宏基因組研究新突破，復旦最新研究發Nature

近年來

偽狂犬、猴痘等病毒

從動物向人類外溢

引發新發傳染病甚至全球大流行

的頻率正在顯著增加

如何精準預測和預報動物源新發傳染病是關系綠色健康養殖與公共衛生防控的重要科學問題

復旦大學公共衛生學院

粟碩教授團隊與合作者

運用前沿交叉研究方法

揭示多種哺乳動物宏基因組數據中的

病毒基因組組成、生態學特征

與跨物種傳播規律

在“同一健康”理念下

為構建人-動物-環境一體化

多維度新發傳染病預測預警體系

奠定重要數據基礎

成果于北京時間9月4日以題為

“Farmed fur animals harbor viruses

with zoonotic spillover potential”的研究長文

在《自然》雜志（Nature）發表

聚焦養殖哺乳動物

發現潛在“風險”病毒

21世紀以來，人類多次經歷由動物源新發傳染病原引發的大流行疫情。2014年西非埃博拉病毒疫情、2015年寨卡病毒在南美暴發并蔓延全球，以及近期起源非洲的猴痘疫情等，接連不斷地給全球公共衛生體系帶來嚴峻挑戰。

據報道，超過70%的人畜共患疾病源自野生動物。隨著全球城市化進程加速，密集的城郊人口、集約化養殖、便捷旅行及環境變化等社會生態因素促使新發傳染病頻發。這些傳染病常由動物引發，并在人畜密切接觸、非洲南美洲一些衛生條件不佳的地區顯現，公共衛生防線前置需求迫在眉睫。

盡管先前大量碎片化的研究提示部分養殖哺乳動物具有攜帶人獸共患病毒的潛力（https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/28284614/），但哺乳動物種類多樣，除傳統家畜外，缺乏對其他養殖哺乳動物多地域、多類群、跨物種等不同維度內的綜合病毒組挖掘與跨尺度信息整合研究。當前這些動物的病原生態學與流行病學數據存在較大空白，制約了新發傳染病疫情的精準防控。

“我們的研究希望填補當前對動物攜帶微生物的認知空白，尤其是養殖哺乳動物。”粟碩表示，大多數人類病毒都源自動物傳播，但究竟哪些動物攜帶何種病毒、這些病毒未來是否會對人類構成潛在威脅，目前仍存在較大不確定性。“如果能提前監測和預報這些病毒，并部署包括疫苗研發在內的綜合防控措施，這對于新發傳染病關口前移、保障人類健康至關重要。”

團隊對來自5個動物目的哺乳動物進行了系統的宏基因組研究，鑒定了125種病毒基因組，其中39種可推定為新的病毒種，豐富了養殖哺乳動物攜帶病毒的種類（圖1）。使用生態學地理分布、進化動力學、公共大數據等多學科交叉方法，團隊遴選出諾如病毒、蓋塔病毒等多種頻繁發生“宿主跳躍”的潛在“風險”病毒，解析其跨物種傳播規律，并從空間聚類、動物類群、種群、組織等多維度揭示了潛在“風險”病毒的生態學與流行病學特征。

圖1：哺乳動物攜帶RNA病毒的多樣性

多學科交叉

尋找病毒檢測分析新方法

下一代測序技術的成熟推動了全球基因組學的挖掘與共享進程，在既往的組學研究中，研究人員通常按物種或采樣地點進行混樣，從而初步解析病毒多樣性。然而，傳統的混合樣本測序無法清晰揭示個體之間或生態系統中不同組成部分之間的關系，還存在樣本主要集中于糞便、難以區分環境污染等問題。此外，低豐度病毒面臨基因組碎片化、片段化的挑戰，混合樣本難以實現病毒片段的精準分類，大大制約了病毒基因組的獲取。

針對這些局限，團隊設計了單組織單樣本的建庫策略，實現了在個體水平解析病毒共感染以及更靈敏的挖掘低豐度病毒。研究在166個單組織文庫里鑒定到2種以上的病毒，發現星狀病毒、細小病毒等與其他病毒頻繁發生共感染。通過對低豐度病毒片段的精準拼接，避免了真陽性病毒因豐度閾值而被過濾，實現了多個病毒的90%基因組完成度（圖2）。

“我們采用的新方法可以精確地在個體層面解析病毒共感染狀況，并能更靈敏地檢測低豐度病毒，揭示出動物組織器官、個體乃至群體間的多層次病原分布情況，從而獲得更為豐富和高分辨率的數據。”粟碩介紹。這意味著研究人員能獲得更加細致的分析結果、進行更深入的統計學分析，從而揭示不同尺度上的病原生態學問題。

圖2：哺乳動物的高分辨率病毒組

研究團隊的跨學科交叉研究方法，為其他新發病原體的風險評估樹立了范例，為構建多維度新發傳染病風險評估體系奠定了基礎。這不僅對公共衛生領域產生深遠影響，同時也為病毒學、生態學等相關領域提供了新的研究視角和方法指引。

在將近三年的研究過程中，團隊面臨的最大挑戰在于海量宏基因組數據的處理與分析。“分析這些數據需要過硬的生物信息學能力。我們要從海量的原始數據中篩選出病毒信號，并確定哪些是真正的病毒序列。”粟碩帶領團隊構建高效的一體化宏病毒組注釋管道，用于數據清洗、病毒識別和生物信息學分析，成功攻克這一難題。

豐富病毒本底數據，為新發病毒預測預警提供支撐

研究獲得的病毒數據，豐富了哺乳動物的病毒本底數據，通過揭示養殖哺乳動物體內病毒的復雜組成，探索病毒跨物種傳播的潛力，該研究強調了將公共衛生安全防線前移的重要性。

“現階段潛在風險病原體并沒有公共衛生風險，但對于那些在動物中已經表現出較高流行趨勢的病原體，應當加強其在動物中的監測和防控。”粟碩表示，蓋塔病毒已在我國多種養殖和野生動物中被監測到，具有頻繁跨物種傳播能力，應加強對蓋塔病毒的監測并盡早儲備動物疫苗，保障動物健康養殖以及預防其潛在跨物種傳播風險。

近年來，復旦大學粟碩團隊致力于應用多學科交叉技術進行新發病毒綜合防控研究。此前團隊已經在《細胞》（Cell）雜志發表多篇論文，揭示了哪些動物攜帶和可能傳播風險病原，討論了針對公共衛生防控在未來可采用的宏基因組和多種交叉研究全新監測方法。2024年8月，團隊應邀在Cell上發表對全球高致病性禽流感A（H5N1）疫情防控的觀點（https://www.cell.com/cell/abstract/S0092-8674(24)00784-0）。文章針對H5N1在美國奶牛場暴發且出現突變病毒（PB2-E627K）外溢到四名奶牛場工人的案例，強調了養殖動物是除禽類以外的人類感染的潛在前線，提出了在環境-動物-人類界面上跨學科研究、全景監測防控禽流感病毒的前沿觀點。

圖3：課題組研究生努力突破研究瓶頸

研究團隊年輕而富有活力，論文的前三位共同第一作者均是課題組在讀研究生。下一步，團隊將繼續聚焦于人和動物新發病毒的預測預報和綜合防控研究，將病毒宏基因組等新技術與傳統的流行病學數據、環境和生態因素相結合，并針對研究瓶頸按需求開發新的生物信息分析方法，力爭為傳染病防控和公共衛生安全提供更有力的科學支撐。

原文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07901-3

（原題：宏基因組研究新突破！復旦Nature+1）