布羅德研究所(Broad Institute)的研究人員表示，他們已經(jīng)開發(fā)出一種名為“CATCH”的新計算技術(shù)，可以用來為已知感染人類的任何病毒及其所有已知毒株設計分子誘餌，包括臨床樣本中含量較低的病毒，比如寨卡病毒?？茖W家們說，這種方法可以幫助全球范圍內(nèi)的小型測序中心更有效、更經(jīng)濟地進行疾病監(jiān)測，從而為控制疫情提供關(guān)鍵信息。

這項由麻省理工學院研究生海登·梅茨基和博士后凱蒂·西德爾博士領(lǐng)導的新研究(“利用全面可伸縮的探針設計捕獲元基因組的序列多樣性”)發(fā)表在《自然生物技術(shù)》的網(wǎng)站上。

“宏基因組測序有潛力改變微生物的檢測和表征，但需要新的工具來提高其敏感性。”在此，我們提出一種計算方法，以加強核酸捕獲的富集不同的微生物類群。CATCH設計了具有指定數(shù)量的寡核苷酸的最優(yōu)探針集，該探針集可以實現(xiàn)已知序列多樣性的完全覆蓋和良好的擴展。我們致力于應用CATCH在復雜的宏基因組樣本中捕獲病毒基因組。我們設計、合成和驗證多個探針集，包括一個針對已知感染人類的356種病毒的整個基因組的探針集，”研究人員寫道。

“使用這些探針集捕獲的病毒平均可使病毒的獨特含量增加18倍，使我們能夠組裝沒有富集就無法恢復的基因組，并準確地保持樣本內(nèi)的多樣性。”我們還使用這些探針集恢復尼日利亞2018年拉沙熱暴發(fā)后的基因組，并改進對人類和蚊子樣本中未鑒定的病毒感染的檢測。結(jié)果表明，CATCH可以實現(xiàn)更靈敏、更經(jīng)濟的元基因組測序。

“基因組測序成為疾病監(jiān)測的關(guān)鍵部分,捕捉等工具將幫助我們和其他人發(fā)現(xiàn)疫情,病原體產(chǎn)生更多的數(shù)據(jù)可以共享與更廣泛的科學和醫(yī)學研究社區(qū),“基督教Matranga說,博士的這項新研究文章的第二作者加入了一個本地生物技術(shù)創(chuàng)業(yè)公司

科學家已經(jīng)能夠檢測到一些低豐度的病毒通過分析所有的遺傳物質(zhì)在一個臨床樣本使用宏基因組測序。然而，根據(jù)布羅德團隊的研究，這種方法經(jīng)常會遺漏掉在大量其他微生物和患者自身DNA中丟失的病毒物質(zhì)。

另一種方法是為特定病毒增加臨床樣本。為了做到這一點，研究人員使用一種基因誘餌來固定目標病毒的遺傳物質(zhì)，這樣其他遺傳物質(zhì)就可以被沖走。馬里蘭州帕迪斯薩比提(Pardis Sabeti)實驗室的科學家們成功地使用了誘餌來分析埃博拉和拉沙病毒的基因組。誘餌是一種分子探針，由短鏈RNA或DNA與樣本中的病毒DNA片段配對而成。然而，這些探針總是針對一種微生物，這意味著它們必須確切地知道自己在尋找什么，而且它們的設計并不嚴謹、高效。

他們需要的是一種設計探針的計算方法，這種方法能夠提供臨床樣本中各種微生物含量的全面視圖，同時也能對寨卡病毒等低豐度微生物進行富集。

“我們想重新思考我們實際上是如何設計探測器來進行捕獲的，”Metsky說。“我們意識到，我們可以用比以前更少的探針來捕獲病毒，包括它們已知的多樣性。”為了使其成為一種有效的監(jiān)測工具，我們決定嘗試一次鎖定20種病毒，最終我們將已知的356種感染人類的病毒數(shù)量擴大到356種。

CATCH是“用于綜合雜交的目標的緊密聚合”的縮寫，它允許用戶設計定制的探針集來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病毒的所有形式。

Metsky解釋說，要真正全面地運行CATCH，用戶可以很容易地輸入已上傳到國家生物技術(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)用戶想要恢復的信息來確定最佳探測集，無論這些信息是病毒還是一個子集。探針序列列表可以發(fā)送到少數(shù)幾個合成探針進行研究的公司之一?？茖W家和臨床研究人員希望檢測和研究這些微生物，然后可以使用像魚鉤一樣的探針來捕獲所需的微生物DNA進行測序，從而為感興趣的微生物富集樣本。

用CATCH設計的探針組測試顯示，富集后，病毒含量占測序數(shù)據(jù)的比例是富集前的18倍，這使得該團隊能夠組裝無法從未富集樣本中生成的基因組。該研究小組通過檢測30個樣本來驗證這種方法，這些樣本的已知內(nèi)容橫跨8種病毒。研究人員還表示，2018年尼日利亞拉沙病毒(Lassa)爆發(fā)時，如果不進行富集，很難對拉沙病毒樣本進行測序，而使用一套由catch設計的針對所有人類病毒的探針，可以“拯救”這些樣本。此外，該小組還能夠改進對來自患者和蚊子的未知含量樣本的病毒檢測。

利用CATCH, Metsky和他的同事們生成了針對寨卡病毒和基孔肯雅病毒的病毒探針子集，基孔肯雅病毒是在同一地理區(qū)域發(fā)現(xiàn)的另一種蚊媒病毒。除了用其他方法生成的寨卡病毒基因組外，他們使用由catch設計的探針生成的數(shù)據(jù)，幫助他們發(fā)現(xiàn)，在科學家能夠檢測到寨卡病毒之前，該病毒已經(jīng)在幾個地區(qū)傳播了數(shù)月，這一發(fā)現(xiàn)可以為控制未來疫情的努力提供信息。

為了演示CATCH的其他潛在應用，Siddle使用了一系列不同病毒的樣本。Siddle和其他人一直在與西非的科學家合作，建立實驗室和工作流程，以便現(xiàn)場分析病原體基因組。西非的病毒爆發(fā)和難以診斷的發(fā)燒很常見。Siddle說:“我們希望我們在尼日利亞的合作伙伴能夠有效地從不同的樣本中進行宏基因組測序，而CATCH幫助他們提高對這些病原體的敏感性。”

這種方法也是一種強大的方法來調(diào)查未確診的發(fā)燒與疑似病毒的原因。Siddle補充說:“我們對使用宏基因組測序來闡明這些病例的潛力感到興奮，特別是在受影響的國家在當?shù)剡@樣做的可能性。”他指出，CATCH方法的一個優(yōu)點是它的適應性。

隨著新的突變被識別，新的序列被添加到GenBank，用戶可以使用最新的信息重新設計一組探針。此外，雖然大多數(shù)探頭的設計都是專有的，但Metsky和Siddle已經(jīng)公開了他們用CATCH設計的所有探頭。用戶可以在CATCH中訪問實際的探針序列，允許研究人員在合成探針之前探索和定制探針設計。

Sabeti和其他研究人員說，他們對漁獲物提高大規(guī)模高分辨率微生物群落研究的潛力感到興奮。他們還希望這種方法有朝一日能在診斷應用中發(fā)揮效用，將結(jié)果返回給患者，讓他們做出臨床決定。就目前而言，該技術(shù)在改善寨卡病毒和拉沙病毒等病毒暴發(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用方面的潛力，令他們感到鼓舞。