病毒自動化分析與鑒定流程

導讀：世界上分布著種類繁多的病毒，然而其中僅僅約有300種病毒被人們定義為病原體。技術的發展讓更多的病毒被發現和鑒定。病毒的鑒定不僅對病毒學有著重要的意義，同時也與公共衛生、傳染病等國計民生息息相關。21世紀以來，接連爆發的公共衛生危機都是由病毒引起的，如2003年爆發的非典型肺炎（SARS），2009年流感大流行（H1N1），近期的禽流感（H7N9）與西非埃博拉病毒。傳統應用於病毒檢測的方法，包括培養、血清學實驗以及核酸檢測等，存在著檢測範圍上限問題與需要病毒的先驗知識等問題。因此快速全面地對新興病毒的鑒定不僅減少病毒傳播的風險，同時可以為患者提供快速有效的治療方式。

隨著高通量測序的成本不斷下降，通過宏基因組的方式完成病毒鑒定已經在越來越多的實驗室與醫院進行採用。然而要在海量的測序數據快速準確完成痕量的病毒序列的檢測仍然是當前的瓶頸。已有的研究開發出不同的分析流程，首先通過去除與宿主相關的讀長（reads），然後與參考資料庫進行比對。雖然部分軟體利用更快的軟體，如bowtie1與bowtie2完成去除宿主序列，然而分析流程主要還是依賴BLAST（Basic Local Alignment Search Tool）進行比對分析。然而即便在高性能計算機上運行這些軟體，分析的時間需要幾天甚至幾周。

在本研究中，研究人員研發出快速靈敏的高通量測序宏基因組完成病毒鑒定與發現的自動化軟體VIP （Virus Identification Pipeline）。首先快速去除與宿主相關的讀長，不僅在核酸層面完成資料庫檢索，同時在蛋白層面上進行分析，這樣保證了高變的病毒毒株也能完成鑒定。值得一提的是，本研究開發出一種宏基因組的組裝方法，不僅大大提高了組裝結果（N50）。

研究人員成功使用高通量測序與VIP應對了2014年廣州登革熱疫情，並於2015年在36小時內解析出中國首例中東呼吸道冠狀病毒（MERS）全基因組，第一時間內保證了公共衛生的安全。VIP也被影響因子8.314的雜誌《Current Opinion inBiotechnology》引用評論為「病毒學領域高解析度的分析工具首次被開發完成」。

李洋為該論文的第一作者，馬學軍研究員為通訊作者。該工作得到了國家傳染病重大專項與北京科學技術委員項目支持。

VIP: an integrated pipeline for metagenomics of virus identification and discovery

AbstractIdentificationand discovery of viruses using next-generation sequencing technology is afast-developing area with potential wide application in clinical diagnostics,public health monitoring and novel virus discovery. However, tremendoussequence data from NGS study has posed great challenge both in accuracy andvelocity for application of NGS study. Here we describe VIP (「VirusIdentification Pipeline」), a one-touch computational pipeline for virusidentification and discovery from metagenomic NGS data. VIP performs thefollowing steps to achieve its goal: (i) map and filter out background-relatedreads, (ii) extensive classification of reads on the basis of nucleotide andremote amino acid homology, (iii) multiple k-mer based de novo assembly andphylogenetic analysis to provide evolutionary insight. We validated thefeasibility and veracity of this pipeline with sequencing results of varioustypes of clinical samples and public datasets. VIP has also contributed to timelyvirus diagnosis (~10?min) in acutely ill patients,demonstrating its potential in the performance of unbiased NGS-based clinicalstudies with demand of short turnaround time. VIP is released under GPLv3 andis available for free download at:https://github.com/keylabivdc/VIP.

作者：Young

編輯：Jianbo