系统的测试模型的病毒传播

介绍

众多出版物使用病毒序列和哺乳动物宿主物种的系统发育分析,他们发现确定最可能的来源的非典导致COVID-19 CoV-2病毒大流行。大多数研究表明,蝙蝠的属Rhinolophus或穿山甲的病毒入侵人类的来源(如。,(1- - - - - -5),尽管一些建议还为时过早排除实验室起源(6,7)。文策尔(8)指出,许多病毒传播的系统发育的研究路线是不充分的,是基于小样本或有缺陷的分析方法(如。,(9);Raza et al . 2021]。Machado et al。(10)使用一个全面的系统发育分析确认病毒由蝙蝠更密切相关的病毒在人类目前流行的比那些目前发生在穿山甲,与大多数其他研究结果一致4,5,11- - - - - -13)。

很少有研究考虑了系统预测模型的路由的病毒传播。大多数研究中的隐含的假设是,无论蝙蝠物种港口的病毒序列是最密切相关的系统对那些在人类传播是人类COVID-19大流行的可能来源。然而,没有共识的物种Rhinolophus港口病毒在人类最SARS-CoV-2密切相关。在收容站里蛋白基因树Frutos et al。(4),病毒序列Rhinolophus亲近种(中间蝠)接近那些从八人。RdRp基因树(4),最接近人类序列来自中发现的一种病毒Rhinolophus malayanus(马来蝠),下一个分类单元R。亲近种(蛋白质)的同一个人。然而,有微不足道(54%)的引导支持分组R。malayanus与人类RdRp基因树。当然,引导价值提供了一个衡量人物协议,不一定是确定性系统。Wacharapluesadee et al。11)R。亲近种是最接近人类RdRp基因树。比较三个片段重组,Temman et al。(12)生成树显示R。亲近种作为人类的妹妹,一个集群R。marshalli R。pusillus,R。malayanus作为人类的妹妹,和一个混合的Rhinolophus作为人类的妹妹。在周et al。(13)人类SARS-CoV-2包括妹妹进化枝R。malayanus R。pusillus R。亲近种和R。shameli。Latinne et al。(5)姐妹群关系R。malayanus和人类SARS-CoV-2。因此,系统一致性的研究相对较少的物种Rhinolophus港口的病毒在人类血统最密切相关的发现。

不一致的系统发育的结果可能是一个函数的有限取样的每个物种和个体的基因。例如,四个穿山甲(是Frutos et al。(使用的)4)显然是收集2017年峰值蛋白质序列表现出14个变量网站(4718个基点)13单例。RdRp基因,四个穿山甲都没有展现基地替换(从385个基点)。可能这四个穿山甲是家庭群体或近亲和可能因此伪复制。事实上,周et al。(13)发现了两个非姊妹病毒序列在穿山甲的演化支,都是妹妹病毒序列中发现的人类。因此,穿山甲的结果被用于系统发育的个体数量的影响分析,虽然看起来穿山甲可以排除作为人类SARS-CoV-2的源。抽样问题也存在病毒序列来自人类。在385个基点RdRp没有变量网站,和蛋白质有0,1,或2成对替换的4718个基点(4)。这些样品提供多样性不足进行系统发育分析。

寻找人类SARS-CoV-2的捐赠者

大多数研究中R。亲近种是显示为姐姐给人类使用一个序列来自同一个人蝙蝠,RaTG13(基因库MN996532),收集7月24日,2013年。许多研究都使用相同的公开可用的序列,通常大流行之前收集,鉴于病毒进化的速度标本的年龄可能是一个问题。抽样其他个人R。亲近种表明他们的病毒序列不形成一个分支(4,13从这个主机)和病毒谱系表现出相当大的多样性;的蛋白质R。亲近种平均21%的序列差异(n= 7),尽管两个成对的差异分别是1.1%和4.1%。有那么多序列病毒从不同个体之间的分歧R。亲近种从不同的蝙蝠物种之间有病毒,这解释了为什么一些人的R。亲近种和R。sinicus(中国鲁弗斯蝠)在支持从其他同种个体演化支在树上分离(13)。密切的存在和远亲病毒株R。亲近种显示最近以及老年病毒性传播事件,假定序列分歧反映了殖民统治以来一个新的主持人。病毒序列的遗传距离(峰值蛋白质)恢复R。亲近种人类病毒(ca。25%)略大于内-亲近种小说的比较,表明突变在人类的殖民(从任何来源)。然而,一个人不能声称R。亲近种”“物种产生上升到人类的病毒毒株,因为同一物种的其他成员港不是大多数的病毒在人类循环密切相关。Rhinolophus包括至少75种(14非洲和东南亚之间的分裂,而没有研究包括了超过13种(13)。Machado et al。(10)认为病毒传播可能是整个Orthocoronavirinae常见,为未来的研究提供一个系统可测试的假设。因此,许多蝙蝠物种(具有多个个体从多个地方)仍未取样的,因此SARS-CoV-2的实际分布尚不清楚。

