乙型肝炎病毒全基因组序列变异性的空间遗传结构研究

发布时间：2018-08-31 15:31

【摘要】：乙型肝炎病毒(Hepatitis B Virus, HBV)感染是一个世界性的公共卫生问题。世界范围内HBV的感染者大约有20亿,其中慢性感染者约3.5亿-4亿,每年约有50万-120万人死于HBV感染所导致的慢性肝炎、肝硬化或肝细胞癌。HBV属嗜肝DNA病毒科,由于HBV复制过程中HBV DNA聚合酶缺乏校正功能,易导致HBV发生突变。目前,依据HBV全基因组序列核苷酸异质性≥8%或其S基因序列核苷酸异质性≥4%的标准,可将HBV分为A-H 8个基因型；进而又可依据同一基因型核苷酸序列差异≥4%而8%的标准,再将HBV基因型分为不同的基因亚型；且HBV基因型及其基因亚型的分布具有明显的地域性和人种的特异性。因此有必要进一步研究不同地理区域和人群中HBV变异性的空间遗传结构特征。研究HBV序列变异性的空间遗传结构不仅对阐明HBV序列变异的空间异质性特征,探索HBV的空间变异轨迹及其与人群迁移的关系,划分HBV序列变异性的空间遗传结构地理界限等具有重要的理论意义；而且对制定区域化的乙型肝炎防治对策(HBV多表位疫苗的研制、HBV传染源分子流行病学追踪、区域化、HBV个性化治疗方案制定等方面)提供科学依据。目前,在研究HBV序列变异性的地理遗传结构时,多数研究是基于传统聚类方法构建系统发生树,从系统发生树的拓扑结构中识别HBV序列变异性的遗传结构,进而分析某些同源性较高的HBV序列是否对应特定的地理区域。然而,以上研究所采用的方法均是传统的聚类分析方法,未考虑HBV分离地(人群)的空间坐标,因而难以深入揭示HBV序列变异性的空间遗传结构特征。为此,本研究在GIS框架内,采用二维图论最小生成树模型与"Monmonier's algorithm"计算几何学模型相结合的方法,从空间遗传结构连通性分析和空间遗传结构界限识别两个不同侧面研究全球范围内HBV序列变异性的空间遗传结构特征。主要结果： (一)HBV基因型及其亚型地理分布特征 HBV全基因组序列进化树呈现明显的结构化特征,分为8个分枝,分别对应特定的基因型及其基因亚型,而多数基因型及其亚型均具有特定的优势地理分布区域。结果表明,全球范围内HBV序列变异性的遗传结构不仅具有相对独立的基因型和基因亚型拓扑结构,而且受宿主免疫压力等因素的影响在某些基因型和基因亚型分枝上还存在某些重组体。 (二)HBV序列变异性的空间遗传拓扑结构特征 1.HBV序列全部基因型及其亚型变异性的二维最小生成树显示其空间遗传拓扑结构特征：①整个最小生成树由4个分枝组成,分别为美洲大陆分枝、非洲大陆分枝、欧洲大陆分枝和亚洲-大洋洲分枝；②各分枝呈现出明显的地理结构特征,且分枝间有明显的地理、社会隔离特征。其中,海洋是HBV序列变异性地理隔离的主要天然屏障,例如,2、8、9、10和15号点(新西兰、澳大利亚及南太平洋岛国)的HBV序列在地理距离上虽然和美洲大陆接近,但由于海洋天然屏障的隔离并未出现连通分枝。又如,非洲的3、6、11、19和24号点(南非、马达加斯加、马拉维、乌干达和索马里)在地理距离上虽然与东南亚、大洋洲等接近,但也因海洋天然屏障的隔离并未出现连通分枝。而没有海洋天然地理屏障的大陆区域却一般是相互连通的。例如,非洲大陆之内各样本点相互连通,且整个非洲大陆通过中东地区与亚欧分枝连通。又如,大洋洲各样本点也相互连通,并且与亚洲、欧洲形成连通分枝。再如,南北美洲形成了一个连通分枝。因此,本研究揭示了HBV生物地理学本质特征规律,研究结果将对深入理解HBV进化特征、地理隔离特征、HBV与宿主间的空间关系等理论问题具有重要意义。同时也对HBV区域化防治措施的制定(HBV多表位疫苗的研制、区域化HBV个性化治疗方案的制定和区域化特征分子流行病学标记的寻找等)具有实际应用价值。 