华大智造DNBSEQ平台助力发现COVID-19病人个体内新冠病毒准种变异新特征

控制新冠病毒的传播，重要的一点是对单链RNA病毒的新冠病毒进行高深度的全基因组测序，了解其突变与进化规律。该研究需要对多个新冠患者不同部位和时间点的样品进行高深度测序，对测序平台的特异性和精准性提出很高要求。华大智造DNBSEQ测序平台为此次研究提供了有力的技术保障。

近日，深圳华大生命科学研究和广州医科大学附属第一医院/广州呼吸健康研究院/呼吸疾病国家重点实验室赵金存教授团队联合多家单位在国际期刊Genome Medicine和Frontiers in Medicine上分别发表了题为《新冠病毒在个体内的变异和进化动态分析》（“Intra-host variation and evolutionary dynamics of SARS-CoV-2 populations in COVID-19 patients”）和《新冠病毒在个体间传播的群体瓶颈效应和体内变异》（“Population bottlenecks and intra-host evolution during human-to-human transmission of SARS-CoV-2”）两篇成果论文。

研究依托华大智造DNBSEQ-T7和MGISEQ-2000测序仪完成对样本的高通量测序。一部分样本使用MGIEasy RNA文库制备试剂盒构建宏转录组文库，DNBSEQ-T7测序仪进行PE100测序。另一部分样本使用2019-nCoVirus DNA/RNA Capture Panel进行探针捕获建库，MGISEQ-2000测序仪进行PE100测序。通过解析新冠病毒群体的宿主内变异，揭示了新冠病毒群体在个体内组织间的演化差异以及在人际间传播中的群体瓶颈效应。

要控制新冠病毒的传播，很重要的一点是了解其突变与进化规律。新冠病毒作为单链RNA病毒，在同一个体中往往会由于突变而形成高度相似但不尽相同的变异株组成的动态种群（病毒准种，viral quasispecies)。

其构成往往受到遗传变异、竞争以及选择压力的影响而发生动态变化。病毒群体在个体内和个体间的变异与演化特征可反映病毒的进化适应潜力与传播侵染特征，对制定有效的治疗方案和精确指导病毒防控策略有重要意义。

新冠病毒个体内变异研究

揭示病毒在体内的组织间群体差异和变异的积累变化过程

文章：新冠病毒在个体内的变异和进化动态分析

为了解新冠病毒群体在患者体内的时空演化特征，个体内变异研究应用华大智造自主研发的MGISEQ-2000和DNBSEQ-T7高通量测序平台对广东地区的8名新冠确诊病例不同时间点的上呼吸道和下消化道样品（鼻、咽、痰、粪、肛样）进行高深度宏转录组和探针捕获测序，并交叉验证检测体内变异位点。本研究揭示了病毒群体在个体内的时空分布差异性，并首次展示了新冠病毒在体内的突变积累和连续变化过程。

                      新冠病毒基因组一致性突变信息

新冠病毒基因组的进化分布

该团队通过DNBSEQ平台，从其中32个样品获取了新冠病毒的全基因组序列。获取的32个病毒基因组共包括14个核苷酸突变，反映出病毒仍处于持续的突变与进化过程。这32个基因组可以归类到不同的进化分支上。值得一提的是，在一位患者身上，研究人员发现了不同新冠病毒基因型并存的情况，说明不同的病毒基因型可在同一患者中进行独立的病毒复制。

体内变异位点的分布

研究团队进一步在其中六名患者中共检测出40个体内变异位点（iSNVs）。这些体内变异位点在三个密码子位置上数量相似，在同义和非同义位点上的碱基频率无显著差异，反映出它们的负选择压力较小。其中一个变异位点G11083T已在全球多个独立进化分支被检测到，暗示着部分病毒基因组位点突变频率较快，具有适应宿主体内环境的遗传可塑性。

 上呼吸道和下消化道间的病毒群体差异

在多次采样的患者中，只有少数体内变异在同一患者的所有样品中被检测到，揭示了同一个体组织间的病毒群体差异。研究人员发现患者的病毒群体差异主要体现在下消化道 （肛粪样）和上呼吸道（鼻、咽、痰样）之间，并且下消化道的病毒有着明显较高的群体多样性。这可能是病毒群体在体内移行时的瓶颈效应导致新病毒群体与原群体出现较大差别。另外，不同组织间的环境差异也可能影响病毒群体结构的差异和演化。

病毒群体的时序变化

通过比较两名患者（P01和P08）下消化道多个时间点样品的体内变异碱基频率，研究团队发现病毒群体处于频繁的动态变化中。特别是在患者P01的下消化道，七个体内变异的碱基比例在三个时间点上呈现出连续的变化趋势，提示着病毒群体的变化是动态且连续的。通过比较同一邻近变异位点在不同时间点的测序序列，研究团队观测到了病毒突变在同一单倍体型中逐步累积并扩张的过程，暗示着病毒在患者体内通过变异逐步适应宿主体内环境的进化潜力。

新冠病毒在个体间的群体演化探索

揭示病毒群体的活性变化和人际间传播时的群体瓶颈效应

文章：新冠病毒在个体间传播时的群体瓶颈效应和体内变异

进一步的，研究团队将体内变异的研究经验应用到个体间的群体演化探索上。在个体间传播研究中，科研团队通过宏转录组和探针捕获技术测序分析了13名广东新冠肺炎患者（包括两对分别来自同一家庭有流行病学关联的患者）的30份上呼吸道样品。

病毒活性随病程递减

为研究病毒群体的活性变化，研究人员通过检索同时分开比对上病毒基因组前端区域和中间基因编码区的测序序列来鉴定病毒的基因转录过程信号，并以此计算病毒活性。一方面，上呼吸道不同样品类型间的病毒群体活性没有体现明显差异。另一方面，通过比较两名患者多个时间点的样品，研究人员发现在病毒载量随恢复病程逐步递减的同时（Ct值升高），病毒活性亦随病程递减，进一步验证了病毒活性与其在患者体内转录复制的密切关系。

家庭内及家庭间个体的病毒群体遗传距离

通过比较家庭内及家庭间个体的病毒群体遗传距离，研究人员发现家庭内个体间的群体遗传距离较近，其遗传相似度由主要突变碱基所决定，且共享的次要变异碱基数较少。经估算，样品中人际间传播的病毒颗粒数为6到8个颗粒，反映了新冠病毒群体在传播时可出现较为明显的病毒群体瓶颈效应，暗示着较少的病毒颗粒即可造成感染。

原文链接：https://genomemedicine.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13073-021-00847-5https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmed.2021.585358/full

参考文献：

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4. Wang Y, Wang D, Zhang L, et al. Intra-host variation and evolutionary dynamics of SARS-CoV-2 populations in COVID-19 patients. Genome Med. 2021. doi: 10.1186/s13073-021-00847-5.

5 Wang D, Wang Y, Sun W, et al. Population bottlenecks and intra-host evolution during human-to-human transmission of SARS-CoV-2. Frontiers in Med. 2021. doi:10.3389/fmed.2021.585358.