其他物种SARS-CoV-2港湾。钱德勒et al。(15)报道,SARS-CoV-2发生在白尾鹿的变体(Odocoileus virginianus)是一样的那些人类从本地区域(爱荷华州,美国),建议近期转让没有还后续突变(或反向传输从鹿到人类)。鹿鼠可以感染SARS-CoV-2实验(16)。貂还港病毒(17,18)。因此,寻找物种可能成为病毒水库应该过去的多样化。

病毒谱系、命名和传播模型

Frutos et al。(19)认为是病毒传播的模式,提供了一个讨论病毒的物种概念陈述”病毒并不是基于物种和物种传播障碍识别受体只是根据其能力和规避宿主的免疫防御。不管发生的“物种”状态人类使用分类标准。是没有区别的“动物宿主”,“人类宿主”,因此不存在的跨越物种障碍。“这漫画是令人费解的,因为许多论文使用病毒序列的发展史,以确定哪些主机物种存在的病毒是最密切相关的病毒在人类因此跨越物种屏障。不过,公平地说,没有一个严格的比较宿主和病毒的发展史。蝙蝠的蝙蝠物种分类学家分类一致的形态学、分子、和行为的证据。定义一种病毒,然而,更难以捉摸,而且通常使用术语如“SARS-CoV-2变异”(规避调用每一个独特的病毒序列的物种),哪一个可以重建进化关系。Frutos et al。(2021)声明”因此不存在的跨越物种屏障”可能适用于病毒性血统,但病毒跨越物种障碍在宿主(蝙蝠)发展史((20.,21);但是看到(22)]。

Frutos et al。(19,23考虑两个(也许很多)概念模型的病毒传播,溢出模型和循环模式。Frutos et al。(19)表明,溢出模型(图1一个)应该被循环模型(图1 b)。溢出模式”假定人畜共患病的动物宿主必须在原点”(19)。理论上,疾病将成为普遍的水库内物种和“溢出”到另一个主机,它可能会通过一个中间物种(24,25)。一些出版物(如。,Raza et al。(26)建议蝙蝠水库,穿山甲的中间,人类最终的主机。Frutos et al。(19这个假设(例如)注意许多问题。,(5,11,12,12)]。病毒序列来自走私穿山甲被中国海关没收前的大流行。没有相关报告穿山甲的家畜流行病疾病或其他动物在中国或其他地方;此外,SARS-CoV-2相关病毒只有在走私马来亚穿山甲和报道Rhinolophus蝙蝠(19),它可能不是恰当的人类入侵的问题。Frutos et al。(19)得出的结论是,溢出模型是不支持的。

Frutos et al。(19,23)提出了循环模型(图1 b)占进化、传输和成就的流行性病毒在人类的地位。模型预测,病毒通过当地人口的基础上传播receptor-recognition兼容性的本地主机,不分物种的障碍。即主机兼容和邻近创建一个“metapopulation”(19)的病毒在宿主的共存的物种。例如,人口Sarbecovirus可能由多个病毒准物种在当地居民的蝙蝠、啮齿类动物,人类,和野猪。病毒不断传递给从兼容主机在该地区,无论分类界限,每个准种经历不同的寄主专一性的选择性压力。

