分子流行病学和分子进化流行病学
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第三节 分子进化流行病学的主要研究方法

一、分子进化和系统发育研究方法
分子进化和系统发育研究方法,应是分子进化流行病学重要的手段。从目前科学发展到分子水平层面上看,分子进化技术和系统发育研究方法已相互不可分割;因此,建立了“分子系统发育学”。然而,以应用和实践角度视之,可将其分为两部分内容:基因组学(组学,omics)生物技术和分子系统发育研究方法。
(一)基因组学生物技术
自实现人类基因组计划以来,各种各样相关的分子生物学技术层出不穷,如本章第一节中提到的数不清的技术和方法名称。当然无可否认,“全基因组关联分析(GWAS)”和“下一代测序技术(NGS)”是其中最为关键的方法。原因如下:
1.应用十分广泛
前二节所描述的内容和举例几乎均与之紧密相连;目前国内外基础、预防与临床医学进行疾病防治和人类健康相关的分子生物学或分子进化研究方法,无不与之有关。
2.为分子系统发育研究提供不可或缺的数据和资料库
进行分子系统发育研究之前,必须掌握有关基因或遗传物质的位点、突变类型、涉及区域、基因及其表达方式、基因与表型之关系等,而这些结果均需通过GWAS和NGS方法及其相关技术获取。
对于组学生物技术以及GWAS和NGS方法,不仅分子进化领域学者已经非常熟悉甚至运用自如,而且流行病学、预防医学其他学科与临床医学方面的学者也十分重视,努力学习、付诸实践甚至已经完全掌握。因为高科技的发展和方法极其吸引人,绝大部分学者时刻跟踪着高科技的前沿(下面还将提及)。
同时,由于GWAS和NGS等组学生物技术应用十分广泛,故本书除本章外,以下其他章节大多也联系这些方法阐述该专业的理论和技术,故这部分内容在此不再详细讨论。
(二)分子系统发育研究方法
系统发育研究和分子系统发育研究方法,十多年前在流行病学等预防医学与临床医学中即开始应用,至今已比较普遍;尤其是各类研究生论文中相当常见。然而,若要应付时代在人类健康与疾病防治方面对我们的挑战,还需系统地、认真地学习其比较深奥、持续更新的理论和技术,同时应用于实际科学问题之研究,并将理论和实践相结合融会贯通地掌握其精髓。
有关分子系统发育的学科或领域之名称和定义,在文献资料中各有不同;如名称:“分子系统发育”“分子系统发育学”“分子系统学”“分子种系发育”“分子种系发生”,有些直接将其称为“分子进化”或“分子进化研究”等;纵然其内涵十分接近,但仍给初学者带来诸多不便。
为规范化,我们选用“分子系统发育学”;在表达其应用时,则用“分子系统发育研究”或“分子系统发育研究方法”,以图简便。
我们仅从分子进化流行病学的视角,尝试对“分子系统发育学”给出如下定义,供流行病学与有关学者指正与参考:分子系统发育学是用分子信息和分子生物学技术研究生物进化史,重塑和评价系统发生谱。它是分子生物学和群体遗传学在飞速发展中孕育出的交叉学科。“综合进化论”创始人之一者杜布赞斯基(Dobzhansky T)有句名言:“没有进化论的指导,生物学就不称为科学”;可见,分子系统发育学虽产生不久,但在生物学乃至整个生命科学中占有举足轻重的位置,为人类健康和疾病防治将发挥愈来愈重要的作用!
