有些病毒為何頻繁發(fā)生“宿主跳躍”？復(fù)旦團(tuán)隊(duì)揭示跨物種傳播規(guī)律

近年來，偽狂犬、猴痘等病毒從動(dòng)物向人類外溢，引發(fā)新發(fā)傳染病甚至全球大流行的頻率正在顯著增加。如何精準(zhǔn)預(yù)測(cè)和預(yù)報(bào)動(dòng)物源新發(fā)傳染病是關(guān)系綠色健康養(yǎng)殖與公共衛(wèi)生防控的重要科學(xué)問題。

澎湃新聞?dòng)浾邚膹?fù)旦大學(xué)方面獲悉，復(fù)旦大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院粟碩教授團(tuán)隊(duì)與合作者運(yùn)用前沿交叉研究方法，揭示多種哺乳動(dòng)物宏基因組數(shù)據(jù)中的病毒基因組組成、生態(tài)學(xué)特征與跨物種傳播規(guī)律。在“同一健康”理念下，為構(gòu)建人-動(dòng)物-環(huán)境一體化多維度新發(fā)傳染病預(yù)測(cè)預(yù)警體系奠定重要數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

北京時(shí)間9月4日，粟碩教授團(tuán)隊(duì)研究成果以題為“Farmed fur animals harbor viruseswith zoonotic spillover potential”的研究長(zhǎng)文在《自然》發(fā)表。

遴選頻繁發(fā)生“宿主跳躍”的潛在“風(fēng)險(xiǎn)”病毒，解析跨物種傳播規(guī)律

隨著全球城市化進(jìn)程加速，密集的城郊人口、集約化養(yǎng)殖、便捷旅行及環(huán)境變化等社會(huì)生態(tài)因素促使新發(fā)傳染病頻發(fā)。這些傳染病常由動(dòng)物引發(fā)，并在人畜密切接觸、一些衛(wèi)生條件不佳的地區(qū)顯現(xiàn)，公共衛(wèi)生防線前置需求迫在眉睫。

盡管先前大量碎片化的研究提示部分養(yǎng)殖哺乳動(dòng)物具有攜帶人獸共患病毒的潛力，但哺乳動(dòng)物種類多樣，除傳統(tǒng)家畜外，缺乏對(duì)其他養(yǎng)殖哺乳動(dòng)物多地域、多類群、跨物種等不同維度內(nèi)的綜合病毒組挖掘與跨尺度信息整合研究。當(dāng)前這些動(dòng)物的病原生態(tài)學(xué)與流行病學(xué)數(shù)據(jù)存在較大空白，制約了新發(fā)傳染病疫情的精準(zhǔn)防控。

“我們的研究希望填補(bǔ)當(dāng)前對(duì)動(dòng)物攜帶微生物的認(rèn)知空白，尤其是養(yǎng)殖哺乳動(dòng)物。”粟碩表示，大多數(shù)人類病毒都源自動(dòng)物傳播，但究竟哪些動(dòng)物攜帶何種病毒、這些病毒未來是否會(huì)對(duì)人類構(gòu)成潛在威脅，目前仍存在較大不確定性，“如果能提前監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)這些病毒，并部署包括疫苗研發(fā)在內(nèi)的綜合防控措施，這對(duì)于新發(fā)傳染病關(guān)口前移、保障人類健康至關(guān)重要。”

團(tuán)隊(duì)對(duì)來自5個(gè)動(dòng)物目的哺乳動(dòng)物進(jìn)行了系統(tǒng)的宏基因組研究，鑒定了125種病毒基因組，其中39種可推定為新的病毒種，豐富了養(yǎng)殖哺乳動(dòng)物攜帶病毒的種類。使用生態(tài)學(xué)地理分布、進(jìn)化動(dòng)力學(xué)、公共大數(shù)據(jù)等多學(xué)科交叉方法，團(tuán)隊(duì)遴選出諾如病毒、蓋塔病毒等多種頻繁發(fā)生“宿主跳躍”的潛在“風(fēng)險(xiǎn)”病毒，解析其跨物種傳播規(guī)律，并從空間聚類、動(dòng)物類群、種群、組織等多維度揭示了潛在“風(fēng)險(xiǎn)”病毒的生態(tài)學(xué)與流行病學(xué)特征。

從海量的原始數(shù)據(jù)中篩選出病毒信號(hào)，確定真正的病毒序列

下一代測(cè)序技術(shù)的成熟推動(dòng)了全球基因組學(xué)的挖掘與共享進(jìn)程，在既往的組學(xué)研究中，研究人員通常按物種或采樣地點(diǎn)進(jìn)行混樣，從而初步解析病毒多樣性。然而，傳統(tǒng)的混合樣本測(cè)序無法清晰揭示個(gè)體之間或生態(tài)系統(tǒng)中不同組成部分之間的關(guān)系，還存在樣本主要集中于糞便、難以區(qū)分環(huán)境污染等問題。此外，低豐度病毒面臨基因組碎片化、片段化的挑戰(zhàn)，混合樣本難以實(shí)現(xiàn)病毒片段的精準(zhǔn)分類，大大制約了病毒基因組的獲取。

