探寻新冠病毒的“生物密码”——北大生命科学学院陆剑课题组开展新冠病毒演化动态研究纪实

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3月3日,由中国科学院主办的英文综合性期刊《国家科学谈论》(National Science Review)宣布了由北京大学生命科学学院及蛋白质与植物基因研讨国家重点试验室陆剑课题组和中国科学院上海巴斯德研讨所崔杰课题组协作编撰的论文《SARS-CoV-2的来源与继续进化》(On the origin and continuing evolution of SARS-CoV-2),对新冠病毒(SARS-CoV-2)基因组的演化动态进行深化研讨和解读。该研讨最早提出了新冠病毒存在两个不同的首要谱系,从基因组水平上加深了咱们对这种新式病毒的知道,对新冠肺炎疫情的临床确诊具有重要参阅价值。

论文宣布后敏捷引起了国内外学界和媒体的热切重视,引发了多个学术论坛针对相关机制打开的深化探讨,Science (Mar. 9, 2020)等学术期刊和国内外多家新闻媒体纷繁予以报导。据《国家科学谈论》官方网站数据显现,论文宣布至今阅览量现已排在了该杂志一切文章阅览量的第一,被下载8.8万屡次。“我的邮箱里现已收到来自国际各地的许多邮件,有来自学界的科学谈论,也有来自大众的热切问询。咱们对咱们研讨作业的高度重视,反映了期望从科学研讨的视点了解和知道这种新式的冠状病毒的迫切期望。这种期望关于咱们科研作业者来说,既是鼓舞,也是动力,更是鞭笞。”陆剑说。

“为增进对新冠病毒的知道奉献力气”

陆剑研讨员及其课题组在基因组和分子演化范畴经验丰富,并有一系列重要研讨成果,尤为拿手从RNA水平上研讨基因表达调控的机制和进化规则。陆剑说:“我是从1月下旬开端通过新闻重视到了这次疫情的打开。”跟着疫情日益严重,陆剑深感应当运用试验室的专长,使用进化生物学的办法来对病毒的基因组序列进行剖析和解读,打开病毒基因组的演化研讨,为抗疫作出奉献。“只要了解病毒,才干更好地找到快速确诊、紧密防护和有用医治病毒感染的办法,”陆剑说,“打开这项研讨也是在抗疫期间我测验的教学改革,以培育学生分子进化和基因组学方面的剖析才能。”

陆剑研讨员(中)与试验室的学生交流 李香花 摄

陆剑课题组与崔杰课题组协作,通过对新冠病毒和近缘病毒进行体系发作剖析,发现新冠病毒尽管与蝙蝠冠状病毒RaTG13的基因组整体差异较小(~4%),但其基因组内中性进化位点的差异高达17%,标明新冠病毒在进化进程中阅历了十分强的自然选择。通过对新冠病毒和来自马来穿山甲的冠状病毒的核苷酸比较,估测新冠病毒与其不合事情并非近期发作,也阐明新冠病毒的来源或许更为杂乱。

陆剑课题组与崔杰课题组通过对其时公共数据库中仅有的103个新冠病毒基因组全序列进行分子演化体系剖析,初次发现依据两个高度连锁的骤变位点(别离坐落参阅基因组的第8782和28144位),能够把新冠病毒首要分为“L”和“S”两个谱系,因基因组28144位骤变对应的氨基酸别离是亮氨酸(L)和丝氨酸(S)而得名。在103个新冠病毒样品中,72 (~70%)个为“L”谱系,29 (28%) 个为“S”谱系;在别的2个样品中,1例或许是L和S谱系的混合体,而另1例因为发作了骤变而不属于这两个谱系。尽管“L”谱系比“S”谱系更为遍及,可是进一步剖析标明,“S”谱系更接近在蝙蝠和穿山甲体内发现的病毒,提示“S”更为陈旧。他们的数据剖析还标明,新冠病毒的L和S两个谱系不是新近因为碱基发作改变而发生的,而是在病毒迸发的前期或许就现已存在了。陆剑介绍:“咱们的研讨从分子演化的视点加深了对新冠病毒的知道。”

图A: 103个新冠病毒集体中具有较高频率的SNP位点两两之间的连锁剖析图

图B:每对SNP的r2(y轴)相关于它们在基因组上的间隔(x轴)示意图

图C:每对SNP的LOD(优势对数,y轴)相关于这对SNP之间的基因组间隔(x轴)示意图

陆剑课题组与崔杰课题组关于病毒分型的成果后续也被国内外其他独立研讨印证,包含4月7日英国剑桥大学及德国学者宣布在美国国家科学院院刊(PNAS)题为“Phylogenetic network analysis of SARS-CoV-2 genomes”的文章。在这篇文章中,作者对160个新冠病毒基因组序列进行剖析,以来自蝙蝠的病毒序列RaTG13作为外群,把病毒毒株区分为A、B、C三种类型,"A型"较为原始,"B型"由"A型"演化出来后,"C型"进一步由"B型"演化出来。“其实这两篇文章的分型成果高度共同,PNAS文章的‘A型’便是咱们区分的S谱系,‘B型’和‘C型’则构成了L谱系,并且PNAS作者在区分A、B、C三型的时分,首要依据也是咱们区分L和S谱系所用到的8782和28144这两个高度连锁的骤变位点。现在公共数据库中现已有超越15000多条新冠病毒基因组序列,咱们的分型成果还在进一步细化。” 陆剑说。值得重视的是,陆剑及协作者的研讨成果比PNAS文章的成果早一个月宣布。