由此定义可见,分子系统发育研究主要方法是在采取到生物的分子信息后重塑分子系统发育树或分子系统树(molecular phylogenetic tree);换言之,应用日益更新的分子生物学技术,如晚近的GWAS和NGS研究路线,确认对象群体与健康和/或疾病进化相关的基因等遗传物质变异状态,以及群体间或群体内个体间分子水平定量的亲缘距离或遗传距离,再以系统发育方法建立系统树。
分子系统发育树重塑和评价的方式繁多,根据研究目的不同也可有不同的选择;但其主要原理和步骤相似:第一,确认研究对象群体(类群)的代表性;流行病学研究设计选择靶人群时最基本最重要之条件为代表性和可比性,故此点亦符合流行病学研究要求。当然,在此应指出一点:由于多方面的局限性,现在确认的分子变异标记(志)和重塑的系统树均存在一定问题,因此,若有条件应尽量选择具代表性的大样本。第二,选定该研究类群的遗传物质变异标记,目前通常为染色体区域、基因和/或其表达的蛋白质序列、位点等。第三,对上述分子标记采用有关软件进行比对,确认其符合重塑系统树的条件。第四,选择合适的数学模型和软件重塑系统发育树。第五,对所建系统发育树进行检验,以鉴定其可靠性。
分子系统发育研究有关的详细理论阐述和具体技术细节,请阅读本篇的其他章节和有关专著。现举我们课题组的一个研究实例,可能会对读者有所启发。
我国是病毒性肝炎的大国,尤其乙型肝炎病毒(HBV)携带率很高。因此,有位已故中央领导人十分关心群众健康,将病毒性肝炎称之为“国害”;她的关怀极大地鼓舞了该研究领域的学者和防治工作者。当时,世界卫生组织(WHO)亦提出全球在2010年应达到控制乙型病毒性肝炎(乙型肝炎,乙肝)的目标,也鞭策着各国从事乙型肝炎研究的专家。根据当时的流行态势和传染病学、流行病学理论,我们认为,欲达到控制乙肝的目标,需解决两个关键的科学问题:一是慢性乙型肝炎患者和HBV携带者的治疗,因他们是乙肝的主要传染源;二是HBV宫内传播的防控,因其不仅发生率较高,约占携带HBV(或乙型病毒表面抗原,HBsAg)阳性孕妇新生儿之5%,且后者易为终身携带者,若为女性则又可以此途径传至后代;如此世代循环,是乙肝防控和消除的最大障碍。所以,自1993年起课题组开始HBV宫内传播危险因素及其机制的探索,经多年的分析性流行病学结合免疫组化、免疫荧光双标记组化-共聚焦显微镜观察、原位杂交等实验方法,即后称“分子流行病学”之研究获得意想不到的结果,不仅阐明了HBV宫内传播的主要危险因素及其交互作用,且提出关于“HBV宫内传播”分子机制和经胎盘的“血源(胎盘渗漏)性”“细胞源(HBV在胎盘细胞间转移)性”两种传播方式之假设。
前几年,我们又应用分子系统发育方法进行了更深入的研究,又有了新的发现。研究对象与分组:选取发生“HBV宫内传播”8对母(M组)婴(N组)血清经分离、克隆并已上传至NCBI的59条(株)2.5kb HBV基因组序列,其中M组27条,N组32条。将8对母(M)婴(N)各分成8组,分别以阿拉伯数字命名,即M1至M8组;N1至N8组,共16组;并将M、N组59株序列分别以2位数的阿拉伯数字命名:第1位为M、N组的组名,第2位为M、N组内的株(序列)名,如M组第1株为M11,N组亦然;由于M、N各组的株(序列)数各异,故16组之间2位数命名的株数不等(图1-2)。为全面精确反映各组各株间遗传距离(genetic distance),比较时还将:①各对母(M)婴(N)合并(MN)成一组,组内仍对M、N各以阿拉伯个位数字命名,如第一对(组)母婴为M1N1组,共8组;②各对母(M)婴(N)相比(M/N)成一组,如第一对(组)母婴为M1/N1组,也共8组。
研究方法,首先计算遗传距离,同时比较组即各对M与N组、MN组与M/N组之间遗传距离。继之对上述基因序列和信息,用相应软件分别以邻接法(neighbor-joining, NJ)(图1-2)、最大似然法(maximum likelihood, ML)、最大简约法(maximum parsimony, MP)、贝叶斯法(Bayesian inference, BI)重塑多种系统树进行系统发育分析。以上59株均为内群。同时,在库内选择符合要求的2株AF222322(HBV A亚型)、AF0469962(HBV B亚型)作为外群。
图1-2 邻接法(NJ)重塑的HBV 2.5kb基因(nt 1606-0-nt 873)全序列系统发育树
注:结节旁的数字为自展检验(bootstrap)值
引自Sun H, Tang X, Wang BJ, et al. The preliminary study on molecular evolution of two routes of intrauterine transmission of Hepatitis B virus[J]. Arch Virol,2012,157(1):155-164.
