GenoLab M助力湖北省疾病预防控制中心发布人类腺病毒遗传特征分析研究成果
时间:
2024-02-06
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近日,真迈生物的合作单位湖北省疾病预防控制中心在《Frontiers in Microbiology》杂志上发表了题为“Genetic characterization of human adenoviruses in patients using metagenomic next-generation sequencing in Hubei, China, from 2018 to 2019”的研究成果。该研究基于真迈生物GenoLab M高通量基因测序平台与Illumina的NextSeq 550高通量基因测序平台,对湖北省某儿童医院25例上呼吸道感染患者的鼻咽拭子样本进行mNGS测序。基于测序的分析结果,探讨了病原基因组组装的准确性,以及两个平台在病原微生物mNGS检测方面的一致性,随后,对完整组装的HAdVs基因组特征进行了全方位的剖析,为中国HAdVs流行病学调查及公共卫生安全提供新的见解。



*以下为该研究成果解读


背景简介

腺病毒(Human adenoviruses,HAdVs) 是人呼吸道感染常见的病原体之一,可引起广泛的临床疾病,包括肺炎、支气管炎、膀胱炎、眼结膜炎、胃肠道疾病及脑炎等,在儿童及免疫功能缺陷患者中症状尤其严重。HAdVs基因型别众多,且不同型别间或同一型别内均可发生重组,导致新的毒株产生,对公共卫生安全产生极大的影响。传统对HAdVs的诊断及分型主要依赖病毒分离培养、血清学及关键衣壳蛋白(capsid)基因的PCR鉴定,费时费力,且对中和抗体等试剂依赖程度很高。基于mNGS的病原微生物诊断,可以直接对临床样本中的核酸进行高通量测序,而不依赖微生物的分离和培养,能够快速、客观地检测临床样本中所有未知的病原微生物,已成为感染性疾病精准诊断的重要工具。此外,通过对mNGS序列进行病原体基因组组装,可以在基因组和基因层面对病原体进行深入的探究。



结果概要

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研究框架

本研究于2018~2019年,在湖北省咸宁市某医院收集400例流感样上呼吸道感染患者的鼻咽拭子样本,对常见呼吸道病毒病原体进行筛查后,确定21例HAdVs阳性患者,共获得25份样本(包含4例病毒分离培养样本)。随后,将这25个样本分别使用GenoLab M及NextSeq 550平台进行宏基因组测序和相关分析。


2


mNGS组装完整性及准确性评估

本研究首先对所有下机数据进行测序质量评估,确定GenoLab M及NextSeq 550平台均可获得可靠的mNGS测序数据。随后对测序reads进行de novo组装,并评估了组装的完整度及准确性。结果表明:①在组装完整性方面(指标:contig数量, N50, N90, 最大contig长度,覆盖度),两平台基本一致;②在组装准确性方面(指标:组装的基因组与参考基因组的比对率),GenoLab M平台88% (22/25)的样本,NextSeq 550平台84% (21/25)的样本,获得了>90%的比对率。说明两平台组装的基因组准确性均较高,可以进行后续基因组特征的分析。

Table1 GenoLab M与NextSeq 550组装参数表

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平台间mNGS物种注释结果比较

研究人员对两个平台的mNGS数据进行了物种注释,发现检出的微生物种类及丰度高度一致,且HAdVs含量丰富。临床样本相对病毒分离培养的样本,检出的微生物种类更为复杂。SE75(图1B)模拟测序与SE150(图1A)测序获得一致的物种注释结果,说明在基于mNGS的HAdVs感染诊断中,测序时间更短的SE75模式同样适用,可以实现更快速的病原体诊断。

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图1 mNGS物种注释结果比较


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HAdVs基因型分类及进化树分析

该研究对25个测序样本进行了HAdVs分型,共鉴定得到7种HAdVs基因型:HAdV-B3 (n=9),B7 (n=1),B55 (n=2);HAdV-C1 (n=2),C2 (n=6),C5 (n=1);以及HAdV-E4 (n=4)。结果表明,在湖北咸宁地区,HAdV基因型多样性较高,且以B3, C2和E4为主。不同的基因型聚类为不同的进化分支,同一基因型的不同分离株聚类为同一分支。

GenoLab M助力湖北省疾病预防控制中心发布人类腺病毒遗传特征分析研究成果

图2 HAdVs基因型分类及进化树分析


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不同基因型的全基因组进化树分析

为进一步探讨不同型别的分离株与已发现的参考毒株的进化关系,研究人员对HAdV-B,C,E毒株分别进行了全基因组进化分析。结果表明:①新鉴定的分离株与对应的参考毒株形成预期的聚类,且与当地广泛流传的毒株进化关系密切;②B3基因型已开始形成新的聚类分支,需加强流行病学监测;③S64、S71和S28分离株经重组及全基因组比对分析,确定为重组毒株。

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图3 不同基因型全基因组进化树分析


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核苷酸一致性和多样性分析

全基因组核苷酸一致性分析表明,HAdVs不同型别间具有较高的进化保守性,HAdV-B, C和E基因组一致性分别达到93.52%,97.49%和96.99%。三个关键capsid基因——penton,hexonfiber的多样性分析表明:penton基因在HAdV-C中更为保守,在HAdV-B中多样性很高,且存在两个明显的高变区;hexon基因在HAdV-B和C中多样性更高,同样存在两个高变区,形成中和抗体识别的表位;fiber基因在三种基因型中,多样性都很高,其C端的γ表位参与血凝抑制,决定病毒的组织偏好性(嗜性)。

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图4 病毒全基因组及关键capsid基因核苷酸一致性及多样性分析



结论

基于上述分析,我们得出如下结论:

1、mNGS可以应用于临床样本HAdVs的快速诊断;

2、通过de novo组装可以得到完整的病毒基因组,其准确性及完整度满足后续基因层面的分析要求;

3、新鉴定的HAdV-B3分离株形成明显的新聚类,且与北京株亲缘关系密切,提示区域传播的可能;

4、本次检测到3个HAdV重组病毒株,属于HAdV-B55及HAdV-C2基因型;

5、Capsid基因存在高核苷酸多样性和高频的重组事件,提示在中国进行HAdV流行病学监测的必要性。


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