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新工具:面向高度变异病毒组学量身定制

2025-7-10 10:27| 编辑: 归去来兮| 查看: 219| 评论: 0|来源: 小桔灯网 | 作者:动力彩虹

摘要: 作者介绍了为病毒基因组学量身定制的varVAMP工具
随着下一代测序技术的不断发展,全基因组测序已成为追踪病毒病原体进化、研究疫情爆发以及识别新型人畜共患病威胁的重要工具。然而,针对高度变异的病毒进行全基因组测序仍然面临挑战,尤其是在设计能够覆盖所有病毒株的特异性引物方面。病毒具有高基因组变异性和INDELs位点,因此最优泛特异性引物必须瞄准高度保守的区域,同时保持简并最小。


近日,杂志Nature communications上发表了一篇题为“varVAMP: degenerate primer design for tiled full genome sequencing and qPCR”的文章。作者介绍了为病毒基因组学量身定制的varVAMP工具,可以为单个扩增子、tiled扩增子和qPCR设计简并引物。作者通过设计和测试SARS-CoV-2、HEV、ratHEV、HAV、Borna-disease-virus 1 (BoDV-1)和脊髓灰质炎病毒(PV) 1-3的泛特异性tiled和qPCR引物,展示了varVAMP的实用性,且最小化引物错配方面,varVAMP优于主流引物设计软件PrimalScheme和Olivar。


图片来源:Nature communications


主要内容


varVAMP工具简介


varVAMP(Variable Virus Amplicons)是一款面向高度变异的病毒序列,针对qPCR或tiled扩增子全基因组测序的简并引物设计工具。该工具依赖于病毒序列的多重序列比对(MSA)分析、k-mer筛选算法和Dijkstra算法等关键技术,能够识别出保守区域并设计包含简并核苷酸的引物,从而最大限度地减少引物与靶序列之间的错配。


运行varVAMP时生成的示例概览图。

图片来源:Nature communications


HEV泛特异性引物的设计与评价


作者尝试设计对多种HEV-3亚基因型具有特异性的引物。作者首先对HEV序列进行相似性聚类,并得到7个聚类,其中4个聚类属于HEV-3。作者使用varVAMP为聚类2(HEV- 3 f, e)和聚类4(HEV- 3 c, h1, m, i, uc, l)设计引物,产生了数个1 - 1.5 kb的tiled扩增子测序引物设计。单步RT-PCR结果显示,除了2个引物产生了非特异性扩增,其余扩增子都有一致的强扩增。作者使用此tiled引物方案,通过Illumina测序从感染细胞培养物和患者材料中恢复了接近完整的病毒基因组(如下图)。


HEV-3引物设计及tiled测序。

图片来源:Nature communications


varVAMP与PrimalScheme和Olivar的对比


作者还使用varVAMP设计了SARS-CoV-2、BoDV-1、HAV、PV和ratHEV的全基因组tiled测序引物方案,并在计算机上对这些方案进行了评估。varVAMP的主要目标是感知变异,并在最大化扩增子覆盖率的同时最大限度地减少引物与输入MSA序列的错配。为了评估varVAMP在变体感知方面的性能,研究团队将其与PrimalScheme和Olivar等主流引物设计软件进行了头对头比较。结果显示,在处理高度变异的病毒序列时,varVAMP在最小化引物错配方面表现最佳。这主要得益于varVAMP能够将变体信息整合到引物序列中,从而提高了引物与目标序列的结合能力(下图a,b)。


varVAMP与PrimalScheme和Olivar的对比。

图片来源:Nature communications


SARS-CoV-2、BoDV-1、HAV、PV

和ratHEV的全基因组tiled扩增子测序


在一项由各自病原体专家参与的多中心研究中,作者评估了针对SARS-CoV-2、BoDV-1、HAV、PV和ratHEV的varVAMP引物是否适合全基因组测序和基因组重建。结果显示,所有引物方案均适用于Illumina或ONTtiled扩增子测序,并通过应用最初为SARS-CoV-2 tiled扩增子测序而开发的测序方案获得高度覆盖的全基因组序列(如下图)。


SARS-CoV-2、BoDV-1、HAV、PV和ratHEV的全基因组tiled扩增子测序。图片来源:Nature communications


总结


varVAMP是一款功能强大的生物信息学工具,它能够为高度变异的病毒设计高效的引物方案,适用于tiled扩增子全基因组测序和qPCR等多种分子技术。通过实验验证和与其他软件的比较,研究团队证明了varVAMP在变体感知、引物错配最小化以及运行时间等方面的优势。未来,随着病毒基因组的不断演化和新型病毒的出现,varVAMP有望为病毒诊断和流行病学研究提供更加可靠和高效的工具支持。

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