文摘
血凝素抗原和基因分析∼13000人类甲型流感病毒(H3N2)来自六大洲的2002 - 2007年期间透露,在东亚和东南亚有连续循环(E-SE亚洲)通过区域性网络暂时重叠的流行,流行的温带地区每年被播种于这个网络。病毒种株通常第一次到达大洋洲、北美、南美和欧洲,后来。这证据显示,一旦(H3N2)病毒离开E-SE亚洲,他们不太可能导致长期的病毒进化。如果在此期间观察到的趋势的准确表示整体的传播模式,然后外(H3N2)病毒的抗原特性E-SE亚洲可能预测每年基于监测在E-SE亚洲,与顺向改进疫苗株的选择。
甲型流感病毒(H3N2)是目前全球人类流感发病率和死亡率的主要原因。平均来说,流感病毒感染5到15%的全球人口,每年导致∼500000人死亡(1)。尽管流感研究的许多领域重大进展,这样的问题时,病毒会改变抗原,在多大程度上和在什么程度上病毒蔓延全球,至今仍未找到答案。这些问题背后的根本问题是流行的后果是低级持久性病毒从先前的流行或是否播种在其他地区流行,如果是这样,(2- - - - - -8)。
解决这些问题当地的持久性和全球传播至关重要设计最优的监测和控制策略。如果流行病是定期的外部区域,如果源区域的种子菌株可以识别,可以预测的变异将出现在流行的地区,因此,优化疫苗株的选择。另外,如果病毒持续在一个地区的发展,并出现导致下一个流行,干预策略针对病毒流行之间的循环可能会有效地减少随后的流行病。
流感病毒的八个基因片段重组,导致复杂的系统模式在基因组范围内(4,8- - - - - -10)。血凝素(HA)的基因片段编码主要重要因为HA蛋白保护性免疫反应的主要目标。因此,HA是公共卫生监测的重点,目前的主要组件授权流感疫苗。我们使用的抗原和基因分析HA作为标志的全球进化和流行病学调查甲型流感病毒(H3N2)从2002年到2007年,确定流感流行源自本地过度紧张或从其他地区流行是否播种。
抗原进化
抗原制图显示(H3N2)病毒的抗原进化,自1968年出现在人类,可以表示为一个二维(2 d)抗原地图(11)。自2002年以来,(H3N2)病毒的抗原进化已经大致遵循一条线远离/悉尼/ 5/1997-like病毒,1998年成为主流通过/福建/ 441/2002-like病毒/加州/ 7/2004-like病毒/威斯康辛州/ 67/2005-like菌株,在2006年和2007年成为主流。图1一个使用这种定向偏差2 d图展示空间抗原进化和流行病学在一个阴谋。
全球模式随着时间的推移在抗原和基因进化。(一个)抗原的距离/悉尼/ 5/1997的病毒隔离策划与时间的隔离。一个单位的抗原距离对应于一个双重的抗血清的稀释嗨化验。每个点对应一个实验室确诊甲型流感(H3N2)隔离,与点的颜色表明该地区的地理起源(E)所示。厚黑线是最佳适合统计模型(黄土样条)安装在所有数据点显示随着时间的推移的趋势。点的花键抗原性上先进,而背后的菌株花键抗原性上落后。(B)的基因版本(A)为所有测序菌株随着距离的测量到根,最大似然的/武汉/ 359/1995,核苷酸系统树(C),厚黑线(A)是一样的,但基因数据。(C)这幅HA1核苷酸序列的系统发育树的地理起源(E),包括姓名和隔离日期。我们构造初始树PhyML软件包版本2.4.5 (38),有1567个核苷酸序列(12)和一个/武汉/ 359/1995作为根,使用GTR +我+Γ4(一般倒流模型的比例不变的网站和among-site的伽马分布率变化有四个类别从经验数据估计)[由ModelTest (39进化模型)。GARLI版本0.951 (40)是运行在最佳树从PhyML二百万代优化树拓扑和分支长度。图S3A提供了“zoom-able”版本的这张照片。(D)(C)的部分细节。E)地理背景颜色(A) (D)。
