细胞感染模型中RNA病毒的准种微进化理论和方法学研究

Evolutionary medicine is a new application of modern evolutionary theory in the field of health problems. In the field of infectious diseases, discerning the spread and evolution of infectious disease pathogens is essential to develop the scientific and effective prevention and control strategies. At present, the lack of computational methods, statistical analysis methods and evolutionary models has become the bottleneck for applying evolutionary medicine in the field of infectious diseases. In this study, we are planning to use Japanese encephalitis virus (JEV) vaccine strain as a model virus to study evolutionary dynamics of JEV quasispecies during persistent infection and under selective pressures. We proposed to employ single molecule sequencing technology and second generation sequencing to access viral quasispecies population. The methods to estimate mutation rate, mutation frequency, the correlation between mutation and other factor under neutral and non-neutral evolution are to be established. The aim of project is to understand the basic theory and mechanism of viral quasispecies micro-evolution, and also to establish new bioinformatics and computational methodology for micro-evolution of RNA viruses.

进化医学是现代进化理论在疾病健康领域的新应用。在传染病领域，结合这一新学科理论，明晰传染病病原体的传播与进化规律，是制定科学有效的传染病防控策略的必要前提。目前，该领域的计算方法、统计分析策略和进化模型还很缺乏，成为了进化医学在传染病领域进一步应用的瓶颈。本研究拟以乙脑病毒疫苗株为研究对象，探讨乙脑病毒在细胞内持续感染进程中的进化模型，并揭示中性和用药环境下的进化动力学。在方法学方面，我们拟建立基于单分子测序的RNA病毒种群突变检测方法，RNA病毒种群突变频率计算方法，以及各因素同多基因突变相关性的计算模型。在此基础上，构建病毒种群在细胞中的进化模型，包括突变率的估计模型，中性选择的微进化模型，以及耐药选择下的负选择模型，最终发现病毒种群在细胞持续感染过程中的微进化规律。本项目面向整个重大研究计划中“微进化机制的基本理论与法则”，预期建立病毒微进化研究所需要的生物信息学和计算生物学新方法。

进化医学是现代进化理论在疾病健康领域的新应用，在传染病领域，结合这一新学科理论，明晰传染病病原体的传播与进化规律是制定科学有效的传染病防控策略的必要前提。目前，针对该传染病领域的计进化医学是现代进化理论在疾病健康领域的新应用，在传染病领域，结合这一新学科理论，明晰传染病病原体的传播与进化规律是制定科学有效的传染病防控策略的必要前提。目前，针对该传染病领域的计算方法、统计分析策略和进化模型的缺乏，成为进化医学在传染病领域进一步应用的瓶颈。算方法、统计分析策略和进化模型的缺乏，成为进化医学在传染病领域进一步应用的瓶颈。本项目通过整合高通量测序平台，开发生物信息学算法，建立了一整套基于iSNV的分析策略和方法，并系统性的评估该方法的准确性。在此研究方法的基础上，利用黄病毒感染人的病例资源，我们系统的分析了黄病毒在感染人过程中的宿主内进化特征。研究结果表明，黄病毒的准种主要来源于密码子的第三位和非编码区，处于密码子第一、第二位的iSNV数量要小于以上两个区域。病毒的同义突变比例要略高于非同义突变比例。在准种频率上，处于非编码区的iSNV位点的突变频率要大于同义突变区，同义突变区大于非同义突变区。整体而言，病毒基因组的突变位点处于负选择压力下。结合iSNV位点的相位分析，我们发现了在病毒的3‘非翻译区存在两种不同的连锁变异模式。通过比较iSNV和SNP在细胞内和宿主间的累计速率，我们发现iSNV的累计速率要高于疫情暴发时宿主间的SNP累计速率，大约是2.25倍。同时，iSNV的累计速率要远远高于黄病毒在大时间尺度上的进化速率（约40倍）。因此，本研究提出了病毒血症期长短影响病毒进化速率的假说。我们提出了：黄病毒具有最短的病毒血症期，因而导致了最慢的进化速率；而登革热病毒和寨卡病毒的病毒血症期相对较长，因此在黄病毒属中具有更快的进化速率。本项目研究建立了病毒微进化研究所需要的生物信息学和计算生物学新方法，并以黄病毒为例具体研究了病毒在宿主内的微进化过程，具有重要的理论和应用价值。