其结果使我们大喜过望,与以前分子流行病学研究相比较,又有了非常重要、相当关键的新发现,极大地补充和完善我们的假设和理论。具体描述如下。
1.M1N1和M4N4数据集的系统发育树的拓扑结构
结果表明:①两者之间存在明显的系统发育关系:N组起源于M组;而演化过程清晰:N组与M组间的主要毒株不同。提示母亲HBV可能通过“细胞”途径进入胎儿,经历了系统的进化。故这种情况更符合HBV宫内传播的“细胞路径”。②M和N组间遗传距离却小于其他母婴组,提示HBV的进化分枝(歧)时间相对较短,感染发生时间可能在妊娠晚期。
2.M2N2和M8N8数据集的系统发育树拓扑结构
显示:①M和N各为单源性,也提示其与M1N1和M4N4相一致,母亲病毒可能经胎盘多层“细胞”转移进入胎儿,经历了系统的进化;②M和N序列之间的遗传距离大于其他组,表明两组之间的分枝时间比较长,感染发生时间却与M1N1和M4N4相反,可能在妊娠早期。
3.M5N5母婴毒株
发现两者聚集成一个分枝,且基因序列之间的遗传距离短得多,支持由于部分胎盘渗漏而发生“血源”传播途径,“轻易”地进入胎儿血液循环。从理论推测,病毒从母体胎盘直接泄漏至胎儿,受到进化压力的影响很小,所以婴儿毒株很类似于母亲。
4.M3N3和M7N7的状态
可见婴儿仅有一些毒株与母亲的聚集在一起,而其他毒株形成另一个单源组,且群体内的遗传距离相对较大。母婴毒株间这种进化关系和上述差异很大,即从传播方式视之,既不符合单纯的“细胞源”性,也不与“血源”性相似,却兼有“细胞源”性与“血源”性进化特点。因此,若用同时具备这两种传播方式,却可以得到满意解释:妊娠早期,胎儿经“细胞”途径受染,故婴儿毒株和母亲的部分株之间的遗传距离较大;而另一些母亲株在后期因胎盘渗漏经“血源”进入胎儿,故这些株与母亲很相似,聚集在一起。
5.M6N6的情况
类似于M3N3和M7N7。因为M6与N6两组之间和M6N6组内的遗传距离均很大。唯一不同的是,一种母体毒株为母亲和婴儿(可能为优势株以外)的其他毒株的祖先,这又是极为重要的发现!我们曾经用普通分子生物学方法比较母婴毒株间序列差异率方法显示,母亲非优势株可能也经胎盘传至胎儿;在此,虽然母亲仍然是优势株的传播,但分离到孕妇非优势株的准种且在系统发育谱系中出现,更有力支持此种可能性,为宫内传播的分子机制研究及其防治的多样性提供了证据。
综上,我们HBV宫内传播的系统发育分析,有如下独创发现:①确认了经胎盘的两种传播方式:应用分子系统发育研究方法取得的进化证据,支持甚至部分确认了先前提出经胎盘“血源(胎盘渗漏)性”“细胞源(HBV胎盘细胞间转移)性”两种传播方式的分子机制。②存在第三种途径:以分子进化关系研究的结果,显示除前述两种传播方式外,HBV宫内传播还存在第三种途径即兼有“血源性”与“细胞源性”、我们谓之“混合(血-细胞)源性”。③HBV非优势株也可能经胎盘传播:进一步以分子进化关系分析方法,证实携带HBsAg的孕妇将HBV非优势株也可经胎盘传至胎儿的可能性。④首次判定宫内传播发生的时间:应用分子系统发育研究的分枝时间方法,判定宫内传播发生的时间:妊娠早期、晚期或早、晚期均有。这是首次科学地确定宫内传播发生的阶段!因为此前,我们运用多种流行病学方法甚至Meta分析也未能得出可靠的结论(详情请参考我们课题组发表的国内外文献)。⑤首次以比较可靠的方法初步判定3种宫内传播方式的发生率:因8对(组)母婴中,有4对经“细胞源性”传播,占50.0%;仅1对为“血源性”;“混合(血-细胞)源性”却达3对(37.5%)。虽然由于样本量少(但此种符合研究条件的样本,收集极难),还需增加标本和重复试验加以确认;但初步结果仍提示,全球对“宫内传播”防控难度将大大增高:因为“血源性”大多是早期先兆流产与晚期先兆早产致部分胎盘泄漏所致,易于防止;而“细胞源性”或“混合源性”却需母血内HBV经胎盘蜕膜至胎儿血管内皮细胞多层“屏障”转移,不仅预防十分困难,而且对其发生机制尚不或不完全清楚(详情请参考我们课题组发表的国内外文献)。
至此,读者通过实例不仅可以了解分子系统发育研究的基本框架,而且将认识到:我们初次应用分子系统发育方法对HBV宫内传播的研究即突破了此领域的国际前沿,为祖国争得荣誉,为解决全球控制乙肝流行两个关键科学问题之一作出了巨大贡献!所以,也证明分子系统发育方法于人类健康与疾病防治中具无可比拟的重要性!