循环模型提出了一种人类流行沉淀intra-human进化“个人”的准种适应这个病毒基因型在人类更大的传播能力。根据Frutos et al。(19),这被称为“随机”阶段,或延迟阶段。此时主机有机体的活动为流行病传播创造了条件,称为“放大回路”(19)。这个“循环”是通过活动,如聚会,庆祝活动,市场感染者在密切的物理距离。一旦达到阈值流行病爆发的结果和病毒传播达到一个多项式。这与工作表明,人口密度呈正相关COVID-19传染疾病的传播(27)。

系统发育的预测两种可能的传播模型

如果使用系统假设推断病毒传播的途径,它有助于确定溢出和循环模型使互斥系统预测。在溢出模型(19);图1一个),一个希望姐妹团队中间物种和最后的宿主物种之间的关系。溢出的过程可能发生在多个宿主和病毒同时血统,并提供一个更复杂的系统模式,我们将观察独立实例发展史上的人类病毒序列分散每个妹妹到不同或相同Rhinolophus蝙蝠物种。然而,一个一致的模式涉及SARS-CoV-2(如系统发育树。,(4,13)是没有病毒和人类姐妹群关系的多个例子,相反,病毒序列的采样人类聚集在一起,一些物种或某一群物种的Rhinolophus作为其妹妹分类单元。因此,溢出模型所设想的Frutos et al。(19)不符合系统预测单个或多个溢出事件,同意这些作者的结论。

根据循环模型(图1 b),病毒需要大量易感ACE2基因型(12)和传播物种间发生无论主机系统边界,但应该反映通路的兼容性。循环模式包括蝙蝠、猪、人类、羚羊、鹿、和啮齿动物(省略了穿山甲),一个广泛的抽样的哺乳动物的类群,与发展史Frutos et al。4),它描述了人类,蝙蝠和穿山甲。循环模型(图1 b)预测一个没有系统的进化树结构。换句话说,病毒发展史不会反映宿主系统发育关系,但作为制定,并不决定病毒传播会重合与宿主物种限制。

ACE2和循环模型

ACE2基因参与病毒对接和被认为扮演一个角色在病毒传播SARS-CoV-2物种间(12,28- - - - - -30.)。循环模型来解释预测系统发育的结果,必须假定兼容ACE2基因型系统随机分布的物种之一。我们检验这个假设通过构建的系统树159种哺乳动物(ACE2基因氨基酸序列对齐下载从基因库;https://www.ncbi.nlm.nih.gov/gene/59272/ortholog/?scope= 40674),发现该基因与哺乳动物种系发生树是一致的(补充图1)密切相关的哺乳动物系统密切相关的ACE2序列无关的病毒血统。这棵树有影响的几个方面ACE2与SARS-CoV-2的发生之间的关系。帕默et al。(31日)表示,ACE2的鹿和人类有着高度的相似性,表明这可能占最近SARS-CoV-2从人类到鹿的传播(32)。Fenollar et al。(17)表示“貂的受体SARS-CoV-2非常类似于人类。“然而,帕默et al。(31日)和Fenollar et al。(17)混淆相似与系统发育关系,ACE2基因人类,貂皮,鹿是远过去(补充图1)。此外,蝙蝠,穿山甲和人类也遥远过去的,这意味着bat-human病毒发生传播相对伟大的进化距离(像传染性海绵状脑病;(33)]。这个观察可被视为符合循环模型,它似乎支持系统随机病毒传播物种间虽然分类水平更高。

进一步探索病毒发展史和蝙蝠ACE2基因之间的关系树,我们构建了一个物种的系统发育假说Rhinolophus(图2);大部分可用的序列来自两个物种(R。竹,R。sinicus)经常涉及候选人向人类传播(5)。ACE2基因树强烈反映的蝙蝠种类的限制。个人标识为R。亲近种形成了一个进化枝(23人;19个不同的序列;平均数量的碱基对和氨基酸差异3.9,1.2),确定为R。sinicus(26人;26个不同的序列;平均数量的碱基对和氨基酸差异13.1,7.2)。如果由ACE2病毒传播,病毒等物种的谱系R。亲近种和R。sinicus应该形成演化支(考虑到低ACE2蝙蝠的种内差异),这并非如此(13)。大多数蝙蝠密切相关,甚至同一物种,不港最密切相关的病毒,虽然密切相关的蝙蝠拥有ACE2基因型密切相关。很难调和ACE2兼容病毒发展史循环模型下的蝙蝠物种水平。

