了优势。

自2014年以来，CDC一直在使用下一代测序(NGS)方法，这大大扩展了测序分析可以提供的信息量和细节。

在典型的一年中，CDC对通过病毒学监测收集的原始临床标本中的约7000种流感病毒进行全基因组测序。NGS使用先进的分子检测技术(AMD)来识别样本中每种病毒的基因序列。通过揭示单个样本中许多不同流感病毒颗粒之间的遗传变异，NGS可以提高病毒每个蛋白质编码区测序的速度和准确性。这种详细程度可以以重要的方式直接有益于公共卫生决策，但数据必须由训练有素的专家在其他可用信息的背景下仔细解释。

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