二、流行病学及其和系统发育互相结合的研究方法
(一)流行病学研究方法
流行病学发展至今,研究方法已有许许多多;随着先后引入现代统计学和分子生物学技术以及现今日益增长的疾病诊、防、治的需求,建立了很多分支学科和新方法。这些方法均能应用于“分子进化流行病学”研究。因此,我们在第1版“分子流行病学”绪论的“(二)现场流行病学研究方法”中指出,“传统的现场流行病学研究方法,即描述性研究,分析性研究与干预性研究均可应用于分子流行病学。”当然,在本书内还应该加上“分子流行病学”理论、方法和技术。
令人欣慰的是,在《分子流行病学》一书出版后,“分子流行病学”在国内逐渐普及,无论是以流行病学骨干学科的预防医学,抑或是临床医学均常用分子流行病学理论与技术进行健康和疾病防治的研究与实践;目前流行病学很热门的分支学科“临床流行病学”的研究生用书竟出现一章“临床分子流行病学”,显示出“分子流行病学”在医学界很受青睐;所获成绩也可见一斑。然而,仍应一分为二:由于多种原因,近一二十年流行病学界和卫生防病部门在应对疾病尤其新发或复燃的传染病流行或暴发时均存在一些倾向性问题,不仅影响工作成效,而且阻滞相关理论的发展。这种情况,应该引起我们高度重视!
为此,我们将此部分内容的标题有目的地定为“流行病学及其和系统发育互相结合的研究方法”,其宗旨在于:
(1)突出整体“流行病学”:
即不仅仅运用包括“分子流行病学”与“分子进化流行病学”在内的现代流行病学或前沿的研究方法;毫无疑问,先进的方法和技术既能解决以前无法回答的问题并取得巨大成绩,又能推动学科向前甚至飞速向前发展;如“分子流行病学”已不如一二十年前那样“时髦”,如前述,现在流行病学等相关专业、甚至临床医学领域内发表的论文常包含分子流行病学研究成果。但是,传统或经典甚至是经验性的流行病学不能丢,应该掌握其虽不“深奥”、却需全力去结合实践理解、消化的理论方法,且时时刻刻牢记于心、准备随时可以应用!虽然,这是种浅显的道理;而现在相当一些人却做不到。因为有一种倾向掩盖另一种倾向的情况。
主要表现为仅重视先进、新建立的方法,而忽视传统或经典流行病学甚至不屑一顾而弃之。原因很多,不做细述。我们在2006年版《军事预防医学》(为第一节内提及的2014年《程天民军事预防医学》前身,最早版为1999年《军事预防医学概论》)已经注意到这种倾向,特别指出,“然而在传染病防治方面,……出现了一些值得注意的倾向。……,和实验室检测与研究相比较而言,传染病的现场流行病学工作和研究有所削弱;……,对传染病流行的基本理论的学习和研究并应用其指导工作方面有所忽视。鉴于此,本节第一部分专门撰写了‘传染病流行的基本理论’的内容”。近年内此种倾向并未减弱,我们在高职评审会上和工作中,对一些晋升副高甚至已是副高的流行病学教师,提出一些简单甚至常识的问题:“非典的传播途径?飞沫传播和空气传播有何区别?”“流脑(流行性脑脊髓膜炎)的传染源是什么种类?”“传染源和贮存宿主的区别?”等,却回答不出。而目前杂志和研究生论文的题目,大多冠以时髦方法或新兴学科,是否也是这种倾向的反映?!当然,产生此种倾向的原因很多,不能怪罪于这些青年学者。但是若能自觉地注意和防止这种倾向,对流行病学的正确发展和促进我国与人类健康,其益莫大焉!