有人可能会问为什么R。亲近种不共享相同的病毒序列给出类似ACE2基因型?也许其他R。亲近种易受SARS-CoV-2但不暴露于相同的病毒家族RaTG13发现。如果所有病毒需要主机兼容ACE2基因型,而后者是系统结构,病毒之间的不匹配的发展史和蝙蝠物种限制表明病毒传播并不是系统随机物种间,循环模型的一个条件。

环流模型的一个有效的测试将从过去的样例脊椎动物宿主种群分布区重叠的血统无关和比较他们传播病毒和系统相似之处ACE2验证系统预测(图1 b)。例如,我们应该(假设)观察病毒在猪身上sister-linages和啮齿动物,蝙蝠和鹿,人类和羚羊,并能够确定哪些ACE2基因型的兼容。迄今为止,大多数研究使用三个主要类群,蝙蝠,人类和穿山甲,这也就排除了一个有效的循环模型的系统测试。目前,就有必要用下面的循环模型分类水平的物种,即个人、有解释力。Latinne et al。(5)表明,跨物种转移是常见的属Rhinolophus,但它超越了物种的蝙蝠看似随机传输组间的个体在同一物种。

结论和建议

如果一个系统发育假说是提供一个竞争模型的测试病毒传播,几个因素值得考虑。大量的个体从过去的每个物种和物种属不同的血统需要评估病毒传播的路线,但截至然而这并没有在任何一个研究来完成。系统发育分析应该符合严格的标准(10)。发布病毒序列的系统发育假说不支持一个溢出模型,并只支持一个循环模型如果修改函数在个体水平的蝙蝠,不分物种限制,属Rhinolophus(5)。病毒传播,不追踪蝙蝠物种界限或系统发育关系,因此,任何特定种类的蝙蝠不是传输单元。虽然传播发生在主机兼容,ACE2在病毒传播的作用,不是过去简单,蝙蝠物种相互单源ACE2基因树,而他们的病毒血统不。

在病毒传播促进评估ACE2的作用,研究人员应收集和保存蝙蝠标本获得病毒样本和存款(研究皮肤和组织样本)在自然历史集合。郭et al。(30.)表示“蝙蝠被释放后肛门拭子(原文如此)抽样。”这种做法不可能进行识别的蝙蝠博物馆专家,没有凭证标本(组织,研究皮肤)不能比较ACE2序列或从同一个人蝙蝠形态特征的病毒基因组测序(35,36)。考虑到许多悬而未决的问题,我们倡导一种健康的方法理解之间的关系“人、动物、植物和他们共享环境”(https://www.cdc.gov/onehealth/basics/index.html)。

作者的贡献

RZ分析数据及写的手稿。KH和通用部分写在病毒传播模型,批准和编辑了手稿。所有作者的文章和批准提交的版本。

的利益冲突

作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。

出版商的注意

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确认

我们感谢r . Frutos h . Vazquez-Miranda和约翰·文策尔讨论。

补充材料

本文的补充材料在网上可以找到:https://www.雷竞技rebatfrontiersin.org/articles/10.3389/fviro.2022.832466/full补充材料

补充图1。最大似然MegaX(产生的发展史37)从159年一致的氨基酸与鸭嘴兽(ACE2扎根鸭嘴兽anatinus)。白尾鹿(Odocoileus virginianus texanus)、短尾鼬鼠(Mustela erminea)、穿山甲(手是标有一个箭头,人类智人)是用一个大的箭头来表示,蝙蝠的竖线对应一个单元组。注意,所有主要的分类群(蝙蝠、啮齿类动物、灵长类动物)形式截然不同的演化支和所有属的代表聚集在一起。相关类群的比例的100棵树聚集在一起显示在分支。使用的启发式搜索JTT模型。离散伽马分布是用来模拟进化速率差异网站[4类别(+ G、参数= 0.9136)]。变异率模型允许一些网站进化不变(+ I), 18.37%的网站。所有职位< 95%的站点覆盖率被淘汰,也就是说。,fewer than 5% alignment gaps, missing data, and ambiguous bases were allowed at any position (partial deletion option). A total of 796 amino acid positions were in the final dataset.

引用