宏基因组测序：在新冠病毒检测中大显身手

在新冠病毒检测中，宏基因组测序技术帮助检测未知病原体，高效快捷，但其广泛应用面临计算等方面的挑战。

编译  李升伟

上图：在旧金山CZ Biohub的一项培训项目中，朱莉安娜•吉尔(左)正在训练研究人员富骞•卡比尔进行样本制备、测序和使用CZ ID宏基因组学平台。图片：朱丽叶•曹/美国旧金山CZ Biohub。

2019年12月18日，武汉市中心医院收治了一名患有冬季流感季节常见症状的患者：一名65岁的男性，发烧和肺炎。急诊科主任艾芬制定了一套常规的治疗方案，包括抗生素和抗流感药物。六天后，病人仍然没有好转，艾芬医生对此感到困惑。经过商榷，呼吸科医生决定通过读取其遗传密码来识别致病病原体，这个过程称为测序。他们用生理盐水冲洗了病人的部分肺部，收集了肺部液体，并将样本送到了一家生物技术公司进行测序。12月27日，医院收到了检验结果：这名男子感染了一种新型冠状病毒，与17年前引起SARS爆发的冠状病毒密切相关。

17年前，第一批SARS病毒感染者的测序用了5个月才完成。这种传统测序读取患者的全部遗传密码、又称为基因组，一次只能读取一种生物，而且，首先需要把该生物体从样本中仔细分离出来。此次与武汉市中心医院合作的生物科技研究人员使用一种更为先进的称为宏基因组测序的技术，能够非常快速地绘制这种新病毒的基因图谱，这种技术可以一次性读取样本中每个生物体的基因组，而不需要长时间的测序准备工作。如果说传统的方法就像在书架上找到一本书并复制它，那么宏基因组测序就像从书架上抓起所有的书并一次性扫描它们。

这种技术凭借其快速读取一系列基因组的能力得到了广泛应用，在从生态学到癌症治疗等领域都被证明其应用价值。COVID-19大流行推动相关专业的研究人员使用宏基因组学来发现新疾病，在它们大规模流行之前，甚至可能在病毒感染人类之前，更早地对它们做出反应。有些专家表示，如果美国医学界应用了这项技术，COVID-19在美国的早期传播本可以更快地得到遏制。

加州大学旧金山分校生物化学和生物物理学教授、非营利研究机构陈•扎克伯格生物中心(Chan Zuckerberg Biohub)主席乔•德里西(Joe DeRisi)说：“如果宏基因组测序能更常规地进行，也许我们就能知道当时的情况，那时只有20例感染病人。”

但是，虽然宏基因组学的强大力量是显而易见的，但用它来控制可能的大流行还是存在挑战的。这项技术需要强大的计算机处理能力，这使得它比其他一些技术更昂贵，并且在数据分析方面，需要更多的专业知识来解释结果。使用宏基因组学产生的丰富数据来指导治疗也会给医疗决策带来困惑，例如，有时，我们会不清楚某种病原体是否会导致某种疾病。

尽管如此，支持者们表示，这些成本是值得的。美国国家过敏和传染病研究所的传染病研究人员杰西卡•曼宁(Jessica Manning)说：“宏基因组学通过寻找我们不知道的东西，在流行病防范中发挥着关键作用。”

在过去数十年中，由于基因组测序技术的进步，宏基因组学得到了巨大的发展。为了读取基因组的内容，研究人员首先分离出存储遗传信息的分子：DNA和RNA，它们是由遗传学文库的四种字母（A、T、G、C）组成的长链核苷酸分子。然后他们将长分子切成较短的片段，并读出每个片段中的字母顺序。最后，他们将较短的“读出序列”加以拼接来重建完整的基因组。

在过去的40年里，技术创新，尤其是自动化技术的创新，极大地改善了这一过程的每一部分。人类基因组计划于1990年启动，全球20个研究小组协同工作了10多年，耗资约10亿美元才胜利完成。而到了今天，一位科学家可以在一天内以不到百万分之一的成本对人类基因组进行非常精确的测序。

