- Genomsequenzierung
- Genetische Charakterisierung
- Methoden der Grippe-Genom-Sequenzierung
Genomsequenzierung
Influenzaviren ändern sich ständig. Tatsächlich unterliegen alle Influenzaviren im Laufe der Zeit genetischen Veränderungen (weitere Informationen finden Sie unter Wie sich das Grippevirus ändern kann: „Drift“und „Shift“). Das Genom eines Influenzavirus besteht aus allen Genen, aus denen das Virus besteht. CDC führt das ganze Jahr über eine Überwachung der zirkulierenden Influenzaviren durch, um Änderungen am Genom (oder Teilen des Genoms) dieser Viren zu überwachen. Diese Arbeit wird im Rahmen der routinemäßigen Überwachung der Influenza in den USA und im Rahmen der Rolle der CDC als Kollaborationszentrum für Referenz und Forschung zur Influenza der Weltgesundheitsorganisation (WHO) durchgeführt. Die Informationen, die CDC aus der Untersuchung genetischer Veränderungen (auch als "Substitutionen", "Varianten" oder "Mutationen" bezeichnet) bei Influenzaviren sammelt, spielen eine wichtige Rolle für die öffentliche Gesundheit, indem sie dazu beitragen, festzustellen, ob Impfstoffe und antivirale Medikamente gegen derzeit zirkulierende Influenzaviren wirken sowie dazu beitragen, das Potenzial von Influenzaviren bei Tieren zur Infektion des Menschen zu bestimmen.
Die Genomsequenzierung zeigt die Sequenz der Nukleotide in einem Gen, wie Buchstaben in Wörtern. Nukleotide sind organische Moleküle, die den Strukturbaustein von Nukleinsäuren wie RNA oder DNA bilden. Alle Influenzaviren bestehen aus einzelsträngiger RNA im Gegensatz zu doppelsträngiger DNA. Die RNA-Gene von Influenzaviren bestehen aus Ketten von Nukleotiden, die miteinander verbunden und durch die Buchstaben A, C, G und U codiert sind, die für Adenin, Cytosin, Guanin bzw. Uracil stehen. Der Vergleich der Zusammensetzung von Nukleotiden in einem Virusgen mit der Reihenfolge der Nukleotide in einem anderen Virusgen kann Unterschiede zwischen den beiden Viren aufzeigen.
Genetische Variationen sind wichtig, da sie die Struktur der Oberflächenproteine eines Influenzavirus beeinflussen können. Proteine bestehen aus Sequenzen von Aminosäuren.
Die Substitution einer Aminosäure durch eine andere kann die Eigenschaften eines Virus beeinflussen, z. B. wie gut ein Virus zwischen Menschen übertragen wird und wie anfällig das Virus für antivirale Medikamente oder aktuelle Impfstoffe ist.
Vollständige Infografik und Textversion
Die Genomsequenzierung zeigt die Sequenz der Nukleotide in einem Gen, wie Buchstaben in Wörtern. Der Vergleich der Zusammensetzung von Nukleotiden in einem Virusgen mit der Reihenfolge der Nukleotide in einem anderen Virusgen kann Unterschiede zwischen den beiden Viren aufzeigen.
Genetische Variationen sind wichtig, da sie die Struktur der Oberflächenproteine eines Influenzavirus beeinflussen. Proteine bestehen aus Sequenzen von Aminosäuren.
Die Substitution einer Aminosäure durch eine andere kann die Eigenschaften eines Virus beeinflussen, z. B. wie gut ein Virus zwischen Menschen übertragen wird und wie anfällig das Virus für antivirale Medikamente oder aktuelle Impfstoffe ist.
Influenza A- und B-Viren - die primären Influenza-Viren, die Menschen infizieren - sind RNA-Viren mit acht Gensegmenten. Diese Gene enthalten "Anweisungen" zur Herstellung neuer Viren. Diese Anweisungen werden von einem Influenzavirus verwendet, sobald es eine menschliche Zelle infiziert, um die Zelle dazu zu bringen, mehr Influenzaviren zu produzieren und dadurch eine Infektion zu verbreiten.
Influenza-Gene bestehen aus einer Folge von Molekülen, die als Nukleotide bezeichnet werden und sich kettenartig verbinden. Nukleotide sind mit den Buchstaben A, C, G und U bezeichnet.
