软件工程与基因测序——为追踪新冠病毒传播路径添助力

随着致命性新冠病毒在全球范围内的持续扩散，科学家们正利用基因测序加开源软件工具跟踪其具体传播路径。

这款名为Nextstrain的软件工具虽然无法确切预测病毒的下一步蔓延，但却能够及时提醒我们新的病例来自何处。对于全球各地的卫生官员来说，这类信息可谓至关重要。只要快速发现新病例，他们就能及时跟进，了解这些病例源自境外抑或是本地传播。

Nextstarin项目成员、计算科学家James Hadfield表示，这种基因组流行病学分析“对于公共卫生而言极具价值。这类数据的处理时间越早，后续响应补救措施的效果就越好。”

此番导致严重呼吸系统疾病的COVID-19新型冠状病毒于去年12月首次出现在中国，随后快速感染80000余人。截至目前，新冠病毒已经传播至趤85个国家/地区，且韩国、伊朗与意大利的发病率最高。到本文撰稿时，美国也已经确认超过250起病例。

随着新病例的出现，确定病毒来源就变得非常重要，特别是明确感染者来自本地、还是在其他地区感染到病毒。在准确把握这部分信息之后，公共卫生官员即可立足出行限制、学校停课、疑似病例隔离以及防疫资源分配等层面做出明智决策。

利用基因测序技术为冠状病毒“画像”

基因组分析能够帮助我们找到揭示病毒起源的线索。在本次疫情爆发期间，病毒的遗传密码会随着传播过程不断发生稳定突变。但每一次突变往往影响不大，只表现为基因中的单一碱基变换——例如由ATC变化为ATTC。着眼于突变，我们能够在一定程度上把握病毒的传播时间与地理轨迹。(目前尚无证据证明这种突变已经对新冠病毒的生物活性造成影响。)

通过比较全球范围内采集到病毒样本基因，新型工具即可绘制出病毒在世界各地传播时所发生的突变图谱。Nextstrain的意义也正在于此。Hafield指出，“我们伪造这些自然发生的基因突变，协助生成与病毒传播相关的可视化信息。”

Nextstrain绘制的病毒图谱涵盖病毒家谱以及进化时间表。对于此次新冠病毒，其家谱起源于中国武汉市，并在此后不断衍生分支。当新病例出现时，Nextstrain可以将新病毒样本的基因与数据库内的原有基因进行比较，借此确定其起源区域。

例如，美国的研究人员已经从加利福尼亚州出现的8起病例中读取或测得冠状病毒基因组序列。Hafield指出，其中至少6例在遗传学层面存在差异，因此证明这些病例由美国之外传播入境。

Hafield解释道，“从基因组数据角度来看，此次调查中至少有6例病毒毒株由境外传入加利福尼亚。当然，这并不是说加利福尼亚州内就不存在任何本地传播，只是当前的基因组数据还无法证实这一点。”

西雅图地区传播的冠状病毒

相比之下，根据Nextstrain的分析，西雅图地区已经成为病毒的传播温床。该软件比较了两起病例，其一采样自今年1月中旬，其二则采样自今年2月下旬，且全部发生在西雅图附近的斯诺霍米什县。由于这些病毒存在遗传相似性，因此可以证明属于本地传播。

弗雷德哈钦森癌症研究中心研究员Trevor Bedford是Nextstrain项目的参与者，他表示在以上两起病例发现间隔的六周之内，病毒很可能已经在本地社区间进行大范围传播。他预计单西雅图区域一地就存在约600名潜在感染者，而预计感染者上限可能多达1500人。(大多数新冠病毒病例的发病症状比较轻微，感染者很可能不会前往医院就诊。)

当然，Nextstrain的成功也高度依赖于科学家们对病毒样本的努力测序，特别是将测序结果发布至可免费访问的网站之上。到目前为止，全球研究人员都在积极发布自己的测序发现。Hadfield表示，大多数从业者都会将测序数据上传至公开访问的GISAID库当中。感谢整个社区的贡献，Nextstrain团队得以在这里找到软件开发所必需的宝贵数据。

然而，在资源相对有限的区域，科学家可能拿不到进行此类分析所需要的实验室工具或者培训素材。为此，一支名为ARTIC Network的小组正在提供协议与培训资源，帮助全球科学家顺利完成疾病监测与基因测序。他们还开发出“案例实验室”，引导用户轻松将资源部署至远程位置。

上周，巴西也传出令人振奋的成功故事。在不到48小时之内，研究人员即从圣保罗的一位病患身上收集到新冠病毒样本，利用ARTIC协议对病毒基因组完成测序，并将数据共享至GISAID库。科学家们在这里使用的基因组测序工具为MinION。