Вирусная метагеномика
Вирусная метагеномика использует метагеномные технологии для обнаружения вирусного геномного материала из различных экологических и клинических образцов. [1] [2] Вирусы являются наиболее распространенным биологическим объектом и чрезвычайно разнообразны; однако секвенирована лишь небольшая часть вирусов и лишь еще меньшая часть выделена и культивирована. [1] [3] Секвенирование вирусов может быть сложной задачей, поскольку у вирусов отсутствует универсально консервативный маркерный ген, поэтому подходы, основанные на генах, ограничены. [3] [4] Метагеномика может использоваться для изучения и анализа некультивируемых вирусов и стала важным инструментом для понимания разнообразия и численности вирусов, а также для открытия новых вирусов. [1] [5] [6] Например, методы метагеномики использовались для описания вирусов, связанных с раковыми опухолями и в наземных экосистемах. [7]
История
[ редактировать ]Традиционные методы обнаружения, характеристики и присвоения вирусной систематики вирусам основывались на выделении вирусной частицы или ее нуклеиновой кислоты из образцов. [8] Морфологию вируса можно было визуализировать с помощью электронной микроскопии, но только в том случае, если вирус можно было выделить в достаточно высоком титре, чтобы его можно было обнаружить. Вирус можно культивировать в линиях эукариотических клеток или бактериях, но только в том случае, если известен соответствующий тип клеток-хозяев и нуклеиновая кислота вируса может быть обнаружена с помощью ПЦР, но только в том случае, если известен консенсусный праймер. [8]
Метагеномика не требует предварительного знания вирусного генома, поскольку не требует универсального маркерного гена, праймера или конструкции зонда. [9] Поскольку в этом методе используются инструменты прогнозирования для обнаружения вирусного содержания образца, его можно использовать для идентификации новых видов вирусов или отличающихся представителей известных видов.
Самые ранние метагеномные исследования вирусов были проведены на образцах океана в 2002 году. Последовательности, которые соответствовали указанным последовательностям, представляли собой преимущественно двухцепочечные ДНК бактериофагов и двухцепочечные вирусы водорослей. [10]
В 2016 году Международный комитет по таксономии вирусов (ICTV) официально признал, что вирусные геномы, собранные на основе метагеномных данных, могут быть классифицированы с использованием тех же процедур, что и вирусы, выделенные с помощью классических вирусологических подходов. [11]
Проблемы
[ редактировать ]Вирусная темная материя
[ редактировать ]В ходе метагеномного исследования 2002 года исследователи обнаружили, что 65% последовательностей ДНК и РНК вирусов не имеют совпадений в справочных базах данных. [10] Этот феномен несовпадающих вирусных последовательностей в базах данных справочных последовательностей широко распространен в исследованиях вирусной метагеномики и называется «вирусной темной материей». [3] [8] В основном это вызвано отсутствием полных последовательностей вирусного генома в различных образцах в справочных базах данных и быстрой скоростью вирусной эволюции. [3] [8]
Разнообразие типов нуклеиновых кислот вируса
[ редактировать ]В дополнение к этим проблемам существует семь классов вирусов, основанных на системе классификации Балтимора, которая группирует вирусы на основе их геномной структуры и способа транскрипции: существуют вирусы с двухцепочечной ДНК, вирусы с одноцепочечной ДНК и вирусы с двухцепочечной РНК. и одноцепочечный РНК-вирус. [12] Одноцепочечная РНК может иметь положительный или отрицательный смысл. Эти разные типы нуклеиновых кислот требуют разных подходов к секвенированию, и не существует универсального генного маркера, консервативного для всех типов вирусов. [3] [4] Подходы, основанные на генах, могут быть нацелены только на определенные группы вирусов (например, РНК-вирусы, которые имеют консервативную последовательность РНК-полимеразы). [3] [4]
Смещение ДНК-вируса