在此之前,史密斯等。(11)显示,从1968年到2003年,(H3N2)病毒的抗原进化打断:相对静止期持续3到8年随访抗原的快速变化,导致转换到新的抗原集群,需要一个更新的流感病毒疫苗株。在这段时间里,一些集群也表现出星团内抗原进化,迫使within-cluster更新疫苗株。我们找到类似的模式的星团内抗原进化从2002年到2007年。在这段时间里,抗原进化发展远离/悉尼/ 5/1997平均每年2.13抗原单位(图1一个)。两个抗原的距离单位,代表四血凝抑制(HI)试验效价不同,通常被认为是足够的疫苗抗原不同,更新。流感疫苗(H3N2)组件的更新在此期间的四倍。疫苗株的选择涉及的核心组件识别新兴抗原变异。如果一个新兴的变体是判断可能导致传染病在即将到来的流感季节,疫苗被更新以包含新菌株的代表。
我们发现不同的抗原变异的数量在流行病在不同地区,每年在同一地区(图1一个)。尽管有这样的时空异构性问题,抗原进化已经明显在全球范围内均匀。解释了这种同质性可能是病毒在全球范围内传播,而不是本地保存和发展。
寻找全球模式的新兴变异的来源,我们测量的区域领先或落后于抗原和发现,从2002年到2007年,新出现的一个(H3N2)亚型出现在E-SE亚洲国家,平均∼6到9个月比他们早出现在其它地区,南美洲长延迟,通常额外∼6到9个月(图2一个)。尽管(H3N2)病毒在E-SE亚洲国家平均多抗原上先进,有足够的变化从一季到下一季(彩色圆圈图2一个),这样没有一个特定的国家在该地区是最先进的。泰国、马来西亚、亚洲正在领导模式和日本例外,减少抗原方面比其他地区的先进。
进化领先和落后地区。(一个)黑色圆圈表示的平均抗原距离花键图1一个所有菌株孤立在一个地区,薄水平黑线表示SEM。彩色圆圈分裂这一总体平均的流行;圆的颜色显示时间。样条也可以理解为时间的函数;因此,时间显示为第二个x轴。(B)与(),但是基于样条的遗传距离图1 b。(C)遗传距离到主干系统树的地区和季节。我们通过算法定义树的树干图1 c(14),并计算每一株树干的树的距离。平均距离树干是计算每个地区和每个季节。黑色圆圈表示总体平均每地区薄水平黑线表示SEM,彩色圆圈表示季节平均值。对E-SE意味着亚洲与大洋洲(不同P< 0.00001)、北美(P< 0.001)、欧洲(P< 0.01)和南美洲(P< 0.0001)。
这个亚洲正在领导模式的一个解释是,新的变异首先出现在E-SE随后亚洲和世界其他地区。另一种更复杂的解释是,这个模式是独立的产品当地的持久性在多个地区和全球独立平行进化中相似的抗原变异出现的结果类似的选择压力。为了测试这两个解释,我们必须回答的基本长期存在的问题是否流感病毒存在于一个地区,并可能因此进行平行进化,从外部区域或地区是否定期播种。
大约10%的∼13000 (H3N2)病毒抗原也分析分析基因测序HA1域的血凝素(12)。这个子集是一个代表性的∼13000隔离(图印地),因此是适合调查品种的祖先和当地持久性的基本问题和播种的全球环流(H3N2)病毒。随着时间的推移遗传进展(图1 b)显示相似的抗原数据平均模式,台湾与亚洲领先的(正如前面所示(13)和南美洲后(图2 A和B)。然而,有重要的差异(中国在2005年和2005年大洋洲)。流感疫苗株的选择、genetic-antigenic差异解决赞成抗原数据,因为体液免疫系统“看到”病毒表型,而不是基因型。
持久性和播种
inter-epidemic菌株来源。最简单的持久性和播种测试是检查菌株之间的孤立的流行的起源。如果在本地病毒持续存在,至少一些inter-epidemic菌株的后裔,因此更密切相关,从以前的流行菌株比从域外菌株。另外,如果没有持久性,inter-epidemic菌株更类似于从其他地方。