为何在国际前沿甚至可能是第一本“分子进化流行病学”专著的绪论中,需特别强调“传统或经典流行病学”呢?除上述倾向外,主要还有两个原因:①从流行病学发展史即可见,其着重“宏观”思维、“群体”思维、“哲学”思维;而现在潮流,技术越来越“微观”,后者的优越性无疑甚高,但如在第一节“定义”和“内涵”中反复指出的“任何事物均具两面性”:若仅“微观”思维分析问题,可能陷入“坐井观天”的窘态,既不能取得打开迷宫的钥匙,且可能进入死胡同。在此应具“欲穷千里目,更上一层楼”的胸怀:宇宙既无穷大又无穷小,现在的“分子”将无穷尽地分割下去,只有更小没有最小;因之,永远不能仅从“微观”观察事物!②人类社会和现代经济、高科技的发展及其对自然界的负面影响,使健康和疾病的问题变得愈来愈复杂,甚至远远超越了学者和人们的想象和推测。当然按常理,复杂的健康和疾病问题,应运用先进与高技术的方法应对。但是,事物的发展却十分曲折,并不按常规前进(实际上,按“常规”,事物就不能发展;只有“非常规”,才能出现新事物;即事物的发展规律为“常规”-“非常规”-“常规”-“非常规”);新出现的传染病或事件可能仅用当时最先进的方法解决不了,而同时结合应用比较“原始”或简单的方法却能迎刃而解。
流行病学史上,不乏实例。现被西方誉为流行病学鼻祖的斯诺(John Snow)医师,追踪和确认1854年伦敦宽街霍乱流行的传染来源,应用的是典型描述性调查,并发明了沿用至今的标点地图;而其病原体(霍乱弧菌)直至29年后的1883年才由郭霍(Robert Koch)发现。1976年荣获诺贝尔生理学或医学奖的美国著名专家Gajdusek,在新几内亚东部发现病死率为100%的库鲁(Kuru)病,首先应用的即是简单的描述性流行病学。在我国,也如此:中华人民共和国成立初期——1958年新疆察布查尔县锡伯族“察布查尔病”流行与“米送乎乎”关系的研究应是经典,由北京医学院(北京医科大学前身)流行病学学者等组成的专家组,首先从流行特征(人群现象)分布,如种族、地区、时间、年龄、风俗习惯等进行调查研究,在较短时间内即确认其发病是由东北迁移至此的锡伯族延续下来的风俗——食用“自制甜面酱”引起(据说每年在该民族的迁移日——4月18日即开始吃甜面酱),传播媒介为馒头发酵后的中间产物“米送乎乎”;后者很甜,妇女儿童均喜欢。此后才经微生物学鉴定,“察布查尔病”是肉毒中毒。听说,此病在该地已流行数十年,病死率很高,达43.2%,人群恐慌;中华人民共和国成立后由人民代表反映至中央,国家领导十分重视,指示原卫生部派员调查解决。揭示病因后,锡伯族即改变了习惯,再无新发病例。我们至今还记得,母校老师在课堂讲述调查的前后经过,引人入胜,我们听得津津有味,也以老师们为国为民的业绩引以为荣;坦率地讲,这也是我毕业前选择流行病学专业的重要缘由。在此和盘托出,与大家共享。
(2)突出“互相结合的研究”:
论理无须多言,“分子进化流行病学”顾名思义即为“分子进化”和“流行病学”两个专业理论与方法进行结合研究的交叉学科或将“分子进化”技术引入“流行病学”研究的交叉学术领域。
然而,并非所有学者或专业工作者均如此理解;或虽知晓,但付诸实践又出现偏向。其主要仍是上述一再提到、由诸多因素造成的“一种倾向性”。其表现形式不一,我们遇到的除报告、发言外,常见于评审的杂志与论文等;如文章中稍有些流行病学工作点缀,甚至仅提到疾病“流行”之类的字言,而大部分内容甚至几乎全部内容为分子生物学研究,标题中却嵌入“分子流行病学”字眼;如今,是否“分子进化”的研究,将变成“分子进化流行病学”呐?!至少已有苗头。
(二)流行病学和系统发育互相结合的研究方法