[ редактировать ]В справочных базах данных по-прежнему сохраняется уклон в сторону ДНК-вирусов. Общие причины этой систематической ошибки заключаются в том, что РНК-вирусы мутируют быстрее, чем ДНК-вирусы, ДНК легче получить из образцов, в то время как РНК нестабильна, и для метагеномного анализа РНК (обратная транскрипция) требуется больше шагов. [4] [8]
Последовательность загрязнения
[ редактировать ]Последовательности могут быть загрязнены последовательностями организма-хозяина, что особенно неприятно, если организм-хозяин вируса неизвестен. [4] Также может быть загрязнение в результате экстракции нуклеиновых кислот и ПЦР. [4]
Методы
[ редактировать ]Нецелевая метагеномика
[ редактировать ]Метагеномный анализ использует полногеномное секвенирование для характеристики микробного разнообразия в клинических и экологических образцах. Тотальную ДНК и/или РНК экстрагируют из образцов и готовят на основе библиотеки ДНК или РНК для секвенирования. [9] Эти методы использовались для секвенирования всего генома вируса Эпштейна-Барр (EBV) и HCV , однако загрязняющие нуклеиновые кислоты хозяина могут повлиять на чувствительность к целевому вирусному геному, при этом доля считываний, связанных с целевой последовательностью, часто бывает низкой. [13] [14]
Система IMG/VR и IMG/VR v.2.0 представляют собой крупнейшие интерактивные общедоступные базы данных вирусов, содержащие более 760 000 метагеномных вирусных последовательностей и изолятов вирусов, и служат отправной точкой для анализа последовательностей вирусных фрагментов, полученных из метагеномных образцов. [15] [16]
Целевая метагеномика: секвенирование ампликонов
[ редактировать ]В то время как нецелевая метагеномика и метатранскриптомика не нуждаются в генетическом маркере, секвенирование ампликонов нуждается в нем. В качестве генетического маркера используется высококонсервативный ген, но из-за различных типов нуклеиновых кислот используемый маркер должен быть предназначен для определенных групп вирусов. [3] [4] Это делается посредством ПЦР-амплификации праймеров, которые комплементарны известной высококонсервативной нуклеотидной последовательности. [9] Затем ПЦР сопровождается методами полногеномного секвенирования и используется для отслеживания вируса Эбола . [17] Вирус Зика , [18] и COVID-19 [19] эпидемии. Секвенирование ПЦР-ампликонов более успешно при полногеномном секвенировании образцов с низкими концентрациями. Однако при более крупных вирусных геномах и гетерогенности РНК-вирусов может потребоваться несколько перекрывающихся праймеров для покрытия амплификации всех генотипов. Секвенирование ПЦР-ампликонов требует знания вирусного генома перед секвенированием, соответствующих праймеров и сильно зависит от титров вируса, однако секвенирование ПЦР-ампликонов является более дешевым методом оценки, чем метагеномное секвенирование, при изучении известных вирусов с относительно небольшими геномами. [9]
Целевая метагеномика: обогащение зондами
[ редактировать ]Целевое обогащение — это независимый от культуры метод, который секвенирует вирусные геномы непосредственно из образца с использованием небольших зондов РНК или ДНК, комплементарных эталонной последовательности патогена. Зонды, которые могут быть связаны с твердой фазой и захватывать и разрушать комплементарные последовательности ДНК в образце. [9] Наличие перекрывающихся зондов увеличивает толерантность к несоответствию праймеров, но их конструкция требует больших затрат и времени, поэтому быстрый ответ ограничен. За захватом ДНК следует краткая циклическая ПЦР и секвенирование методом дробовика. Успех этого метода зависит от доступных эталонных последовательностей для создания зондов и не подходит для характеристики новых вирусов. [9] Этот метод использовался для характеристики больших и малых вирусов, таких как HCV , [14] ВПГ-1 , [20] и ХМВЦ . [21]
Ограничения
[ редактировать ]Методы вирусной метагеномики могут давать ошибочные химерические последовательности. [22] [23] К ним могут относиться артефакты in vitro от амплификации и артефакты in silico от сборки. [23] Химеры могут образовываться между неродственными вирусами, а также между вирусными и эукариотическими последовательностями. [23] Вероятность ошибок частично снижается за счет большей глубины секвенирования, но химеры все равно могут образовываться в областях с высоким покрытием, если чтения сильно фрагментированы. [22]