随着技术的日新月异，研究人员开始尝试同时对许多生物体进行测序，这是一项复杂的任务，需要弄清楚如何将数百万计的短读出序列拼接在一起，以构建成为任意数量的基因组。最终，研究人员编写了复杂的软件，运用强大计算机及其网络技术对序列进行分类。

图注：CZ Biohub主席乔•德里西创建了一个免费的在线软件包来解决宏基因组学中难以解决的测序难题，CZ生物中心已经培训了数百名研究人员使用该软件。图片：Barb Ries/CZ Biohub。

德里西说：“启动数百到数千个CPUs来完成这项工作并不罕见。”他创建了一个名为Chan Zuckerberg ID的免费在线软件包，可以在加州的电脑上解决这些棘手的测序难题，然后将结果发送给遥远地区的用户。

宏基因组测序在一些研究领域迅速成为不可或缺的技术，特别是在研究某种环境中各种微生物混合的情形。澳大利亚悉尼大学的病原体专家爱德华•霍姆斯(Edward Holmes)说：“得到测序的病毒数量正在经历爆炸式增长。在过去，你必须培养不同病毒并一次次地对它们进行测序。现在就不同了，只要使用宏基因组学就行了。”

在医学上，宏基因组学可以帮助解释流感或链球菌等常规检测无法发现的疾病。武汉市中心医院的艾芬和她的同事们就是这样非常幸运地发现了这种新型冠状病毒的第一手证据，尽管是部分的。

但研究人员也在更加有意图地使用宏基因组学来早期发现疫情爆发，并期望这可以防止另一场大流行。一个明显的潜在风险来自冠状病毒，这种病毒在本世纪已经导致了人类两种重大新疾病（SARS和新冠肺炎）。利用宏基因组学作为一种工具来发现病毒在亚洲动物之间是如何传播的，已经为研究人员提供了关于新的人类病原体发展的早期预警。例如，在2021年，柬埔寨的研究人员对当地蝙蝠的样本进行了宏基因组测序，发现了两种与SARS-CoV-2病毒最接近的已知亲缘病毒。2019年，中国的一个研究小组使用同样的方法发现穿山甲携带类似的病毒，并可能成为将病毒传播给人类的载体。作为曾经发现了SARS病毒可能诞生地的病毒学家，来自武汉病毒学研究所的石正丽还带领她的研究团队宣布了SARS-Cov-2病毒的发现，她们使用宏基因组学绘制了蝙蝠体内的病毒（基因组）。

研究人员还使用宏基因组学来观察世界其他地区的病原体。芝加哥大学的进化生物学家卡拉•布鲁克(Cara Brook)在马达加斯加开展了这样一个项目，她说马达加斯加是那种可能出现新疾病的地方，作为一个医疗保健资源有限的热带国家，是携带埃博拉病毒等人类病原体的蝙蝠的家园。更重要的是，马达加斯加人会捕吃一些较大的蝙蝠，这为病毒的爆发提供了现成的机会。

图注：进化生物学家卡拉•布鲁克正在用宏基因组学技术观察马达加斯加的病原体。去年，她的团队报告了两种新型冠状病毒，但这两种病毒似乎都不对人类构成威胁。图片：卡拉•布鲁克友情提供。

2022年11月，布鲁克和四名研究生一头扎进马达加斯加的森林，从三种蝙蝠身上收集病毒样本。其中最大的是马达加斯加狐蝠，其翼展可达3英尺左右，会成为一顿可观的大餐。布鲁克说：“其胸肌群大，令人印象深刻，就像牛排一样。”

     经过努力，布鲁克捕捉到一只健康状况良好的蝙蝠，它还是她的团队在2013年采样和标记过的。蝙蝠的寿命可长达40年，比其他体型相似的哺乳动物长得多。人们认为，作为唯一会飞的哺乳动物，蝙蝠在免疫系统中形成了独特的特征机制，这既可以解释它们的长寿，也可以解释为什么它们携带如此多的病毒。因此，这可能就是为什么蝙蝠是如此多人类疾病的源头。