我们测序52 inter-epidemic株的HA1域隔离在大洋洲(主要是澳大利亚和新西兰),北美,日本从2002年6月到2006年9月。这些inter-epidemic菌株更类似于以前当地流行菌株比外部循环压力(图3)。这个结果证明对当地外部播种和持久性。
interseasonal菌株的遗传关系当地流行病毒株在前面和其他地区的菌株流行。Interseasonal分离到的菌株被定义为超过1个月前结束后当地流行病和超过1个月之前开始的下一个地方流行。对于每个interseasonal应变,种系发生树距离计算最近的应变在前面的流行和最接近的应变在前4个月发现了域外。对角线是1:1,包括供参考。
即使做得很好,inter-epidemic监视收益率相对少量的数据不能完全排除本地病毒持久性之间流行的存在,尤其是低致病性变异产生的亚临床感染。在下一节中描述的测试已经使用所有可用的序列数据的优势而不是限于inter-epidemic数据。然而,所有的测试必须考虑外部的影响介绍当地流行期间(14)。
从一个流行菌株的进化关系到下一个地区。所描述的纳尔逊et al。(4,8),如果流行菌株保存在本地和产生下一个地方流行,那些彼此密切相关的压力应该比在其他地区,分离出的菌株和种系发生树中所描述的数据看起来像图S2A。相反,如果疫情被播种以外地区,流行菌株更类似于当代菌株以外地区比以前当地流行菌株(图开通。
纳尔逊的方法论et al。(4,8),我们构建的系统树HA1域的血凝素的测序子集全球监测数据(图1 c和图S3A)。在这棵树,在每个流行病毒的HA1温带地区(在大洋洲四在北美,五,四个在欧洲,日本和四个),每个流行在亚热带地区(3)在香港的后裔外部循环压力,不是从当地流行菌株在前面的(图1,C和D)。这棵树的拓扑结构更类似于图开通一比,在图S2A。这一结果也为外部证据播种和持久性。其他地区,包括大多数热带和亚热带地区,有更少的序列,它是不可能确切区分持久性和播种。
这个证据对持久性同意外部播种和纽约州的全基因组分析,数据显示全球移民澳大利亚和新西兰(H3N2)的病毒,而不是本地持久化(4,8- - - - - -10,15)。此外,尼尔森et al。(8)发现证据兼容northern-to-southern半球移民或移民从热带地区,包括东南亚。
播种的来源
鉴于这种证据为当地播种和持久性,剩下的解释E-SE亚洲正在领导模式(图2 A和B)意味着新的变体首先出现在亚洲E-SE然后种子世界其它地区。系统发育树提供了进一步的证据来支持这个解释,表明菌株在温带地区的祖先通常起源于E-SE亚洲,与种系发生树的“树干”通常被E-SE占领亚洲菌株(图1,C和D)和平均E-SE亚洲压力接近主干(P< 0.001)比来自其他地区的菌株(图2 c)。
上面的分析中,除了“E-SE亚洲”假说的证据,证据也对其他几个长期未解决的假设流感病毒的全球环流,如下。
从中国。如果中国所有新变异的来源和有效播种世界其它地区(16),那么中国菌株(i)接近主干每年比来自其他地区的菌株和(2)抗原和基因相对先进的压力来自其他地区,这两个我们没有发现(图2)。符合先前发表的研究中,我们发现新的变种有时在中国首次检测到(15,17,18);然而,我们还发现新的变异有时E-SE亚洲其他国家的首次检测到(图2)。
Out-of-tropics。在这个假设,流行在热带地区以外的地区从热带地区播种(7,19)。如果情况属实,(H3N2)病毒需要循环不断地在热带地区,并将产生两种进化模式。一个模式会出现热带亚洲、非洲和南美洲进行临床流行病学以及连接彼此;在这种情况下,所有三个区域将同样抗原和基因比nontropical地区靠近树干的先进技术和设备。其他模式会出现三个热带地区临床流行病学联系彼此很差;在这种情况下,会有每个热带地区独立的遗传谱系。目前没有足够的数据来分析包括热带非洲。然而,对于热带亚洲和南美洲,这些模式都不是观察(无花果。1 c和2和图S3A) (14)。
