合成DNA在传染病研究中的关键作用

【字体: 时间:2022年08月31日 来源:Twist Bioscience

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  利用行业领先的DNA合成平台帮助研究人员快速打造对抗传染病暴发所需的工具。

2017年9月22日,一名11岁的男孩住进了尼日利亚的尼日尔三角洲大学教学医院。一个多星期以来,他一直昏昏欲睡,发烧,而且身上布满了大片皮疹。这名男孩似乎感染了猴痘病毒1,但尼日利亚近40年来没有出现过这种情况。

当时,研究人员知道非洲有两种主要的猴痘病毒进化枝:相对温和的西非进化枝和更严重的中非(刚果盆地)进化枝。尼日利亚以往的疫情是由西非毒株引起的小范围暴发。患者通常是儿童,几乎没有出现人际传播2,3。然而,此次突然暴发的疫情却不同。

截至2017年12月,尼日利亚报告了约200例疑似或确诊病例,其中很多患者为年轻男性2。快速增长的病例数字再加上异常的患者统计信息,表明猴痘病毒的这种毒株比尼日利亚以往发现的毒株更容易传播3

来自尼日利亚疾病控制中心、美国陆军传染病医学研究所和塞内加尔巴斯德研究所的研究人员利用新一代测序来分析病毒的基因组并绘制系统发育图4。数据表明,这种新毒株是从西非进化枝进化而来的,可能是人畜共患病溢出的结果(也就是从动物传播给人类)。与以往的毒株不同,这种病毒已经获得了通过体液传播的能力,因此人际传播的能力大大提高。

随着病例数的下降,疫情暴发的消息最终消失了。如今,不到四年后,来源于2017-2018年疫情的猴痘病毒株又占据了世界各地的新闻头条,猴痘病毒取代新冠病毒(SARS-CoV-2),成为又一个家喻户晓而臭名昭著的名字5

正如许多人在COVID-19大流行期间了解到的,抗击猴痘等传染病需要各种分子工具,其中很多依赖于合成的DNA和RNA。合成的核苷酸功能多样,适用于广泛的应用,从病原体鉴定和表征到疗法开发。Twist Bioscience是该领域的领导者,利用行业领先的DNA合成平台帮助研究人员快速打造对抗传染病暴发所需的工具。

对抗传染病的合成核苷酸

实时定量PCR(qPCR)已成为一种强大的诊断工具,尤其是在应对传染病时。通常,这些检测首先要从患者身上采集组织样本,特别是可能发现病毒的组织(对于SARS-CoV-2,黏液就足够了;对于猴痘病毒,需要病变组织、干燥皮肤或血液)。然后使用DNA探针靶向和扩增特定的病毒基因。随着基因的复制,表明其存在的信号也被放大,从而能够灵敏地检测微量的病毒DNA或RNA。

与任何实验一样,qPCR检测也需要阳性对照来证明该检测能够检出病毒中的遗传物质。阳性对照传统上是来源于患者样本,已知含有目标病毒。然而,使用活病毒不仅危险,而且很快就过时了。SARS-CoV-2不断提醒我们,病毒在迅速进化,它们产生的突变会导致PCR探针无法再扩增病毒的RNA。

合成核苷酸则是一种更安全、更可靠的选择。Twist Bioscience具有精确合成病毒基因的能力,这些基因可在检测开发过程中充当阳性对照。这种对照可轻松迭代、定制和快速合成,让研究人员在新的病毒变异株出现时能够快速更新他们的检测。


✋ 什么是猴痘病毒?

猴痘病毒是正痘病毒属中的一种,于1950年代首次在圈养猴子中发现。尽管它的名字叫猴痘,但主要出现在啮齿动物中,并在过去50年内在人类中多次引起小规模流行病。与天花等其他正痘病毒一样,猴痘感染往往会导致发烧、精神不振和皮疹疼痛。然而,与天花不同的是,这种病毒通常并不致命。从历史上看,猴痘病毒在人类中的传播是最小范围的。然而,导致2022年疫情在多个大陆暴发的毒株似乎更容易通过皮肤接触和体液交换传播。


准确性是合成对照品的关键特征之一。DNA或RNA序列中的小错误会降低PCR探针与合成对照品链之间的亲和力,从而导致信号减弱。当这种情况发生时,检测结果可能会被认定为无效。因此,精确合成阳性对照是至关重要的。

