HIV分子流行病学及其应用-何翔

HIV-1
大猩猩
至少发生四次独立的传播事件形成 了HIV-1 M, N, O， P组.
HIV-2: 来源于乌白眉猴的免疫缺陷病毒(SIVsm)
30
西部非洲 Humans in 人群 West Africa
HIV-2
SIV SM
25
4/16全长 序列分析
喀麦隆东南和中南 栖息的黑猩猩分别 是HIV-1 M组和N组 病毒的来源 SIVcpz 是 HIV-1 的 祖先
Science, 313:523, 2006
HIV-1 O组可能起源于喀麦隆大猩猩
26
Nature 444: 164, 2006
• 检测喀麦隆偏远原始森林区378黑猩猩和213大猩猩粪便标本抗体 • 40/323 P.t.troglodytes （+）；0/55 P.t.vellerosus（-）； • 6/213 野生大猩猩（+）！！！HIV-1 gp41（重组免疫检测）， HIV-1 gp160/gp120，gp41和Pol （p66，p51）（WB）；
out7430 out7710
out7990
out8270
out8550
out8270 out8550
out8830
Position in genome
out6310 out6590 out6870 out7150 out7430 out7710 out7990 out8830
out6750
out5650 out5870 out6090 out6310 out6530 out6750 out6970 out7190 out7410 out7630 out7850 out8070 out8290 out8510
Chiang Mai
Bangkok Rayong
CRF01_AE
E_TH253 BE_OUR1332CRF15_01B BE_KWAN207 BE_R2399 G_G6165 G G_HH8793 J_SE9173_3 J J_SE9280-9 .10
gag
pol
GP120
env
GP41
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
30
40

50
60
70
80
90
30
40
out3450
out3670 out3890 out4110 out4330 out4550 out4770 out4990 out5210 out5430
50
60
70
80
90
0
A
Phylogenetic Criteria for Classification: 系统进化树分类的标准：亚型 vs 重组 Subtype vs. Recombinant
CRF06_cpx
CRF13_cpx CRF14_BG
G
CRF04_cpx
0.10
A2
CRF16_A2D
15
16
Bootstrap value
100
100
10
10 20 30 40 50 60 70 80 90
out0150
out0150 out0370 out0590 out0810
20
0
30
40
18
In East Africa, illustrated by this data from Kenya, URF form a substantial proportion of strains
URF
A
Kenya
KER2017 KER2021 MSA4071 KISII5003 KSM4015 KSM4017 KSM4028 KNH1097 MSA4080 KISII5011 KNH1043 MSA4077 ACD AD AD AD AD AD AD AC AC AC AG
out6590
out4910
out4770
A
out5190
out4990
out6870
out6530
out5470
out5210 out5430
out7150
Phylogenetic Criteria for Classification: Subtype vs. Recombinant
AD
out5750 out6030
Position in genome
out5750
out3510
out3450
out3790
out5650
out3670 out3890
out6030 out6310
out4070
out5870
out4350 out4630
out4550 out4110 out4330
out6090 out6310
HIV 的分类：型、组、亚型和重组亚型
12
型别
组别
亚型
亚亚型
重组亚型
HIV
2
4
9
…… ……
61
灵长类慢病毒的遗传多样性
50%
x
35%
Gao et al., Nature, 1999 Santiago et al., Science, 2002 Corbet, J Virol, 2000 Foley & Korber HIV Database
• 提取粪便RNA：所有抗体阳性大猩猩标本 • RT-PCR：pol（890bp），env（390bp），env/nef （740bp） • 系统树分析大猩猩病毒序列与HIV-1 O组非常拟合
跨物种传播是如何发生的？
27
a. b. c. d.
沿着商业/伐木道路的兽肉交易 兽肉交易的副产品：宠物猴 烟熏肉 非人灵长类动物的兽肉
out2950 out3230
100
out3510
out3790
out0150 out0370 out0590 out0810
out4070
out0710 out0990
out4350
out1270
out4630
out1830
out4910
out2110 out2390
out5190
out2670 out2950 out3230
系统进化分析的验证－瑞典HIV传播链
10
*maximum likelihood analysis under a GTR (general-time-reversible) nucleotide substitution model
PNAS USA, 93:10864, 1996
11
HIV的变异及分类
CD
HIV亚型及变异
19
20
HIV的起源及传入人群
HIV的起源：SIV的人畜共患感染（跨物种传播）
21

