基于分子时钟与随机游走模型的H7N9病毒进化及时空传播模式研究

Human infection with novel avian-origin influenza A H7N9 virus emerged in eastern China in March, 2013, firstly crossing the species barrier. Currently, it still causes a severe influenza epidemic in China and sparks a widespread concern. However, little is known about the pathways of its evolution and transmission, which makes it difficult in informing prevention and control efforts and assessing the pandemic potential of this H7N9 virus. This project intends to study the pathways of its evolution and transmission in order to provide a theoretical guidance in making prevention and control strategies. Firstly, construct phylogenetic trees for eight gene structures and full-length genome respectively, and compare their topologies by some tree shape indexes. Secondly, estimate the evolutionary rates, construct time-scaled phylogenetic trees, and estimate the times of resource and divergencies for gene structures of H7N9 based on molecular clock model. Finally, combine the geographic information of gene sequences to construct the spatiotemporal diffusion dynamic modes of H7N9 by random walk model. The spatiotemporal transmission route will be presented by Google Earth software.

H7N9是一种新型的RNA禽流感病毒，于2013年3月首次发现感染人类，跨越了物种屏障，并至今仍在我国造成严峻的疫情形势，引发了社会的广泛关注。但迄今为止，H7N9病毒的来源不明、传播路径不清，这严重影响了有效病毒防控政策的制定和病毒流行潜力的评估。本项目试图从H7N9病毒的全基因组序列数据出发，开展对该病毒进化和传播模式的研究，为防控感染H7N9病毒提供理论指导。首先，构建H7N9病毒8个基因结构区及全基因组的系统发育树，通过树形指标比对发育树之间的拓扑结构差异。其次，基于分子时钟假说，估算不同结构区的进化速度，构建带有时间标尺的系统发育树，估算病毒的起源和分化时间。最后，结合序列的地理信息，利用随机游走模型，构建H7N9病毒在时间和空间维度下的传播动态模式，并利用Google Earth软件以动画形式展现病毒的时空传播路径。

H7N9是一种甲型流感病毒，原属于低致病性感冒病毒，仅在禽间发现。然而，在2013年初人类感染 H7N9病毒的病例在上海和安徽两地率先发现，首次跨越了种族屏障。H7N9病毒内部的高频率基因突变预警着该病毒进一步引发人群间大流行的风险不容忽视，了解病毒的进化率是探索病毒的进化机制的基础。本项目选取了全球共享禽流感数据倡议组织（GISAID）中以人类为宿主的H7N9病毒基因序列，同时合并与新型H7N9的6个内部基因结构区具有高度同源性的H9N2序列；采用Bio Edit 7.0软件进行多序列比对，MEGA 6.06建立系统发育树；利用Path-o-gen软件初步估算进化率，并以此作为先验信息，基于分子时钟和MCMC模型进一步估算H7N9各基因结构区的进化率。结果表明H7N9禽流感病毒进化快，全基因进化率为4.60×10-3次/位点/年，血凝素（HA）和神经氨酸酶（NA）具有较快的进化率，分别为7.43 ×10-3 和5.92 ×10-3次/位点/年，聚合酶A（PA）、聚合酶B1（PB1）和PB2进化速度也相对较其他基因片段快。进一步地，我们在贝叶斯理论框架下，构建H7N9时空传播模型，采用symmetric substitution模型和BBSVS (Bayesian stochastic search variable selection)方法，对H7N9的历史传播轨迹进行推断和检验。最终以Google Earth软件展现H7N9病毒的时空传播动态图。发现H7N9的传播速度快，在流行期间迅速向周边地区传播。感染人类的H7N9病毒最早起源于上海和杭州，其根源可追溯到2012年10月。并在2013年3、4月份开始传向邻近省份，同年8、9月份传播加剧基于基因系统发育进化史，提取病毒在空间进化和传播过程留下的足迹，从时间和空间维度为全面地阐述 H7N9病毒的传播模式。H7N9离散型地理传播模型很好地模拟了H7N9病毒的历史传播轨迹，从一个新的视角探索H7N9禽流感病毒传播模式，为H7N9病毒的监测和预警提供新的视角。