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流感來襲 !? 基因定序探索病毒的遺傳多樣性

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電影《末日之戰》中,病毒學家說大自然就像是高智慧的連環殺手,會將自己的弱點隱藏,偽裝成強悍的一面,人類該如何運用現有的技術破解病毒的罩門呢?

從每年度的季節性流感、SARS、口蹄疫、禽流感,再到震驚世界的伊波拉病毒,即使疫苗研發如火如荼地進行,依舊計畫趕不上變化。病毒經常產生變異,造成全球性大感染。現在,拜醫療科技進步所賜,可以透過基因定序,了解這些無所不在的病毒,如何在傳染的過程中,交替、變身來躲過疫苗的追捕。

基因定序探索病毒的變異過程

「為什麼流感的疫苗要定期接種?」
「接種疫苗後就萬無一失了嗎?」
「如何追蹤病毒的下一秒變化呢?」

未知的事物容易造成恐慌,有鑑於此,研究人員將醫學技術和大數據分析結合,探究感染的過程以及預測病毒的未來變化。紐約大學知名病毒學家,也是論文資深撰文人的Elodie Ghedin和她的研究團隊,收集84位患者(包含67位帶原者及17位家中成員)的流感病毒株,透過定序及分析,去檢驗宿主身上的病毒,發現病毒具有遺傳多樣性,對環境適應力強,能迅速擴大感染。
該研究指出,病毒產生的輕微變異導致病毒經常在感染者與被感染者之間相互傳遞。目前的疫苗研發,只攻擊病毒中看起來最具威脅性的毒株,然而,病毒會產生變異,有如換裝過的特務,可以輕易避開疫苗,散播到人群中。

在過去,傳統的基因分析技術只能觀察病毒基因一次,難以找出其樣本內不同譜系的病毒,但全基因體定序法可重複觀察基因數千次,有助於生物醫學研究人員探索基因序列中的遺傳密碼。2009年,當H1N1和H3N2流感共同循環傳播(co-circulating)時,Ghedin研究團隊收集在H1N1流感第一波中,67位感染者和他們家庭的其他17名成員的鼻咽拭子(nasal swabs),並進行全基因體定序,分析病毒的遺傳多樣性。研究發現,病毒體中,不同譜系的毒株會混合感染,所以H3N2的遺傳多樣性較2009年的H1N1高。
研究團隊繼續深入調查,發現許多突變的病毒並非新型的突變種,而是在整個群體彼此互相傳染下所產生的變異。這些變異具有跨季節性,不僅有助於病毒散播,而且沒有遺傳瓶頸(genetic bottleneck)(註1)的問題。舉例來說,一位H1N1 /2009患者身上的病毒變異存在量為10%,就有64%的機會傳遞給接受者,而H3N2患者身上的病毒變異存在量為10%,卻有高達86%的機會感染他人,由此可見,經過變異的病毒具有更強的傳染力。

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在流感肆虐的時刻,科學家們透過數據分析、不同的定序途徑以及數學理論的結合,讓我們得以一窺病毒在傳染散播的過程所產生的細微變化,而如何運用現有的技術和知識,解開病毒的基因密碼,成功預測病毒的下一步,進而研發對應的疫苗來造福全人類,將是一大挑戰。

註解1:
遺傳瓶頸(genetic bottleneck)是指一個族群因為環境因素(諸如地震、水災、火災或疾病等)或人為因素(例如大屠殺)所產生數量銳減的現象,而族群數量減少將導致內部的基因歧異度降低,所以小族群內就會擁有較少的遺傳多樣性,在面對周遭環境發生巨變時,因無法抵抗天擇而遭到淘汰。

參考文獻:
1.Poon LL, Song T, Rosenfeld R, et al. Quantifying influenza virus diversity and transmission in humans. Nat Genet. 2016
2.李思源、莊以光(2010),DNA定序技術之演進與發展,生物醫學暨檢驗科學雜誌,22(2),49-58。
3.http://www.coa.gov.tw/view.php?catid=4276
4.https://en.wikipedia.org/wiki/Population_bottleneck

圖片來源:
https://zh.wikipedia.org/wiki/Wiki

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