Молекулярный эпидемиолог отслеживает вирус с помощью секвенирования генома и сравнительного филогенетического анализа

Птичий грипп (AI) влияет как на птицеводческую отрасль, так и на общественное здоровье, поскольку может пересекать видовой барьер и инфицировать домашний скот, питомцев, морских млекопитающих и людей. Донг-Хун Ли, доцент кафедры патобиологии, изучает этот вирус последние тринадцать лет, используя секвенирование генома и сравнительный филогенетический анализ для изучения эволюционных изменений, которые подчеркивают роль диких птиц в распространении этих вирусов.

«Перелетные птицы играют важную роль в географическом распространении вируса птичьего гриппа», — говорит Ли. «Перелетные дикие птицы, особенно принадлежащие к отряду Anseriformes (такие как утки, гуси и лебеди), давно признаны естественными хозяевами и резервуарами вирусов птичьего гриппа». Будучи сезонными мигрантами на дальние расстояния, эти птицы служат идеальными хозяевами для AI. Вирусы были выделены более чем из ста видов птиц, что демонстрирует глобальное распространение AI среди популяций диких водоплавающих.

«Птицы встречают мигрирующих птиц с других пролетных путей и скапливаются в больших количествах на остановках во время миграции, что может способствовать заражениям, поскольку вирус может быстрее передаваться между особями в условиях высокой плотности. Это объясняет, почему этот вирус так быстро распространяется на большие расстояния».

Высокопатогенный вирус птичьего гриппа (HPAI) H5Nx появился в 1996 году в Гуандуне, Китай, и с тех пор вызывал вспышки среди домашней птицы, инфекции у диких птиц и часто смертельные случаи у людей в более чем восьмидесяти странах. HPAI появился в Северной Америке в 2014 году, затронув более 50 миллионов голов домашней птицы в США, прежде чем был ликвидирован в июне 2015 года. Стоимость для правительства США составила 850 миллионов долларов, а для птицеводческой отрасли — оценочно от 700 миллионов до 1 миллиарда долларов.

«Чтобы лучше понять историю возникновения и передачи этой вспышки, мы исследовали лежащие в ее основе экологические и эпидемиологические процессы, связанные с этим вирусным распространением, проведя сравнительное геномное исследование с использованием последовательностей генома вируса и данных расследований вспышек».

Данные показали, что вирус HPAI был занесен в Северную Америку через Аляску в результате межконтинентального перемещения перелетных водоплавающих птиц и циркулировал среди диких птиц вдоль Тихоокеанского пролетного пути, прежде чем несколько событий «перескока» передали вирус на птицефермы. Впоследствии весной 2015 года произошло множественное внедрение вируса в штаты Среднего Запада. После закрепления на птицефермах Среднего Запада вирус быстро распространился между фермами по разведению индеек и кур в соседних штатах. Это была самая крупная и дорогостоящая вспышка птичьего гриппа в США с экономическим ущербом в 3,3 миллиарда долларов.

Для дальнейшего понимания и отслеживания этих глобальных вирусных передач Ли участвует в нескольких международных коллаборациях с университетами и государственными исследователями в Бангладеш, Камбодже, Канаде, Доминиканской Республике, Иране, Иордании, Корее, Лаосе, Мексике, Монголии, Пакистане, России, Тайване, Великобритании и Тунисе. Эти исследования поддерживаются USDA, Университетом Коннектикута и Фондом промышленной корпорации Университета Конкук в Южной Корее.

В своих исследованиях Ли использует междисциплинарные комбинации секвенирования генома и инструментов вычислительной биологии для быстрой идентификации неизвестных или неожиданных патогенов, что позволяет его команде определить происхождение вспышки и отследить закономерности передачи заболевания.

«Последние достижения в молекулярной биологии и биоинформатике позволяют проводить полное секвенирование генома патогенов, что дает точную генетическую информацию и приводит к лучшему пониманию эпидемиологического ландшафта инфекционных заболеваний, трансформируя то, как лаборатории диагностируют и далее характеризуют патогены. Большая часть этой информации либо оставалась бы неизвестной, либо потребовала бы очень много времени для раскрытия с использованием традиционной микробиологии и эпидемиологии».

В новом проекте Ли работает над разработкой быстрого, недорогого, автоматизированного полногеномного секвенирования для возникающих патогенов. Эта методика предоставит информацию о схожих вирусах, закономерностях распространения и адаптации к новым хозяевам, включая передачу от животных к человеку, а также предложит стратегии для диагностики, профилактики и контроля заболеваний.

Высокопроизводительное секвенирование генома способствует драматическому прогрессу во многих областях исследований инфекционных заболеваний. Хотя секвенирование генома можно использовать для ответа на множество вопросов о возникающих инфекционных заболеваниях, сложность рабочих процессов и интерпретации результатов, а также высокие затраты на оборудование для подготовки ДНК-библиотек и секвенирования целых геномов, а также вычислительные мощности, необходимые для обработки, передачи, хранения и анализа данных, были препятствиями для создания доступной среды секвенирования.

«Для практического использования в клинических или диагностических лабораториях моя лаборатория работает над автоматизированным конвейером секвенирования патогенов с использованием настольного робота-дозатора жидкости, маломасштабных платформ для секвенирования генома и портативного компьютера». Цель — разработать более простой и менее дорогой способ для небольших лабораторий получать точные и полные геномные последовательности возникающих инфекционных заболеваний своевременно. Процесс будет предоставлять идентификацию патогена, информацию о вирулентности, профилирование устойчивости к лекарствам и эпидемиологические данные.

Помимо работы над вирусами птичьего гриппа, Ли начал совместные исследования с Ветеринарной медицинской диагностической лабораторией Коннектикута по местным инфекционным заболеваниям диких животных и домашнего скота, включая бешенство, болезнь Лайма и Salmonella.