对与人类健康和疾病有关的某个(些)科学问题,欲实施“分子进化流行病学”研究,必须既有规范的“流行病学”研究,又有健全的“分子系统发育”研究:两者结合,不能偏废一方;当然可有侧重。从实践角度视之,通常首先在流行病学研究中应用分子进化知识进行如下探索:①发现群(个)体及其遗传物质在社会-自然环境作用下和某种(些)健康或疾病特征(性状)有关;②或显示某种(些)健康或疾病特征(性状)在社会-自然环境作用下和群(个)体内若干遗传物质发生联系;③或表明某种(些)社会-自然环境因素影响某种(些)健康或疾病的相关特征(性状);④或甚至提示,不仅某种(些)社会-自然环境因素影响某种(些)健康或疾病的相关特征(性状),且可能或疑及两者(社会-自然环境因素、健康或疾病特征)的进化过程之间发生某种(些)联系等,则然后进行针对性的“分子系统发育”研究。这些叙述可能有些绕口,但科学问题本身就是如此咬文嚼字。
便于读者理解,仍举一实例进行共同商讨。中东地区2012年出现一种新发传染病:中东呼吸综合征(Middle East respiratory syndrome, MERS),病原体也属冠状病毒(MERSCoV)。很有趣,由于我们发表了SARS-CoV非自然起源的论文,一些学者、学生甚至友人均询问,为何中东也出现了类似SARS的流行?如何解释?回答很直接:中东SARS(我们认为应将MERS改或又称为“中东SARS”,其理由已在参考文献8内详述)和SARS在流行病学上截然不同。为给世人一个明确答复,和本人的博士生商量,请他应用“分子进化流行病学”方法,进行较深入地研究。
不负重托,他约用一年时间完成,“证明两者病原学上属同科同亚科同β属,但虽有些共同之处,却在流行病学、临床和分子系统发育学及其起源具有显著差异甚至天壤之别”。流行病学研究仍以描述性方法为主,利用官方网站的数据,将中东SARS和SARS在发病和流行强度(含病死率)、地区、时间分布的异同进行细致比较。发现两者间的主要差异:
1.流行态势及其强度
SARS流行来势凶猛,横扫全球,涉及29个国家或地区;虽在我国(含香港、澳门和台湾地区)流行严重(共发病7 429例,死亡685例,分别占全球的91.7%和88.5%),但不呈地方疫源性;尤其是一年多后即销声匿迹,史无前例;而MERS则相反,以断续的小暴发、散发、流行、家庭与养殖场或医疗机构聚集为主,发病局限于中东地区,其他国家、地区均为输入性病例及其续发者,而且发生以来,不仅无中止迹象,且强度日益增大(有2图1表为证)。两者似南辕北辙之差异,反映其3个环节甚至病毒起源有很大不同。
2.病死率(发病强度)
SARS病死率为9.6%,而MERS高达36.2%(325/897),证明两者之间相差非常悬殊( P=0.001)。而后者的病死率更符合新发自然疫源性疾病;反之,支持SARS为“非自然进化”的新发传染病。
3.传播力-潜伏期
SARS为空气飞沫传播,极易实现;而MERS则为密切接触动物传染源以及家庭或病房内有限的人-人传播,因而其难以蔓延和持续。并且,以SARS与MERS传播力之定量指标[基础传染指数(R 0)]进行比较显示:MERS的传播能力明显低(0.8~1.3),仅为SARS(3.0)三分之一左右。而两者的平均潜伏期却不相上下(SARS=4.6天,与MERS=5.5天),可见因为两种病毒同为冠状病毒亚科β属而保留某些关键的共同点:很可能两者具共同的祖先或两者共同祖先亲缘关系更近。因此,SARS-CoV和MERS-CoV之间关系十分奥妙。
4.病毒直接祖先和贮存宿主
多处已提及SARS暴发至今十五年,且已消失,却尚未在自然界和人类社会中发现直接祖先和贮存宿主,为传染病流行病学史上绝无仅有,与至今仅消灭的一种人类传染病——天花完全反常;而MERS-CoV虽发生3年多,但文献早已在暴发后不久即论及贮存宿主很可能为蝠和骆驼,直接祖先即为这两种动物所携带的病毒;此后又有诸多报告以更多的证据一一支持。
综上可见在流行病学上,中东SARS是典型的新发自然疫源性疾病;而从学术上准确地说,SARS却为“夭折性”“非自然进化”的类似于“自然疫源性”的疾病(一过性动物——果子狸源性,却呼吸道传播、一年后消失)。