“让人感动的北大学子和十分安稳的校园网体系”

作为一名青年教师,陆剑在辅导学生的学习和科研作业中很重视和学生之间的交流交流。

陆剑研讨员(右一)带领学生在北京百花山收集果蝇

疫情期间怎么有用交流?针对疫情使课题组的同学们被阻隔在各自家里的状况,陆剑发挥生物信息剖析灵敏、机动的特色,充分运用微信、VPN等网络渠道,长途辅导学生们结合生物信息和基因组学剖析,对新冠病毒进行深化研讨。“基本上每天都要开2-3个简略的长途组会,”陆剑说,“课题组的同学们十分尽力,研讨生唐小鹿、吴长城、吴鑫凯和姚欣敏四位同学做了很多的剖析作业。”陆剑对同学们的科研热忱高度肯定:“咱们学生身上所表现出的社会责任感和科研投入,让我十分感动。不论我什么时分发微信或许打电话安置作业,他们总是第一时间完结,哪怕是连夜加班。”有的同学家在村庄,上网不方便,可是同学们总是克服困难,坚持投入科研作业。一次陆剑给一个家在村庄的同学安置任务,这名学生说:“方才劲风把我家里的网络线路刮断了,我就用流量完结任务吧!”课题组师生合力进行科研攻坚。在研讨进程中,陆剑带领学生基本上把其时与此项研讨相关的文献都进行了深化阅览,并进行谈论。“因为分子进化这个范畴比较渊博,学生们依然处于学习阶段,因而关于论文的成果,我需求至少两名同学独立剖析,一同,我自己也会独立验证,保证研讨成果的准确性。”通过这个进程,课题组的同学们加深了对科研作业全进程的知道和了解。“咱们打开得很快,”在历时4周的“连轴转”会集科研攻关之后,课题组总算获得了重要的研讨打开。

陆剑表明,北大“给力”的网络服务对科研成果的获得起到了极大的支撑效果。“咱们剖析用到了很多的核算资源,咱们校园供给的VPN服务十分安稳,学生们在家登录VPN之后,长途在服务器上运算,校园的VPN服务给咱们供给了刚强的科研保证。”

“科研协作十分重要”

在科研攻关进程中,陆剑课题组同国内相关范畴的专家打开了科研协作。“中科院上海巴斯德研讨所崔杰课题组长时间从事病毒的演化作业,中国医学科学院病原生物学研讨所钱朝晖研讨员尤为拿手冠状病毒的功用和机制研讨,是咱们的‘活字典’;咱们咱们各展所长,通过微信等渠道交流交流,一同研讨。”

《SARS-CoV-2的来源与继续进化》宣布后,陆剑研讨员同协作者特别强调,文章中剖析的病毒基因组数据量较少,后续作业需求扩展样本数量来进一步验证定论和估测。

国内一些科学家意识到打开广泛深化的科研协刁难终究打败疫情的重要性。2月上中旬,台湾“中研院”院士、中科院基因所原所长、中山大学生命科学学院吴仲义教授和中国科学院院士、中科院脑科学与智能技能杰出立异中心(神经科学研讨所)学术主任蒲慕明研讨员在《国家科学谈论》上两次撰文呼吁科研作业者即时发布和同享新式冠状病毒测序数据。

“咱们其时进行这项研讨的时分,公共数据库中只要103个新冠病毒基因组序列,而通过我国及其他国家科学家和医务作业者共同尽力,到3月底基因组序列添加到2225个,到5月2日基因组序列现已超越15000多条。”陆剑课题组依据这15000多条基因组序列进行了进一步剖析发现,“咱们其时依据103个基因组序列把新冠病毒分为L和S两个谱系,现在基因组数据增大一百多倍后,L和S谱系的区分依然十分清晰,并且在国际不同国家和地区的散布也出现不同,咱们正在继续进行研讨。”

伴跟着疫情的打开,公共数据库中病毒基因组序列快速添加,病毒基因组数据的扩大为研讨供给了十分名贵的数据资料。“咱们的基因组剖析作业是建立在我国和国际各地斗争在一线的医务作业者和科研作业者们共同尽力的成果之上的,咱们对此深表感谢!”陆剑对“人类命运共同体”理念感受尤深:“在疫情面前,咱们深感加强科研攻关国际协作的重要性。咱们期望和各国科学家和医务人员打开通力协作,为疫情的防治奉献才智和力气。”

“下一步结合临床数据打开深化研讨”

“关山初度路犹长”,陆剑课题组探寻新冠病毒“生物暗码”的脚步仍在继续向前。“咱们之前的研讨是依据其时103个新冠病毒基因组全序列进行分子演化体系剖析,得出了开始的阶段性成果;下一步咱们还要连点成线,并结合临床数据和流行病学成果打开深化研讨。”陆剑课题组正在深化研讨新冠病毒序列在国际范围内的改变趋势,并与广州医科大学、武汉大学相关团队打开协作,将进化剖析与临床数据相结合,做进一步的研讨。

“咱们期望和病毒学家、临床大夫等更多范畴的科研作业者进一步协作,结合更多的基因组数据、临床信息及试验数据来更好地了解病毒,在充分知道病毒的基础上寻求最佳的医治办法,服务于科学的抗‘疫’方针的拟定,终究打败疫情。”陆剑说。

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