播种菌株在北半球和南半球之间移动。如果这个假设是真的,那么每年流行在北半球将种子病毒流行在南半球,反之亦然(20.- - - - - -22)。的种系发生树HA1域(图1 c和图S3A)没有证据表明流行菌株在北半球被后代菌株流行在南美或非洲。这棵树显示了大洋洲发挥作用有限的证据在播种少数流行病在北半球(14),但在一个水平不足以支持这一假设的主要机制全球流感病毒的循环。这个假设也未能解释病毒从亚洲,几乎完全包含在北半球,铅抗原和基因和最近的种系发生树的树干。
当地的持久性与播种只有在集群的转变。尽管没有大集群转型我们的研究期间,平均有2.13个单位每年抗原进化的。即便如此,在温带地区,没有本地持久化可以被探测到,每个流行由外生菌株播种。漂移变异在这项研究中观察到从E-SE亚洲出现;然而,因为我们没有见过的主要集群转型武汉1995年到1997年悉尼的大小(4.7∼抗原单位),我们不能排除,在这种情况下有可能出现一个新的变体E-SE亚洲以外也可以影响播种模式。
E-SE亚洲流通网络
亚洲E-SE种子流行在世界多个地区,流感病毒必须在亚洲E-SE循环不断。但如何?
人们普遍认为流感病毒不断循环在热带国家(7,23- - - - - -27),如果这是真的,它将解释如何在热带亚洲流感病毒可能会持续下去。事实上,循环一个特有的核心地区,种子卫星地区已被证明是一个重要的流行病学的过程不断循环抗原的稳定的病原体(28,29日)。报告基于流感样疾病(伊犁)或流感和肺炎的死亡率(IPM)数据描述热带地区持续的循环(23)。然而,一些病毒除了流感可导致伊犁和IPM,并基于病毒研究热带国家组织有明显的季节性流感流行,高峰时期通常发生高降雨量(30.- - - - - -35)。同意这些研究基于病毒隔离,我们还发现,流感病毒隔离研究清楚流行高峰和深度低谷在所有地区,包括四个热带和亚热带E-SE四个亚洲国家,有足够的数据来检测流行病的信号。因此,连续循环在个别热带国家不太可能在亚洲E-SE持久性机制。然而,更多的数据从一个广泛的多样性的位置需要完全理解季节性强迫和明确排除本地持久化一个元素传播动力学E-SE亚洲热带和亚热带地区。
不断循环的另一个可能性是,病毒从流行通过移动人口国家中流行。图4中,A和C表明,有足够的时间变异性的流行在E-SE亚洲的病毒可能以这种方式循环不断的流行的时间重叠。的可变性流行病的时机可能是与异质性在较低的温度和雨季的时间(19,33,36)。我们假设流行病的可变性,加上E-SE亚洲国家的互联性,形成了一个E-SE亚洲流通网络,维护该地区的流感病毒通过流行疫情。
同步的流行在东亚和南太平洋。(一个)在东亚流行。的y每2周轴显示实验室确认H3N2感染总数的比例经实验室确诊的H3N2感染在研究期间在每个位置。(B)菌株的系统发育树的树干特定进化测试病毒迁移中国家的重要性。在(B)和(E),每有一个圆形压力系统树的树干(无花果。S3A和S4)。目的是说明(主干菌株上面一行颜色代码从(A),底下一行(C)]和孤立时,流行病学评估活动的孤立。青色的圆圈表示E-SE亚洲紧张但地点不是(F)所示。(C)一样(A)但是对于热带东南亚。(D)一样(A)但是对于澳大利亚和新西兰。(E)(B)一样,但是最上面一行是大洋洲的菌株(青色圆圈表示压力来自澳大利亚的城市中没有显示(F)],和底部行株从北美(蓝色)和俄罗斯和乌克兰(黄色)。(F)地理设置(A) (E)。