Die Genomsequenzierung ist ein Prozess, der die Reihenfolge oder Sequenz der Nukleotide (dh A, C, G und U) in jedem der im Genom des Virus vorhandenen Gene bestimmt. Eine vollständige Genomsequenzierung kann die Sequenz von ungefähr 13.500 Buchstaben aller Gene des Virusgenoms aufdecken.
Jedes Jahr führt CDC eine Sequenzierung des gesamten Genoms an etwa 7.000 Influenzaviren aus klinischen Originalproben durch, die durch virologische Überwachung entnommen wurden. Das Genom eines Influenza A- oder B-Virus enthält acht Gensegmente, die die 12 Proteine des Virus codieren (dh deren Struktur und Merkmale bestimmen), einschließlich seiner zwei primären Oberflächenproteine: Hämagglutinin (HA) und Neuraminidase (NA). Die Oberflächenproteine eines Influenzavirus bestimmen wichtige Eigenschaften des Virus, einschließlich der Reaktion des Virus auf bestimmte antivirale Medikamente, der genetischen Ähnlichkeit des Virus mit aktuellen Influenza-Impfviren und der Möglichkeit, dass zoonotische Influenzaviren (tierischen Ursprungs) menschliche Wirte infizieren.
Genetische Charakterisierung
CDC und andere Laboratorien für öffentliche Gesundheit auf der ganzen Welt sequenzieren seit den 1980er Jahren die Gene von Influenzaviren. CDC liefert Gensequenzen an öffentliche Datenbanken wie das GenBankexternal-Symbol und das externe Symbol der Global Initiative für den Austausch von Aviären Influenza-Daten (GISAID) zur Verwendung durch Forscher des öffentlichen Gesundheitswesens. Die resultierenden Bibliotheken von Gensequenzen ermöglichen es CDC und anderen Labors, die Gene derzeit zirkulierender Influenzaviren mit den Genen älterer Influenzaviren und Viren, die in Impfstoffen verwendet werden, zu vergleichen. Dieser Prozess des Vergleichs genetischer Sequenzen wird als genetische Charakterisierung bezeichnet. CDC verwendet die genetische Charakterisierung aus folgenden Gründen:
- Um festzustellen, wie eng „verwandte“oder ähnliche Grippeviren genetisch miteinander verbunden sind
- Überwachung der Entwicklung von Grippeviren
- Identifizierung genetischer Veränderungen, die die Eigenschaften des Virus beeinflussen. Zum Beispiel, um die spezifischen Veränderungen zu identifizieren, die mit einer leichteren Ausbreitung von Influenzaviren verbunden sind, die eine schwerere Krankheit verursachen oder eine Resistenz gegen antivirale Medikamente entwickeln
- Um zu beurteilen, wie gut ein Influenza-Grippe-Impfstoff aufgrund seiner genetischen Ähnlichkeit mit dem Virus vor einem bestimmten Influenza-Virus schützen kann
- Überwachung auf genetische Veränderungen von Influenzaviren, die in Tierpopulationen zirkulieren und es ihnen ermöglichen könnten, Menschen zu infizieren.
Die relativen Unterschiede zwischen einer Gruppe von Influenzaviren werden gezeigt, indem sie in einer Grafik organisiert werden, die als "phylogenetischer Baum" bezeichnet wird. Phylogenetische Bäume für Influenzaviren sind wie Stammbäume (Genealogie) für Menschen. Diese Bäume zeigen, wie eng einzelne Viren miteinander verwandt sind. Viren werden basierend darauf gruppiert, ob die Nukleotide ihrer Gene identisch sind oder nicht. Phylogenetische Bäume von Influenzaviren zeigen normalerweise, wie ähnlich die Hämagglutinin (HA) - oder Neuraminidase (NA) -Gene der Viren einander sind. Jede Sequenz eines bestimmten Influenzavirus hat einen eigenen Zweig am Baum. Der Grad der genetischen Differenz (Anzahl der Nukleotidunterschiede) zwischen Viren wird durch die Länge der horizontalen Linien (Zweige) im phylogenetischen Baum dargestellt. Je weiter die Viren auf der horizontalen Achse eines phylogenetischen Baums voneinander entfernt sind, desto genetisch unterscheiden sich die Viren voneinander.
Zahl. Ein phylogenetischer Baum.