Приложения
[ редактировать ]Сельское хозяйство
[ редактировать ]Вирусы растений представляют глобальную угрозу для растениеводства, но благодаря метагеномному секвенированию и созданию вирусных баз данных модифицированные вирусы растений можно использовать для повышения иммунитета растений, а также для изменения их внешнего вида. [24] Данные о геномах вирусов растений, полученные в результате метагеномного секвенирования, могут быть использованы для создания клонов вирусов для инокуляции растений с целью изучения вирусных компонентов и биологической характеристики вирусных агентов с повышенной воспроизводимостью. Сконструированные мутантные штаммы вируса использовались для изменения окраски и размера различных декоративных растений и улучшения здоровья сельскохозяйственных культур. [25]
Экология
[ редактировать ]Вирусная метагеномика способствует классификации вирусов без необходимости использования культуральных методологий и дает обширное представление о вирусном разнообразии в любой системе. Метагеномика может использоваться для изучения воздействия вирусов на данную экосистему и того, как они влияют на микробиом, а также для мониторинга вирусов в экосистеме на предмет возможного распространения на человеческие популяции. [1] В экосистемах вирусы можно изучать, чтобы определить, как они конкурируют друг с другом, а также влияние вируса на функции хозяина. Вирусная метагеномика использовалась для изучения некультивируемых вирусных сообществ в морских и почвенных экосистемах. [7] [26]
Исследования инфекционных заболеваний
[ редактировать ]Вирусная метагеномика легко используется для обнаружения новых вирусов, при этом основное внимание уделяется зоонозным или патогенным для человека. Вирусные базы данных, полученные с помощью метагеномики, предоставляют методы быстрого реагирования для определения вирусных инфекций, а также определения вариантов, устойчивых к лекарствам, в клинических образцах. [9] Вклад вирусной метагеномики в классификацию вирусов помог усилиям по эпиднадзору за пандемией, а также сделал эпиднадзор за инфекционными заболеваниями и тестирование более доступными. [27] Поскольку большинство пандемий человека имеют зоонозное происхождение, метагеномный надзор может обеспечить более быструю идентификацию новых вирусов и их резервуаров. [28]
Одной из таких программ надзора является Global Virome Project (GVP) — международная совместная исследовательская инициатива, базирующаяся в Институте One Health при Калифорнийском университете в Дэвисе . [29] [30] GVP направлен на усиление эпиднадзора за инфекционными заболеваниями во всем мире за счет использования недорогих методов секвенирования в странах с высоким риском для предотвращения вспышек заболеваний и предотвращения будущих вспышек вирусов. [27] [31]
Лекарство
[ редактировать ]Вирусная метагеномика использовалась для выявления онкологических заболеваний, связанных с вирусами, а также для трудно диагностируемых случаев в клинической диагностике. [31] Этот метод чаще всего используется, когда традиционные и расширенные молекулярные тесты не могут обнаружить возбудителя заболевания. Метагеномное секвенирование также можно использовать для обнаружения патогенных вирусов в клинических образцах и предоставления данных в реальном времени о присутствии патогенов в популяции. [28]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д Соммерс П., Чаттерджи А., Варсани А., Трубл Дж. (сентябрь 2021 г.). «Интеграция вирусной метагеномики в экологическую структуру» . Ежегодный обзор вирусологии . 8 (1): 133–158. doi : 10.1146/annurev-virology-010421-053015 . ПМИД 34033501 .
- ^ Грасис Дж.А. (2018). «Выделение ассоциированного с хозяином бактериофага и подготовка к вирусной метагеномике» . Вирусная метагеномика . Методы молекулярной биологии. Том. 1746. Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Спрингер Нью-Йорк. стр. 1–25. дои : 10.1007/978-1-4939-7683-6_1 . ISBN 978-1-4939-7682-9 . ПМИД 29492882 . S2CID 3637163 . Проверено 2 декабря 2022 г.