如果存在这样一个网络,我们预计的时间和系统发育进展E-SE亚洲病毒在种系发生树的树干病毒从流行在网络流行。图S4显示这样的进展图4 B和E的关系,显示这些树干菌株流行的时机。树干菌株被孤立在温带、亚热带和热带地区的E-SE亚洲,表明这三个气候区域的亚洲E-SE流通网络的一部分。测试是否non-E-SE亚洲菌株在树干上表明,流通网络包括E-SE亚洲以外的国家或他们是否代表单向播种事件E-SE亚洲,我们检查了系统发育树(图1 c和图S3A)。我们发现有限的实例播种回E-SE亚洲,有明确的证据表明,亚洲多数E-SE菌株是直接从其他亚洲E-SE后代菌株(14)因此表明暂时重叠在E-SE亚洲流行形式流通网络,在研究期间,主要是封闭的外部再播。
E-SE亚洲强劲的旅行和贸易联系大洋洲、北美和欧洲(14,37)促进新流感病毒变异的快速运动进入这些地区,从而解释抗原和基因的相对较小的滞后发展这些地区(图2 A和B)。同时,尽管目前还不清楚有多少旅行必须在两个地点之间的流行病学关系,南美的6至九个月滞后抗原(图2一个)可能是由于其缺乏直接联系E-SE亚洲(图S5)。南美强劲的旅游连接欧洲和北美,但不要E-SE亚洲,可能导致播种层次菌株在哪里第一次播种到北美,欧洲和南美洲(图5)。多数菌株似乎流传在这个简单的层次结构,甚至那些流传的菌株在一个更复杂的层次结构仍然起源于E-SE亚洲(14)。因此,许多H3灭绝lineages-a H3 phylogeny-may的关键特征,除了有害突变的积累(25),也是由于达到这个层次。
占主导地位的播种季节的层次结构的示意图甲型流感病毒(H3N2)。网络的结构在E-SE亚洲是未知的。
监测和疫苗株的选择
一个世卫组织全球流感监测网络的主要实用功能是协助监管当局建议应该包括哪些菌株在流感疫苗。扩大监测在E-SE亚洲流通网络将帮助早期发现新变体的出现和传播,有助于更精确地定义网络。这样的监测是至关重要的优化疫苗株选择国家在网络和预测的变异将种子流行病在世界其他国家,因此增加疫苗的功效,最终减少全球流感发病率和死亡率。
鉴于HA的重要性,它是唯一的病毒基因组部分目前测序通常在世卫组织全球流感监测网络。最近,全基因组测序项目提供了重要的见解的起源和传播重组病毒,快速迁移,和多个血统的cocirculation (4,8,9,15)。扩大整个基因组的测序将提供额外的标记跟踪全球移民的病毒和揭示潜在的全球进化差异哈,另一个基因片段。这样的测序的努力应该包括菌株E-SE亚洲和HA与抗原数据,从长远来看,由其他病毒基因表型变化完全理解流感病毒及其流行病学的选择压力。
在这项研究中使用的数据是由世卫组织全球流感监测网络。虽然在监测数据有偏见,这些偏见没有实质性的影响结果(14)。我们使用的方法是通用的,虽然这里应用于人类甲型流感病毒(H3N2),在其他物种广泛适用于流感病毒和其他病原体。
总结
我们目前的证据从抗原和基因分析哈,从2002年到2007年,全球流行甲型流感病毒(H3N2)被播种每年由病毒起源于E-SE亚洲。我们找到证据证明暂时重叠E-SE亚洲创建一个循环网络中流行的甲型流感病毒(H3N2)区域内不断循环,通过从流行到流行病。E-SE亚洲与大洋洲'sstrong旅行和贸易关系,北美和欧洲,再加上弱连接到南美,可以解释播种层次结构中观察到这一时期第一种子的新的病毒毒株流行在大洋洲、北美和欧洲,后来在南美洲。这个层次的大多是单向的性质表明,一旦(H3N2)病毒离开E-SE亚洲,他们不太可能导致长期的病毒进化。如果在此期间观察到的趋势的准确表示整体的传播模式,然后外(H3N2)病毒的抗原特性E-SE亚洲可能预测每年基于监测在E-SE亚洲,与顺向改进疫苗株甲型流感(H3N2)选择和减少发病率和死亡率。强化监测,包括全基因组测序,并更好地理解亚洲E-SE进化选择压力将进一步改善全球疫苗株的选择,可能使流感病毒进化更可预测。