2.多数HBV基因型及其亚型也同样呈现出明显的空间遗传结构特征：①A基因型的二维最小生成树由3个分枝组成,分别为非洲大陆分枝、欧洲大陆分枝和亚洲-北美洲大陆分枝；各分枝显示出明显的地理结构特征,且分枝间有明显的地理、社会隔离特征。其中,非洲和欧洲分别成为两个比较独立的分枝；亚、美之间尽管有太平洋隔离,但仍存在许多连通分枝,表明亚洲与美洲之间HBV序列高度相似,可能与近代人群频繁迁移、混合有关,也可能与该基因型具有比较广泛的宿主适应性有关。②B基因型的二维最小生成树显示,尽管有少量的分枝与欧美相连,但最小生成树主体仍在亚洲,并且各个分枝间存在隔离现象。③C基因型的二维最小生成树由2个分枝组成,分别为亚洲大陆分枝和大洋洲大陆分枝。各分枝显示出明显的地理结构特征,且分枝间有明显的地理、社会隔离特征。其中,亚洲与大洋洲分别成为两个比较独立的分枝。④D基因型的二维最小生成树由2个分枝组成：亚-非-欧-美分枝和大洋洲分枝。其中,澳洲、美洲和欧洲的宿主均为白种人,而亚洲为黄种人,表明,D基因型对宿主的适应性较广泛。⑤E基因型的二维最小生成树形成1个独立的分枝,局限于非洲。⑥F基因型的二维最小生成树主体位于中南美洲,但其与亚洲(日本)和欧洲(法国)存在个别连通分枝。该研究结果与传统的HBV基因地理分布研究结论基本一致,且进一步阐明了多数基因型及其亚型具有特异的区域化易感宿主；对特定人群的HBV多表位疫苗研制和区域化个性化个体治疗方案的制定具有重要的理论指导意义和实际应用价值。 (三)HBV序列变异性的空间轨迹 1.HBV序列全部基因型及其亚型变异性的空间轨迹多数是沿海岸线定向移动。非洲大陆的HBV序列沿非洲西海岸线向南移至南非,再沿东海岸线向北延伸到中东地区,然后在中东地区分为两枝：一枝沿亚欧大陆延伸到欧洲各国；另一枝经南亚和东南亚,向北逐渐延伸到中国北部直至俄罗斯(该枝的延伸轨迹中还可看到东西两条路线,西线延伸至中国西部,沿藏缅走廊继续向北延伸,再沿丝绸之路向西北延伸至西伯利亚；而东线则由东南亚沿东海岸线向北延伸到中国北部,同时向南延伸至太平洋岛国后继续向南延伸至大洋洲)。而亚洲分枝沿太平洋东海岸线向北延伸至俄罗斯的堪察加半岛,经白令海峡延伸至北美洲,再向南延伸至南美洲。上述HBV序列变异性的空间轨迹与人类走出非洲的基因流动轨迹基本吻合,表明HBV序列变异性随着宿主(人类)的迁移向世界各地传播蔓延,形成了与人群移动相吻合的流动轨迹。该研究结论对进一步研究HBV序列进化史具有重要的指导意义。 2.研究结果还表明,尽管多数基因型及其亚型有其优势地理分布区域,但不同空间位置上的同一基因型间仍存在着特定的空间轨迹：①全球A基因型HBV序列变异性的最小生成树呈连通态势,且有明显的序列变异空间轨迹,这些轨迹多数沿海岸线定向移动。非洲大陆的A基因型HBV序列有两个分枝(一枝沿非洲西海岸线至冈比亚、再向东至索马里,然后再沿东海岸线延伸到中东地区；另一枝沿东海岸线延伸至中东地区),且在中东地区融合、进入南亚和东南亚。欧洲大陆的A基因型HBV序列沿地中海的海岸线延伸至亚洲大陆；而亚洲大陆与美洲大陆间A基因型序列存在很多连通通道,表明两者的关系密切。②B基因型分布较局限,轨迹不明显,主要局限在亚洲,表明其具有特殊的宿主易感人群(亚洲人群)。③C基因型分布也较局限,轨迹不明显,主要局限在亚洲,表明其具有特殊的宿主易感人群,但亚洲人群和大洋洲的土著居民更易感染C基因型。④D基因型呈现出纬向连通轨迹,可能与人群迁移交流有关。⑤E基因型以非洲东南部的岛国—马达加斯加为中心向西、向西北方向延伸,向西跨越莫桑比克海峡延伸到非洲西南部(安哥拉、纳米比亚和赞比亚)、非洲西部(塞内加尔、科特迪瓦、加纳、贝宁、尼日利亚和喀麦隆)。表明了E基因型以马达加斯加为中心向外定向扩张流行的轨迹。