- ^ Jump up to: а б с д и ж г Кришнамурти С.Р., Ван Д. (июль 2017 г.). «Происхождение и проблемы вирусной темной материи». Вирусные исследования . 239 : 136–142. doi : 10.1016/j.virusres.2017.02.002 . ПМИД 28192164 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г Паппас Н., Ру С., Хёльцер М., Ламкевич К., Мок Ф., Марц М., Дутиль Б.Е. (2021). «Вирусная биоинформатика». В Бэмфорде Д.Х., Цукерман М. (ред.). Энциклопедия вирусологии (4-е изд.). Эльзевир. стр. 124–132. дои : 10.1016/b978-0-12-814515-9.00034-5 . ISBN 978-0-12-814516-6 . ПМЦ 7567488 .
- ^ Кристенсен Д.М., Мушегян А.Р., Доля В.В., Кунин Е.В. (январь 2010 г.). «Новые измерения мира вирусов, открытые с помощью метагеномики» . Тенденции в микробиологии . 18 (1): 11–19. дои : 10.1016/j.tim.2009.11.003 . ПМЦ 3293453 . ПМИД 19942437 .
- ^ Бернардо П., Альбина Э., Элоит М., Руманьяк П. (май 2013 г.). «[Патология и вирусная метагеномика, новейшая история]» . Медицина/Науки (на французском языке). 29 (5): 501–508. дои : 10.1051/medsci/2013295013 . ПМИД 23732099 .
- ^ Jump up to: а б Алаванди С.В., Пурнима М. (сентябрь 2012 г.). «Вирусная метагеномика: инструмент для обнаружения и разнообразия вирусов в аквакультуре» . Индийский журнал вирусологии . 23 (2): 88–98. дои : 10.1007/s13337-012-0075-2 . ПМЦ 3550753 . ПМИД 23997432 .
- ^ Jump up to: а б с д и Сантьяго-Родригес ТМ, Холлистер ЭБ (16 сентября 2022 г.). «Раскрытие вирусной темной материи посредством вирусной метагеномики» . Границы в иммунологии . 13 . дои : 10.3389/fimmu.2022.1005107 . ISSN 1664-3224 . ПМЦ 9523745 . ПМИД 36189246 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г Хоулдкрофт CJ, Бил М.А., Брейер Дж. (март 2017 г.). «Клинические и биологические данные секвенирования вирусного генома» . Обзоры природы. Микробиология . 15 (3): 183–192. дои : 10.1038/nrmicro.2016.182 . ПМК 7097211 . ПМИД 28090077 .
- ^ Jump up to: а б Брейтбарт М., Саламон П., Андресен Б., Махаффи Дж.М., Сигалл А.М., Мид Д. и др. (октябрь 2002 г.). «Геномный анализ некультивируемых морских вирусных сообществ» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 99 (22): 14250–14255. Бибкод : 2002PNAS...9914250B . дои : 10.1073/pnas.202488399 . ПМЦ 137870 . ПМИД 12384570 .
- ^ Симмондс П., Адамс М.Дж., Бенко М., Брейтбарт М., Бристер Дж.Р., Карстенс Э.Б. и др. (март 2017 г.). «Заявление о консенсусе: таксономия вирусов в эпоху метагеномики» . Обзоры природы. Микробиология . 15 (3): 161–168. дои : 10.1038/nrmicro.2016.177 . hdl : 1887/114573 . ПМИД 28134265 . S2CID 1478314 .
- ^ Кунин Е.В., Крупович М., Агол В.И. (18 августа 2021 г.). «Балтиморская классификация вирусов 50 лет спустя: как она выглядит в свете эволюции вирусов?» . Обзоры микробиологии и молекулярной биологии . 85 (3): e0005321. дои : 10.1128/MMBR.00053-21 . ISSN 1092-2172 . ПМЦ 8483701 . ПМИД 34259570 .
- ^ Депледж Д.П., Палсер А.Л., Уотсон С.Дж., Лай И.Ю., Грей Э.Р., Грант П. и др. (18 ноября 2011 г.). Джавери Р. (ред.). «Специфический захват и полногеномное секвенирование вирусов из клинических образцов» . ПЛОС ОДИН . 6 (11): e27805. Бибкод : 2011PLoSO...627805D . дои : 10.1371/journal.pone.0027805 . ПМК 3220689 . ПМИД 22125625 .
