在2015 - 16年寨卡病毒爆發(fā)期間，公共衛(wèi)生官員爭相控制這一流行病并遏制病原體對孕婦的破壞性影響。與此同時，全球的科學(xué)家們試圖了解這種神秘病毒的遺傳學(xué)。問題是，病人的血液中沒有很多寨卡病毒顆粒。在臨床樣本中尋找它可以像在海洋中捕魚一樣的min魚。

Broad Institute科學(xué)家開發(fā)的一種新計算方法有助于克服這一障礙。建立在Broad研究所研究員Pardis Sabeti的實驗室中，“CATCH”方法可用于設(shè)計任何已知感染人類及其所有已知菌株的病毒的分子“誘餌”，包括那些在臨床樣本中存在低豐度的病毒，如寨卡。該方法可以幫助全球的小型測序中心更有效，更具成本效益地進行疾病監(jiān)測，從而為控制疫情提供重要信息。

這項新研究由麻省理工學(xué)院的研究生Hayden Metsky和博士后研究員Katie Siddle領(lǐng)導(dǎo)，它出現(xiàn)在Nature Biotechnology的網(wǎng)絡(luò)上。

“由于基因組測序成為疾病監(jiān)測的重要組成部分，像CATCH這樣的工具將幫助我們和其他人更早地檢測出爆發(fā)，并產(chǎn)生更多可與更廣泛的科學(xué)和醫(yī)學(xué)研究界共享的病原體數(shù)據(jù)，”Christian Matranga說道，這項新研究的資深作者加入了當(dāng)?shù)匾患疑锛夹g(shù)創(chuàng)業(yè)公司。

科學(xué)家已經(jīng)能夠通過分析臨床樣本中的所有遺傳物質(zhì)來檢測一些低豐度病毒，這種技術(shù)被稱為“宏基因組”測序，但這種方法常常錯過了其他微生物和患者體內(nèi)豐富的病毒物質(zhì)。自己的DNA。

另一種方法是“富集”特定病毒的臨床樣本。為此，研究人員使用一種遺傳“誘餌”來固定目標(biāo)病毒的遺傳物質(zhì)，以便其他遺傳物質(zhì)被沖走。Sabeti實驗室的科學(xué)家成功地使用了誘餌，這些誘餌是由短鏈RNA或DNA組成的分子探針，與樣本中的病毒DNA配對，分析埃博拉病毒和拉沙病毒基因組。然而，探針始終針對單個微生物，這意味著它們必須確切地知道它們正在尋找什么，并且它們不是以嚴(yán)格，有效的方式設(shè)計的。

他們需要的是一種用于設(shè)計探針的計算方法，該方法可以提供臨床樣品中多種微生物含量的全面視圖，同時富集像Zika這樣的低豐度微生物。

“我們想重新考慮我們實際上是如何設(shè)計探針進行捕獲的，”Metsky說。“我們意識到我們可以捕獲病毒，包括它們已知的多樣性，使用的探測器比我們之前使用的更少。為了使這成為監(jiān)視的有效工具，我們決定一次嘗試針對大約20種病毒，我們最終進行了擴展已知感染人類的??356種病毒。“

“用于全面雜交的目標(biāo)的緊湊聚集”的簡稱CATCH允許用戶設(shè)計定制的探針組，以捕獲任何微生物物種組合的遺傳物質(zhì)，包括病毒，甚至是已知感染人類的??所有形式的所有病毒。

為了真正全面地運行CATCH，用戶可以輕松輸入已上載到國家生物技術(shù)信息中心GenBank序列數(shù)據(jù)庫的所有形式的人類病毒的基因組。該程序根據(jù)用戶想要恢復(fù)的內(nèi)容確定最佳探針集，無論是所有病毒還是僅部分病毒?？梢詫⑻结樞蛄辛斜戆l(fā)送給合成用于研究的探針的少數(shù)公司之一。希望檢測和研究微生物的科學(xué)家和臨床研究人員可以使用像釣魚鉤這??樣的探針來捕獲所需的微生物DNA進行測序，從而豐富樣品中的微生物。

使用CATCH設(shè)計的探針組的測試表明，在富集后，病毒含量構(gòu)成了比富集前更多的測序數(shù)據(jù)的18倍，使得該團隊能夠組裝不能從未富集的樣品中產(chǎn)生的基因組。他們通過檢查30個已知內(nèi)容跨越8種病毒的樣本來驗證該方法。研究人員還表明，尼日利亞2018年拉薩爆發(fā)的拉沙病毒樣本經(jīng)證實難以在沒有富集的情況下進行測序，可以通過使用一套針對所有人類病毒的CATCH設(shè)計探針來“拯救”。此外，該團隊還能夠改善患者和蚊子中含有未知內(nèi)容的樣本中的病毒檢測。

使用CATCH，Metsky及其同事生成了針對寨卡病毒和基孔肯雅病毒的病毒探針子集，這是另一種在同一地理區(qū)域發(fā)現(xiàn)的蚊媒病毒。與其他方法產(chǎn)生的Zika基因組一起，使用CATCH設(shè)計的探針生成的數(shù)據(jù)幫助他們發(fā)現(xiàn)在科學(xué)家能夠檢測到Zika病毒之前幾個月已經(jīng)引入了Zika病毒，這一發(fā)現(xiàn)可以為控制未來爆發(fā)的努力提供信息。 。

為了證明CATCH的其他潛在應(yīng)用，Siddle使用了來自各種不同病毒的樣本。Siddle和其他人一直在與西非的科學(xué)家合作，在那里建立病毒爆發(fā)和難以診斷的發(fā)燒，以建立實驗室和現(xiàn)場分析病原體基因組的工作流程。“我們希望我們在尼日利亞的合作伙伴能夠從多種樣品中有效地進行宏基因組測序，而CATCH可以幫助他們提高對這些病原體的敏感性，”Siddle說。

該方法也是研究具有可疑病毒原因的未確診發(fā)熱的有效方法。“我們對使用宏基因組測序來揭示這些病例的可能性感到興奮，特別是在受影響國家當(dāng)?shù)剡@樣做的可能性，”Siddle說。

CATCH方法的一個優(yōu)點是其適應(yīng)性。隨著新突變的識別并將新序列添加到GenBank中，用戶可以快速重新設(shè)計一組具有最新信息的探針。此外，雖然大多數(shù)探頭設(shè)計都是專有的，但Metsky和Siddle公開了所有他們用CATCH設(shè)計的探頭。用戶可以訪問CATCH中的實際探針序列，使研究人員能夠在合成之前探索和定制探針設(shè)計。

Sabeti和其他研究人員對CATCH有可能改進微生物群落的大規(guī)模高分辨率研究感到興奮。他們也希望這種方法有朝一日能夠用于診斷應(yīng)用，其中將結(jié)果返回給患者以做出臨床決策。目前，他們對改善Zika和Lassa病毒爆發(fā)的基因組監(jiān)測以及其他需要全面了解低水平微生物含量的應(yīng)用的潛力感到鼓舞。

CATCH軟件可在GitHub上公開訪問。由Sabeti和Matranga監(jiān)督的其開發(fā)和驗證在Nature Biotechnology的在線描述。