非人灵长类动物与人类之间发生跨物种传播的证据
病毒基因结构的相似性 Genetic similarity of viral genomes 进化关系的相近性 Closeness of phylogenetic relationship 自然宿主的感染率 Infection rates in natural host 地理分布的一致性 Coincidence of geographical distribution 感染途径的可能性 Plausible pathways of transmission
HIV-1 M组病毒进入人类的时间
28
提示HIV-1 M组病毒的共 同祖先株存在于1930s
Science 288: 1789-96, 2000 Nature 455: 661-4, 2008
HIV-1: 来源于黑猩猩和大猩猩的免疫缺陷病毒
29
黑猩猩
Pan troglodytes
中部非洲人群
SIVcpz Gorilla gorilla
vpu is shared with HIV-1 and SIVCPZ vpx is found only in HIV-2 and SIVSM
灵长类慢病毒的进化史
22
对HIV-1而言，至少发生了4 次跨物种传播，形成了HIV-1 的M组、N组、O组和P组； 而HIV-2至少发生了3次跨物 种传播
重组
~7-30 crossovers per genome per round
高度相关但不一致病毒基因组: 准种(quasispecies)
EVOLUTION/进化
灵长类动物的进化
系统进化树

Node 节点
包括内部节点和外部节点，外部节 点又称为OTU (Operational Taxonomic Unit)，内部节点又称为HTU (Hypothetical Taxonomic Unit)



HIV分子流行病学常用的方法
3

分子生物学技术与现场流行病学研究方法相结合

基因序列分析 异源双链泳动分析（HMA) 单链构象多态性分析（SSCP） 限制性片断长度多态性分析（RFLP) 核酸探针杂交/特异性引物检测




HIV分子流行病学研究的主要内容
4

HIV的种类及分布 HIV的起源和进化 分子流行病学调查：地区HIV流行毒株的种类及人群/地域分布 特征



鉴定和研究新重组病毒的发生和传播

研究影响不同地域流行HIV的流行病学因素
HIV传播网络的追踪(传播链)

5
进化分析的基本概念
HIV-1：人类最大遗传变异的病原体
6
迅速复制
~10.3x109 virions per day
高突变率
~1 substitution per genome per round
‘E’
B
‘E’
Four recombinant strains of identical structure recovered from widely separated locations in Thailand established CRF15 in 2003
系统进化树分类的标准: URF
动物跨种传播从猿到人的证据
23
HIV-1 M 和 N 组起源于喀麦隆黑猩猩
24

提取RNA: 所有免疫印迹测定阳性; 31/34 env(390bp)和pol (890bp)RT-PCR扩增;
近期 感染
Science, 313:523, 2006
HIV-1 M 和 N 组起源于喀麦隆黑猩猩
out5470
0
Bootstrap value
100 10
10 20
out0150 out0430 out1550
out3230
20
0
out1030 out1250 out1470 out1690 out1910 out2130 out2350 out2570 out2790 out3010 out3230
HIV-1组别
14
(2009, Nature Medicine)
HIV-1亚型, 亚亚型, 重组体
15
CRF10_CD CRF03_AB
D
H
B
CRF17_A2D
F1
CRF12_BF
CRF05_FD
C
CRF07_BC
CRF08_BC
F2 K
CRF11_cpx
A1 J
CRF02_AG CRF15_01B CRF01_AE CRF09_cpx

Branch 分支
连接节点

Cluster 簇
一组属于同一分支的分类单元如果 具有单一起源，即称为簇
Node 节点 Branch 分支 Root 根

Root 根
指的是进化树上最老的一个点或相 信是距离分析的序列进化关系最远 的一组序列 (outgroup rooting)
Baldauf. 2003. TRENDS in Genetics, 19(6): 345-351
out6970 out7190 out7410
AD
out7630 out7850 out8070 out8290 out8510
A C D J
A C D J
系统进化树分类的标准: CRF
17
B_MN B B_RL42 B_RF D_ELI D D_NDK F_VI850 F F_F9363 C_BR025 C C_ETH2220 H_VI991 H H_CF056 A_UG037 A
HIV分子流行病学及其应用
广东省疾病预防控制中心/广东省公共卫生研究院 何 翔
分子流行病学
2

分子流行病学是一门采用分子生物学指标和技术手段来进行流行 病学调查研究的科学，并涉及到多个新学科，包括生物信息学、 分子生物学和数学(计算科学) 就研究对象而言，传统意义上的流行病学主要研究宿主，而分子 生物学方法主要研究病原体 分子流行病学的早期定义中，包括无机分子和有机分子(如糖分子、 蛋白质、抗体和核酸)，随着测序技术的快速发展，现在的分子流 行病学更多的利用蛋白质和核酸信息 随着测序技术的发展、计算能力的提高及新出现的病毒，分子流 行病学的应用将更加广泛
50
60
70
80
90
out0430
out0710
out0990
out1030
out1270
out1250 out1470 out1690 out1910
out1550 out1830
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out2350 out2570 out2790 out3010
out2670