Twist利用其行业领先的DNA合成平台生成了大多数SARS-CoV-2主要病毒株的合成RNA对照品。同样,Twist最近也宣布推出猴痘病毒的合成DNA对照品。Twist生产的对照品并非针对单个毒株,而是分别针对猴痘病毒的西非进化枝和刚果盆地进化枝。

重要的是,在世界范围内传播的猴痘病毒主要毒株的突变速度似乎比预想的要快得多,这为病毒继续快速进化保留了可能性。需要通过生产反映新突变的探针和对照品或整合新的目标基因进行扩增,让检测跟上这种病毒进化。Twist的猴痘病毒对照品覆盖完整病毒基因组的80%以上,并通过NGS和ddPCR进行了序列验证。这意味着,随着检测不断增加新的目标基因,Twist猴痘病毒对照品仍然是有价值的对照样本。

不仅仅是对照品

除了合成对照品,Twist还提供固定内容和定制内容的靶向富集组合。这些组合中的探针靶向病毒DNA并与其杂交,能够从富有挑战性的组织样本(如血液和病变组织)中分离病毒基因组并测序。通过这种靶向富集方法,研究人员能够将其测序资源集中在感兴趣的病毒基因上,从而实现更高效的测序。此外,也可以针对各种潜在病原体的特定基因来设计富集组合。

有了这种广度,研究人员能够在不确定哪种病原体感染患者时同时检测多种病毒(或病毒株)。在2017-2018年疫情暴发时,研究人员就曾使用这种组合来阐明猴痘病毒株的起源4


✋ 生物安全与传染病

从传染性病原体中合成基因需要严格监管。购买合成对照品的客户须遵守Twist领导的生物安全和客户筛选协议及适用的法律法规。由于猴痘病毒的DNA序列出口到美国境外受到管制,故Twist在向国际客户发货前需要申请并获得出口许可证。深入了解Twist Bioscience如何处于合成生物学领域的生物安全前沿。


目前,Twist既提供全面的病毒组合,也提供更有针对性的呼吸道病毒组合,后者针对29种常见的人类呼吸道病毒的参考序列。当然,也可以在这些组合中添加定制内容,以确保覆盖特定的病毒或变异株(Twist为从头构建定制组合提供设计支持)。

我们希望,疫苗和不断改进的公共卫生措施有助于遏制SARS-CoV-2大流行和猴痘病毒的暴发。然而,我们也知道疫情暴发是不可避免的。在疫情发生时,研究人员始终需要先进工具来鉴定和缓解这些暴发,而Twist致力于提供高品质的合成DNA和RNA来支持他们的工作。

参考文献:

1. Ogoina, Dimie, et al. “The 2017 Human Monkeypox Outbreak in Nigeria—Report of Outbreak Experience and Response in the Niger Delta University Teaching Hospital, Bayelsa State, Nigeria.” PLOS ONE, vol. 14, no. 4, 17 Apr. 2019, p. e0214229, 10.1371/journal.pone.0214229.

2. Yinka-Ogunleye, Adesola, et al. “Outbreak of Human Monkeypox in Nigeria in 2017–18: A Clinical and Epidemiological Report.” The Lancet Infectious Diseases, vol. 19, no. 8, 1 Aug. 2019, pp. 872–879, 10.1016/S1473-3099(19)30294-4.

3. “He Discovered the Origin of the Monkeypox Outbreak — and Tried to Warn the World.” NPR.org, www.npr.org/sections/goatsandsoda/2022/07/28/1114183886/a-doctor-in-nigeria-tried-to-warn-the-world-that-monkeypox-had-become-a-global-t.

4. Faye, Ousmane, et al. “Genomic Characterisation of Human Monkeypox Virus in Nigeria.” The Lancet Infectious Diseases, vol. 18, no. 3, 1 Mar. 2018, p. 246, 10.1016/S1473-3099(18)30043-4.

5. Isidro, Joana, et al. “Phylogenomic Characterization and Signs of Microevolution in the 2022 Multi-Country Outbreak of Monkeypox Virus.” Nature Medicine, 24 June 2022, 10.1038/s41591-022-01907-y.

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