然后,对SARS-CoV与MERS-CoV进行分子系统发育分析。从NCBI数据库内选择包括有关各类宿主CoV(人、果子狸SARS-CoV,蝠SL-CoV(Bt SL-CoV);人MERS-CoV,动物MERS-CoV;冠状病毒属其他CoV)的139条序列作为对象。先选取相当保守的RNA依赖性RNA聚合酶(RdRp)区域(182nt:15068-15249)进行序列相似性检索,获129条,再在完全一致序列中仅选1条做代表、删去其余一致性序列74条后,最终共55条纳入多序列比对和分子进化分析,应用最大似然法建成CoV的系统进化树(图1-3)。
分析时,以遗传距离代表亲缘关系、自举值体现拓扑结构的支持度。结果发现代表人与果子狸(人-狸)SARS-CoV株和蝠SL-CoV虽然亲缘距离较近,但支持度均小于30%,可不纳入分析范围;而人-蝠MERS-CoV不仅亲缘最近,且支持度达100%。虽然人-狸SARS-CoV间序列一致,但支持度仅为48%,而且它们与亲缘关系最近的蝠SL-CoV的支持度太低(30%),可忽略不计;但人和蝠、骆驼MERS-CoV间不仅序列完全一致,亲缘关系同属一支,且与MERS-CoV之支持度达100%(图1-3)。此外,我们还用105条冠状病毒序列重塑系统发育树图,不仅重复了上述结果,且两者间差异更为明显(未发表资料)。
以上具体结果可见:人和蝠、骆驼MERS-CoV间亲缘最近或同源性最高,结合流行病学研究可证实:蝠、骆驼MERS-CoV为MERS病例的传染源甚至贮存宿主。相反,人-狸SARS-CoV和蝠SL-CoV株之间虽有一定亲缘关系,但远不及前者如此密切,且多种蝠SL-CoV株间亲缘关系不确定性高,所以蝠SL-CoV不可能为人-狸SARS-CoV的直接祖先,携带SL-CoV之蝠不是SARS的传染源和贮存宿主!
图1-3 55条冠状病毒部分核酸序列的系统发育树
基于RdRp序列分析
H:人,B:蝙蝠,Hed:刺猬,D:狗,Mou:鼠,Sur:貂,Whl:鲸
这位博士生应用“分子进化流行病学”方法,对SARS和中东SARS间差别的研究,虽然很初步,但在当时国内外文献中未见先例,可能是首次。其分子系统发育分析进一步支持我们先前流行病学研究结论:SARS-CoV是非自然进化产生,SARS不可能是一种自然进化的自然疫源性疾病,而是谓之“夭折性”自然疫源性疾病或“非自然进化”的类似于“自然疫源性”的疾病!在此,又证实人MERS是自然进化所致的自然疫源性疾病。当然,若熟练掌握人类传染病尤其是自然疫源性疾病理论及其流行史者,仅从流行病学上即可揭示此关键问题;就学术而言,其主要属于流行病学范畴。
自然疫源性疾病,准确地说,“自然进化”的自然疫源性疾病,其病原体接触或进入人群的早期,由于需漫长跨种适应过程,其传播力弱,主要经人密切接触动物传染源和/或贮存宿主才发病,但可能因对人适应力差故病死率高;然后,经过多年或几十年甚至更长时间反复的散发、流行和小暴发,才能进化至具有限的人-人传播与较强传播力,流行范围扩大,发病率升高,但病死率逐渐下降。然而,其特殊的地区分布不可能消失;虽然此后可能衍生城市经济型疫源地(如汉坦病毒病),但后者亦邻近自然疫源地。20世纪末发生的、贮存宿主同样可能为蝠的两种新发传染病:亨尼帕病毒属( Henipa virus)的亨德拉病毒( Hendra virus,HV)和尼巴病毒( Nipah virus,NV);现在广泛流行、人们熟知的钩端螺旋体病和流行性出血热(汉坦病毒病之一种,又称肾综合征出血热)均如此;即使古老的鼠疫、炭疽亦无一例外。
由此,前后左右、横向纵向反复地比较,应该相信,SARS-CoV若由我国蝠SL-CoV(Bt SL-CoV)“自然进化”产生,可能还需几十年、上百年甚至永远不会发生;因为前几年有人发现经近10年Bt SL-CoV才有一两个新的突变位点接近SARS-CoV,可见其需多么漫长的进程!众所周知在生物进化史中,按进化时间计,常以几十年、几百年甚至几千年或更长为单位!