基于密码子使用偏好的甲型流感病毒跨宿主传播分层研究及其在基因组监测中的应用

本研究针对甲型流感病毒(IAV)宿主适应性和跨物种传播监测难题，创新性地开发了基于血凝素(HA)片段相对同义密码子使用(RSCU)的计算分析流程。通过对H1N1、H7N9和H5N1三种重要亚型的系统研究，发现密码子使用模式能有效区分不同宿主来源的病毒株，成功捕捉到2009年H1N1大流行株、H5N1 2.3.4.4b分支跨宿主传播等关键流行病学事件。该研究为IAV基因组监测提供了轻量级、可扩展的分析框架，对早期预警系统开发具有重要意义。

　　

甲型流感病毒(IAV)作为具有广泛宿主范围的病原体，其跨物种传播(spillover)事件持续威胁全球公共卫生安全。传统基于系统发育分析的监测方法虽然可靠，但在处理不完整基因组数据时存在局限。更棘手的是，当前的分型命名体系往往无法反映病毒基因组特征的细微变化，特别是那些可能与宿主适应相关的密码子使用模式变化。面对这些挑战，如何开发快速、灵敏的计算方法，从海量基因组数据中识别潜在的跨宿主传播风险，成为流感监测领域亟待解决的关键问题。

来自米兰理工大学和米兰大学的研究团队在《Computational and Structural Biotechnology Journal》发表了一项创新性研究。该团队开发了基于相对同义密码子使用(RSCU)的计算流程，通过分析HA片段的密码子偏好，成功实现了对IAV病毒株的精准分层。研究选取了三个典型病例：2009年北美H1N1大流行、2013-2017年中国H7N9疫情，以及持续传播的H5N1病毒（包括近期在奶牛中的跨宿主事件），系统验证了该方法的有效性。

研究采用多步骤计算流程：从GISAID数据库获取IAV基因组数据并预处理；计算HA片段的RSCU值；通过主成分分析(PCA)降维；结合层次聚类和k-means算法确定最佳聚类数；利用线性分类器识别关键密码子。针对H5N1的完整基因组分析还特别考察了多片段联合分析的可行性。

研究结果部分，"HA segment of H1N1 during the (H1N1) 2009 pandemic"小节显示，密码子使用分析成功区分了2009年大流行株(H1N1)pdm09与猪源6B.1分支病毒。特别值得注意的是，大流行株显示出对CCG（脯氨酸密码子）的特异性偏好，这一特征在其它H1N1毒株中未见。在"H7N9 during the 2013-2017 outbreak"部分，研究虽然受限于数据采样不均，但仍识别出三个病毒群组，其中高致病性(HPAI)毒株均集中在单一集群，且携带典型的弗林蛋白酶切割位点插入突变。"HA segment of highly pathogenic H5N1 IAVs"部分最为亮眼，该方法不仅准确捕捉到2.3.4.4b分支的全球传播，还特异性地识别出北美奶牛中流行的B3.13基因型，验证了其在监测新兴毒株方面的灵敏度。

在"Common trends of codon usage across IAV serotypes"部分，研究发现精氨酸密码子使用模式具有跨亚型保守性：CG*密码子普遍被规避（RSCU接近0），而AGA密码子则被优先选择（RSCU>2）。这种模式在哺乳动物分离株中更为显著，可能与宿主抗病毒蛋白ZAP对CpG富集区的识别机制有关。

讨论部分强调，该研究建立的轻量级分析框架仅需HA单一片段即可实现有效监测，这对基因组数据有限的IAV亚型尤为重要。虽然RSCU指标对HA蛋白关键功能位点的小突变（如弗林蛋白酶切割位点）敏感性有限，但通过调整聚类参数仍可识别相关变异。研究还发现，不同亚型IAV共享相似的密码子使用进化特征，特别是精氨酸密码子的选择模式，这为理解IAV宿主适应机制提供了新视角。

这项研究的创新价值在于将密码子使用分析从理论探讨转化为实用监测工具。相比传统方法，该方案计算效率更高，对数据完整性要求更低，特别适合资源有限的监测场景。未来，该方法可与现有监测系统整合，形成多维度的早期预警体系。随着更多IAV基因组数据的积累，密码子使用模式有望成为识别潜在跨宿主传播风险的新型生物标志物。