針對(duì)這些局限，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了單組織單樣本的建庫策略，實(shí)現(xiàn)了在個(gè)體水平解析病毒共感染以及更靈敏的挖掘低豐度病毒。研究在166個(gè)單組織文庫里鑒定到2種以上的病毒，發(fā)現(xiàn)星狀病毒、細(xì)小病毒等與其他病毒頻繁發(fā)生共感染。通過對(duì)低豐度病毒片段的精準(zhǔn)拼接，避免了真陽性病毒因豐度閾值而被過濾，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)病毒的90%基因組完成度。

“我們采用的新方法可以精確地在個(gè)體層面解析病毒共感染狀況，并能更靈敏地檢測(cè)低豐度病毒，揭示出動(dòng)物組織器官、個(gè)體乃至群體間的多層次病原分布情況，從而獲得更為豐富和高分辨率的數(shù)據(jù)。”粟碩介紹。這意味著研究人員能獲得更加細(xì)致的分析結(jié)果、進(jìn)行更深入的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，從而揭示不同尺度上的病原生態(tài)學(xué)問題。

研究團(tuán)隊(duì)的跨學(xué)科交叉研究方法，為其他新發(fā)病原體的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估樹立了范例，為構(gòu)建多維度新發(fā)傳染病風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系奠定了基礎(chǔ)。這不僅對(duì)公共衛(wèi)生領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，同時(shí)也為病毒學(xué)、生態(tài)學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域提供了新的研究視角和方法指引。

在將近三年的研究過程中，團(tuán)隊(duì)面臨的最大挑戰(zhàn)在于海量宏基因組數(shù)據(jù)的處理與分析。“分析這些數(shù)據(jù)需要過硬的生物信息學(xué)能力。我們要從海量的原始數(shù)據(jù)中篩選出病毒信號(hào)，并確定哪些是真正的病毒序列。”粟碩帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)構(gòu)建高效的一體化宏病毒組注釋管道，用于數(shù)據(jù)清洗、病毒識(shí)別和生物信息學(xué)分析，成功攻克這一難題。

課題組研究生努力突破研究瓶頸

豐富病毒本底數(shù)據(jù)，為新發(fā)病毒預(yù)測(cè)預(yù)警提供支撐

研究獲得的病毒數(shù)據(jù)，豐富了哺乳動(dòng)物的病毒本底數(shù)據(jù)，通過揭示養(yǎng)殖哺乳動(dòng)物體內(nèi)病毒的復(fù)雜組成，探索病毒跨物種傳播的潛力，該研究強(qiáng)調(diào)了將公共衛(wèi)生安全防線前移的重要性。

“現(xiàn)階段潛在風(fēng)險(xiǎn)病原體并沒有公共衛(wèi)生風(fēng)險(xiǎn)，但對(duì)于那些在動(dòng)物中已經(jīng)表現(xiàn)出較高流行趨勢(shì)的病原體，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)其在動(dòng)物中的監(jiān)測(cè)和防控。”粟碩表示，蓋塔病毒已在我國(guó)多種養(yǎng)殖和野生動(dòng)物中被監(jiān)測(cè)到，具有頻繁跨物種傳播能力，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)蓋塔病毒的監(jiān)測(cè)并盡早儲(chǔ)備動(dòng)物疫苗，保障動(dòng)物健康養(yǎng)殖以及預(yù)防其潛在跨物種傳播風(fēng)險(xiǎn)。

近年來，復(fù)旦大學(xué)粟碩團(tuán)隊(duì)致力于應(yīng)用多學(xué)科交叉技術(shù)進(jìn)行新發(fā)病毒綜合防控研究。此前團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在《細(xì)胞》雜志發(fā)表多篇論文，揭示了哪些動(dòng)物攜帶和可能傳播風(fēng)險(xiǎn)病原，討論了針對(duì)公共衛(wèi)生防控在未來可采用的宏基因組和多種交叉研究全新監(jiān)測(cè)方法。2024年8月，團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)邀在Cell上發(fā)表對(duì)全球高致病性禽流感A(H5N1)疫情防控的觀點(diǎn)。文章針對(duì)H5N1在美國(guó)奶牛場(chǎng)暴發(fā)且出現(xiàn)突變病毒(PB2-E627K)外溢到四名奶牛場(chǎng)工人的案例，強(qiáng)調(diào)了養(yǎng)殖動(dòng)物是除禽類以外的人類感染的潛在前線，提出了在環(huán)境-動(dòng)物-人類界面上跨學(xué)科研究、全景監(jiān)測(cè)防控禽流感病毒的前沿觀點(diǎn)。

論文的前三位共同第一作者均是課題組在讀研究生。下一步，團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)聚焦于人和動(dòng)物新發(fā)病毒的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)和綜合防控研究，將病毒宏基因組等新技術(shù)與傳統(tǒng)的流行病學(xué)數(shù)據(jù)、環(huán)境和生態(tài)因素相結(jié)合，并針對(duì)研究瓶頸按需求開發(fā)新的生物信息分析方法，力爭(zhēng)為傳染病防控和公共衛(wèi)生安全提供更有力的科學(xué)支撐。