- ^ Jump up to: а б Томсон Э., Ип К.Л., Бадхан А., Кристиансен М.Т., Адамсон В., Ансари М.А. и др. (октябрь 2016 г.). «Сравнение технологий секвенирования следующего поколения для комплексной оценки полноразмерных геномов вируса гепатита С» . Журнал клинической микробиологии . 54 (10): 2470–2484. дои : 10.1128/jcm.00330-16 . ПМК 5035407 . ПМИД 27385709 .
- ^ Паес-Эспино Д., Чен И.А., Паланиаппан К., Ратнер А., Чу К., Сето Е. и др. (январь 2017 г.). «IMG/VR: база данных культивируемых и некультивируемых ДНК-вирусов и ретровирусов» . Исследования нуклеиновых кислот . 45 (Д1): Д457–Д465. дои : 10.1093/nar/gkw1030 . ПМК 5210529 . ПМИД 27799466 .
- ^ Паес-Эспино Д., Ру С., Чен И.А., Паланиаппан К., Ратнер А., Чу К. и др. (январь 2019 г.). «IMG/VR v.2.0: интегрированная система управления и анализа данных для культивируемых и находящихся в окружающей среде вирусных геномов» . Исследования нуклеиновых кислот . 47 (Д1): Д678–Д686. дои : 10.1093/nar/gky1127 . ПМК 6323928 . ПМИД 30407573 .
- ^ Быстрый Джей (25 сентября 2019 г.). «Протокол секвенирования вируса Эбола v1» . Протоколы.io . doi : 10.17504/protocols.io.7nwhmfe . S2CID 216572035 . Проверено 30 ноября 2022 г.
- ^ Влачакис Д., Папагеоргиу Л., Мегалойконому В. (13 июня 2018 г.), «Генетический и геоэпидемиологический анализ пандемии вируса Зика; извлечения уроков из недавней вспышки Эболы», Актуальные темы Зика , InTech, doi : 10.5772/intechopen .71505 , ISBN 978-1-78923-270-7 , S2CID 90434818
- ^ Шарр С., Джиневра С., Сабатье М., Рег Х., Дестрас Г., Брюн С. и др. (июль 2020 г.). «Оценка подходов на основе NGS для характеристики полногенома SARS-CoV-2» . Эволюция вирусов . 6 (2): veaa075. bioRxiv 10.1101/2020.14.07.201947 . дои : 10.1093/ve/veaa075 . ПМЦ 7665770 . ПМИД 33318859 .
- ^ Эберт К., Депледж Д.П., Бройер Дж., Харман Л., Эллиотт Дж. (сентябрь 2013 г.). «Способ спасения вируса определяет приобретение мутаций VHS у VP22-негативного вируса простого герпеса 1» . Журнал вирусологии . 87 (18): 10389–10393. дои : 10.1128/jvi.01654-13 . ПМЦ 3753997 . ПМИД 23864617 .
- ^ Депледж Д.П., Палсер А.Л., Уотсон С.Дж., Лай И.Ю., Грей Э.Р., Грант П. и др. (18 ноября 2011 г.). «Специфический захват и полногеномное секвенирование вирусов из клинических образцов» . ПЛОС ОДИН . 6 (11): e27805. Бибкод : 2011PLoSO...627805D . дои : 10.1371/journal.pone.0027805 . ПМК 3220689 . ПМИД 22125625 .
- ^ Jump up to: а б Гарсиа-Лопес Р., Васкес-Кастелланос Х.Ф., Моя А. (сентябрь 2015 г.). «Фрагментация и изменение покрытия в сборках вирусного метагенома и их влияние на расчеты разнообразия» . Границы биоинженерии и биотехнологии . 3 : 141. дои : 10.3389/fbioe.2015.00141 . ПМК 4585024 . ПМИД 26442255 .
- ^ Jump up to: а б с Арройо Мюр Л.С., Лагеден С., Хасан СС, Клеппе С.Н., Халтин Э., Диллнер Дж. (август 2020 г.). «Сборка последовательностей de novo требует биоинформатической проверки химерных последовательностей» . ПЛОС ОДИН . 15 (8): e0237455. Бибкод : 2020PLoSO..1537455A . дои : 10.1371/journal.pone.0237455 . ПМЦ 7417191 . ПМИД 32777809 .