Beispielsweise wird nach CDC-Sequenzen eines durch Überwachung gesammelten Influenza A (H3N2) -Virus die Virussequenz mit anderen Virussequenzen katalogisiert, die ein ähnliches HA-Gen (H3) und ein ähnliches NA-Gen (N2) aufweisen. Im Rahmen dieses Prozesses vergleicht CDC die neue Virussequenz mit den anderen Virussequenzen und sucht nach Unterschieden zwischen diesen. CDC verwendet dann einen phylogenetischen Baum, um visuell darzustellen, wie genetisch unterschiedlich die A (H3N2) -Viren voneinander sind.
CDC führt das ganze Jahr über eine genetische Charakterisierung von Influenzaviren durch. Diese genetischen Daten werden in Verbindung mit Daten zur Charakterisierung von Virusantigenen verwendet, um zu bestimmen, welche Impfviren für die kommenden Influenza-Impfstoffe der nördlichen oder südlichen Hemisphäre ausgewählt werden sollten. In den Monaten vor den Konsultationstreffen der WHO zu Impfstoffen im Februar und September sammelt CDC Influenzaviren durch Überwachung und vergleicht die HA- und NA-Gensequenzen aktueller Impfviren mit denen von zirkulierenden Grippeviren. Dies ist eine Möglichkeit zu beurteilen, wie eng die zirkulierenden Influenzaviren mit den Viren verwandt sind, gegen die der saisonale Grippeimpfstoff zum Schutz formuliert wurde. Wenn Viren gesammelt und genetisch charakterisiert werden, können Unterschiede festgestellt werden.
Beispielsweise verändern sich zirkulierende Viren manchmal im Laufe einer Saison genetisch, wodurch sie sich vom entsprechenden Impfvirus unterscheiden. Dies ist ein Hinweis darauf, dass möglicherweise ein anderes Impfvirus für den Impfstoff der nächsten Grippesaison ausgewählt werden muss, obwohl andere Faktoren, einschließlich der Ergebnisse der Antigencharakterisierung, die Impfstoffentscheidungen stark beeinflussen. Die HA- und NA-Oberflächenproteine von Influenzaviren sind Antigene, was bedeutet, dass sie vom Immunsystem erkannt werden und eine Immunantwort auslösen können, einschließlich der Produktion von Antikörpern, die eine Infektion blockieren können. Antigene Charakterisierung bezieht sich auf die Analyse der Reaktion eines Virus mit Antikörpern, um zu beurteilen, wie es mit einem anderen Virus zusammenhängt.
Methoden der Grippe-Genom-Sequenzierung
Eine Influenzaprobe enthält viele Influenzaviruspartikel, die in einem Reagenzglas gezüchtet wurden und bei der Gesamtpopulation der Geschwisterviren häufig geringe genetische Unterschiede aufweisen.
Traditionell haben Wissenschaftler eine Sequenzierungstechnik namens „Sanger-Reaktion“verwendet, um die Influenza-Evolution als Teil der virologischen Überwachung zu überwachen. Die Sanger-Sequenzierung identifiziert die vorherrschende genetische Sequenz unter den vielen Influenzaviren, die in einem Isolat gefunden werden. Dies bedeutet, dass kleine Unterschiede in der Population der in einer Probe vorhandenen Viren nicht im Endergebnis berücksichtigt werden. Wissenschaftler verwenden häufig die Sanger-Methode, um eine partielle Genomsequenzierung von Influenzaviren durchzuführen, während neuere Technologien (siehe nächster Absatz) besser für die Sequenzierung des gesamten Genoms geeignet sind.
In den letzten fünf Jahren hat CDC NGS-Methoden (Next Generation Sequencing) verwendet, mit denen die Menge an Informationen und Details, die die Sequenzanalyse liefern kann, erheblich erweitert wurde. NGS verwendet Advanced Molecular Detection (AMD), um Gensequenzen von jedem Virus in einer Probe zu identifizieren. Daher zeigt NGS die genetischen Variationen zwischen vielen verschiedenen Influenzaviruspartikeln in einer einzelnen Probe, und diese Methoden zeigen auch die gesamte kodierende Region des Genoms. Dieser Detaillierungsgrad kann in wichtigen Punkten direkt der Entscheidungsfindung im Bereich der öffentlichen Gesundheit zugute kommen. Die Daten müssen jedoch von hochqualifizierten Experten im Kontext anderer verfügbarer Informationen sorgfältig interpretiert werden. Weitere Informationen darüber, wie NGS und AMD die Kartierung der Grippegenome bei CDC revolutionieren, finden Sie unter AMD-Projekte: Verbesserung der Influenza-Impfstoffe.
Zusätzliche Ressourcen