⑥F基因型沿中南美洲大陆呈南北走向。这些研究结果为进一步研究HBV同一基因型的进化史和空间传播轨迹,寻找其分子流行病学追踪标记具有重要意义。 (四)HBV序列变异性的地理界限 1.本研究表明,HBV序列在全球范围内存在许多具有统计学意义的地理界限。这些地理界限将全球分割成几个相对独立的遗传同质性地理区域：①全球HBV变异性以太平洋为界分为新世界(南北美洲)区域和旧世界(亚、非、欧)区域；②新世界区域中的HBV序列具有高度同质性；③旧世界区域中的HBV序列空间结构复杂,空间异质性程度高,整个区域又被许多亚界限分割成不同区域。其中,非洲成为一个比较独立的同质区域,而欧、亚、大洋洲成为另一个相对独立的同质区域。西伯利亚和北美洲靠近北极圈的部分地区成为一个相对独立的区域。该研究结果与人类群体遗传结构的地理界限基本吻合。表明,HBV序列的变异与其宿主的遗传结构一致,具有特定遗传同质性的人群(宿主)往往更易感染某一特定的基因型及其亚型,而特定的HBV基因亚型更适于在特定的人群中流行和生存。 2.按照基因型分别对HBV序列进行地理界限分析,结果表明,即使同一基因型也存在许多具有统计学意义的地理界限(图22-图27),可将其划分为同质性更高的特定地理区域：①地理界限将A基因型及其亚型分割成相对同质的几大区域：以图22中界限Ⅰ为界分为南北两大区域,北部区域包括中亚、东亚、西伯利亚和北美洲,主要分布着A2基因亚型；以界限Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ所围成的南部同质区域包括东南亚、中东、非洲东部和南部,主要分布着A1基因亚型；以界限Ⅲ、V所围成的非洲西北部同质区域,主要分布着A3基因亚型；以界限Ⅳ、ⅡV所围成的欧洲西部同质区域,主要分布着A2基因亚型。北部区域和欧洲西部同质区域实际在地理距离上十分接近。②B基因型被近似平行的呈西南-东北走向的地理界限依次分割成几个相对同质的区域：以图23中界限Ⅰ所围成的北美洲同质区域,主要分布着B6基因亚型；以界限Ⅰ、Ⅱ所围成的同质区域主要包括日本,主要分布着B1基因亚型；以界限Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ所围成的同质区域主要包括中国,主要分布着B2基因亚型；以界限Ⅲ、Ⅴ所围成的同质区域包括东南亚,主要分布着B3、B5基因亚型；以界限Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ所围成的同质区域包括越南,主要分布着B4基因亚型；以界限Ⅵ、Ⅶ所围成的同质区域包括泰国和瑞士,主要分布着B2基因亚型。③C基因型的分布虽然局限于亚洲和大洋洲,但仍被一条呈东南-西北走向的地理界限分割成南北两大区域：北部同质区域包括日本、韩国、中国北部和乌兹别克斯坦,主要分布着C2基因亚型；该区域的HBV序列空间结构复杂,空间异质性程度高,整个区域又被许多亚界限分割成不同区域。其中,夏威夷成为一个比较独立的同质区域,而日本冲绳成为另一个相对独立的同质区域；南部同质区域包括东南亚、中国南部、澳洲和南太平洋岛国,主要分布着C1、C3、C4、和C5基因亚型,该区域的HBV序列空间结构复杂,空间异质性程度高,整个区域又被许多亚界限分割成不同区域。其中,东南亚成为一个比较独立的同质区域,主要分布着C1基因亚型；菲律宾成为一个比较独立的同质区域,主要分布着C5基因亚型；澳洲成为一个比较独立的同质区域,主要分布着C4基因亚型；南太平洋岛国成为一个比较独立的同质区域,主要分布着C3基因亚型。④D基因型分布广泛,被图25中界限Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分割成相对独立的几个同质区域：包括美洲、非洲、南亚-东南亚(印度)、澳洲和欧洲-中亚-东亚-西伯利亚同质区域。