- ^ Брюэр Х.К., Хирд Д.Л., Бэйли А.М., Сил С.Е., Фостер Г.Д. (апрель 2018 г.). «Руководство по ограниченному использованию инфекционных клонов вирусов растений» . Журнал биотехнологии растений . 16 (4): 832–843. дои : 10.1111/pbi.12876 . ПМК 5867029 . ПМИД 29271098 .
- ^ Пасин Ф., Мензель В., Дарос Х.А. (июнь 2019 г.). «Обузданные вирусы в эпоху метагеномики и синтетической биологии: обновленная информация о сборке инфекционных клонов и биотехнологиях растительных вирусов» . Журнал биотехнологии растений . 17 (6): 1010–1026. дои : 10.1111/pbi.13084 . ПМК 6523588 . ПМИД 30677208 .
- ^ Пратама А.А., ван Эльсас Дж.Д. (август 2018 г.). «Заброшенный» почвенный виром - потенциальная роль и влияние». Тенденции в микробиологии . 26 (8): 649–662. дои : 10.1016/j.tim.2017.12.004 . ПМИД 29306554 . S2CID 25057850 .
- ^ Jump up to: а б Шмидт С. (октябрь 2018 г.). «Охотники за виромом» . Природная биотехнология . 36 (10): 916–919. дои : 10.1038/nbt.4268 . ПМК 7097093 . ПМИД 30307913 .
- ^ Jump up to: а б Ру С., Маттейнссенс Дж., Дутиль Б.Е. (2021), «Метагеномика в вирусологии», Энциклопедия вирусологии , Elsevier, стр. 133–140, doi : 10.1016/b978-0-12-809633-8.20957-6 , ISBN 978-0-12-814516-6 , ПМЦ 7157462
- ^ Верниммен Т (16 апреля 2020 г.). «Инфекционная болезнь: установление и разрыв связи с животными» . Познаваемый журнал | Ежегодные обзоры . doi : 10.1146/knowable-041620-1 . S2CID 218810265 .
- ^ "Контакт" . Глобальный проект Вирома . Архивировано из оригинала 22 августа 2022 г. Проверено 22 августа 2022 г.
- ^ Jump up to: а б Дутил Б.Е., Рейес А., Холл Р.Дж., Уайтсон К.Л. (сентябрь 2017 г.). «Редакционная статья: Открытие вируса с помощью метагеномики: (не)возможности» . Границы микробиологии . 8 (1710): 1710. doi : 10.3389/fmicb.2017.01710 . ПМК 5596103 . ПМИД 28943867 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- IMG/VR Вирусная база данных IMG (IMG/VR).
- КАМЕРА. Архивировано 14 мая 2012 г. в Wayback Machine. Киберинфраструктура для метагеномики, хранилище данных и инструменты для метагеномных исследований.
- Онлайн-база данных геномов GOLD (GOLD).
- IMG/M Интегрированная система микробных геномов для анализа метагенома, проводимая DOE-JGI.
- МЕГАН. Архивировано 7 мая 2010 г. в анализаторе Wayback Machine MEtaGenome ANalyzer . Автономный инструмент анализа метагенома.
- MetaGeneMark MetaGeneMark для поиска генов MetaGenome
- Метагеномика и наша микробная планета. Архивировано 26 марта 2014 г. на Wayback Machine. Веб-сайт Национальных академий, посвященный метагеномике и жизненно важной роли микробов на Земле .
- Метагеномика в Европейском институте биоинформатики. Анализ и архивирование метагеномных данных.
- Бесплатная электронная книга «Метагеномика: последовательности из окружающей среды» от NCBI Bookshelf.
- MG-RAST Быстрая аннотация метагеномики с использованием сервера Subsystem Technology
- Новая наука метагеномика: раскрывая тайны нашей микробной планеты. Отчет, опубликованный Национальным исследовательским советом в марте 2007 года. См. также « Краткий отчет». Архивировано 15 апреля 2010 г. в Wayback Machine.
- http://www.globalviromeproject.org/ Официальный сайт Глобального проекта Virome.
- https://www.usaid.gov/ept2 Программа по угрозам новой пандемии EPT-2
- https://www.ecohealthalliance.org/program/predict