2022年，布鲁克和她的同事在《公共卫生前沿》杂志上报告了两种新型冠状病毒的序列。据这篇论文称，这些病毒似乎对人类不构成威胁，但更多地了解它们的系谱图可以帮助研究人员更好地理解冠状病毒是如何进化成致病种类的。布鲁克还对马达加斯加不明原因发烧患者的样本进行了测序，看看她能否发现已经从另一种动物身上传播过来的新病原体。

其他研究小组也在寻找类似的传播。例如，2018年，一组研究人员在中国的三家医院建立了一项观测计划，使用宏基因组测序来测试发烧和最近接触动物的人。在接下来的三年里，他们发现35人感染了一种以前未知的病毒，他们在2022年8月的《新英格兰医学杂志》上描述了这种病毒。研究人员还对患者家附近的动物进行了测试，在众多的山羊、狗、小鼠和一只不幸的田鼠身上发现了病毒，最常见的是在鼩鼱身上，研究人员怀疑它是病毒的天然宿主。研究人员说：没有患者死亡，这种病毒不太可能在人与人之间传播；但是如果病毒进化得更危险，医生们现在可以做好更充分的准备。

许多研究人员告诉《夜光》（Undark）杂志，宏基因组学应该在监测疫情方面发挥更大的作用。华盛顿大学的微生物学家亚历山大•格雷宁格(Alexander Greninger)说，使用这项技术最明显的方式是对那些死因不明的病人进行测试。格雷宁格说：“最后人们会说：‘好啦，它不会改变患者管理’，但对诊断学企业来说，了解它缺失了什么是很重要的。我们主要担心的不就是这些新型病毒大流行的死亡率吗?”他问道。“这真的是煤矿里的金丝雀。”

但是日常使用还是有障碍的。格雷宁格说，美国医疗保健的一个重大组织问题是，保险公司通常为覆盖一种疾病的传统检测支付费用，而不是像宏基因组测序这样寻找多种疾病的检测。

允许这样的检测可能会形成巨大的反差。2020年2月初，在医生们知道COVID-19在美国传播的三周前，旧金山湾区一名有流感样症状的妇女突然死亡。她的死亡让当地验尸官和她的家人感到困惑，他们怀疑她是否感染了新型冠状病毒。但直到开始患病两个月后她才接受检测，当时她被确定为第一个死于这种疾病的美国人。来自旧金山附近的德里西说，如果医疗保健系统将患者与宏基因组学联系起来，他的实验室可能很快就能识别出她患有COVID-19。

到目前为止，陈•扎克伯格生物中心已经培训了数百名研究人员，包括布鲁克，使用德里西发明的宏基因组学工具来识别世界各地的病原体。“总之，宏基因组学是建立一种早期预警雷达机制的好方法，”他说。“在未来，医生和科学家可能会常规使用这项技术来观察新老疾病。下一代宏基因组测序，以及相关技术的进步，将被用来取代我们现有的许多主要传染病诊断系统。”

宏基因组学也有值得权衡利弊之处。格雷宁格说，其中一个问题是价格：测序成本高于对常见感染的快速检测，尤其是考虑到大多数人的宏基因组检测发现的常见病原体数量相对较少，这种测序不是非常有价值。在中国，测序的成本较低，主要是因为那里的公司对大量样本进行了测序，给这些公司带来了巨大的规模效益。

研究人员还指出，许多宏基因组学的成功都是在小数量人群中检测到新的或意想不到的病原体的病例报告。更难的是展示该工具应该如何在整个卫生系统中系统地应用，例如在什么情况下对病人进行检测，然后如何对复杂的结果采取行动。格雷宁格说，该领域有很多“粉丝”，他们把宏基因组学吹捧为华丽的大数据技术，同时淡化其复杂性。他说：“学术界干的就是兜售未来。”

资料来源 undark.org

本文作者阿莫斯•泽伯格（Amos Zeeberg）是一名自由撰稿人，他的作品曾在《纽约客》、《大西洋月刊》和《发现》等刊物上发表。

转自：《生命科学前沿公众号》