欧洲-中亚-东亚-西伯利亚同质区域中的HBV序列空间结构复杂,空间异质性程度高,整个区域又被许多亚界限分割成不同区域。⑤E基因型虽然仅局限于非洲,但是被图26中界限Ⅰ分割为南北两个相对独立的同质区域：北部同质区域HBV序列空间结构复杂,整个区域又被许多亚界限分割成不同区域。尽管目前E基因型并未定义基因亚型,但仍显示出相对独立的同质地理亚群。⑥F基因型主要分布于中南美洲,但仍被图27中界限Ⅰ分割成南北两个相对独立的同质区域：北部区域包括中美洲和美国,主要分布着F1基因亚型；南部区域包括中南美洲,主要分布着F2基因亚型。以上研究结果表明,尽管多数同一基因型地理分布较为局限,但在其局限的区域内仍存在地理界限；这些地理界限将同一基因型划分成同质性更高的地理区域,多数可找到对应的基因亚型,表明HBV在基因亚型水平上也具有特定的易感人群。该结果对于进一步分析不同地理亚型的HBV序列差异性,寻找特定的流行病学分子标记,用于区域化分子流行病学监测、区域化HBV多表位疫苗的研制和区域化HBV个性化治疗方案的制定等均具有理论指导意义和实际应用价值。主要结论： (一)全球范围内HBV序列变异性的遗传结构不仅具有相对独立的基因型和基因亚型拓扑结构,而且受宿主免疫压力等因素的影响在某些基因型和基因亚型分枝上存在某些重组体。 (二)HBV序列全部基因型及其各基因型的变异性呈现出特定的空间遗传拓扑结构特征,其二维图论最小生成树的各分枝均具有明显的地理结构特征和地理、社会隔离特征。其中,海洋是HBV序列变异性地理隔离的主要天然屏障。 (三)HBV序列全部基因型及其各基因型的变异性具有明显的空间轨迹,其轨迹多沿海岸线定向移动,与人类走出非洲的基因流动轨迹基本吻合。表明,HBV序列变异性随着宿主(人类)的迁移而向世界各地传播蔓延,形成了与人群移动相一致的流动轨迹。对进一步研究同一基因型的进化史和空间传播轨迹,寻找其分子流行病学追踪标记具有重要意义。 (四)全球HBV序列全部基因型及其各基因型的变异性能被具有统计学意义的地理界限分割成若干同质性的地理区域,这些界限和区域与人类群体遗传的地理界限基本吻合。表明,HBV序列的变异与其宿主的遗传结构一致,具有特定遗传同质性的人群(宿主)往往更易感染某一特定的基因型及其亚型,而特定的HBV基因亚型更适于在特定的人群中流行和生存。 (五)HBV序列变异性的空间遗传结构特征对深入理解HBV进化特征、地理隔离特征、HBV与宿主间的空间关系等理论问题具有重要意义。同时也对HBV区域化防治措施的制定具有实际应用价值,包括HBV多表位疫苗的研制、区域化HBV个性化治疗方案的制定和区域化特征分子流行病学标记的寻找等诸多方面。主要创新点： (一)证明了HBV序列全部基因型及其各基因型的变异性均呈现特定的空间遗传拓扑结构特征。其二维图论最小生成树的各分枝均具有明显的地理结构特征和地理、社会隔离现象。其中海洋是HBV序列变异性地理隔离的主要天然屏障。 (二)绘制出了HBV序列全部基因型及其各基因型的变异性的空间轨迹。其轨迹多沿海岸线定向移动,与人类走出非洲的基因流动轨迹基本吻合。为进一步研究同一基因型的进化史和空间传播轨迹,寻找其分子流行病学追踪标记具有重要意义 (三)划定了全球HBV序列全部基因型及其各基因型的变异性的地理界限和同质的地理区域；这些界限和区域与人类群体遗传的地理界限基本吻合。指出HBV序列的变异与其宿主的遗传结构一致,具有特定遗传同质性的人群(宿主)往往更易感染某一特定的基因型及其亚型,而特定的HBV基因亚型更适于在特定的人群中流行和生存。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：R346

【参考文献】