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NAR:基于人工智能的新冠病毒虚拟变异评估和预警系统

2021-10-26

  随着全球新冠疫控的持续,新型冠状病毒基因组在流行过程中持续发生变异。迄今,在全球科学技术人员的共同努力下,已经对超过400万例病毒基因组进行了测序,并构建了多个病毒基因组数据库。这些数据库(如GISAID)在收集、展示数据的基础上,包含了病毒分型、溯源分析等功能,为全球疫情的监测追踪提供了重要的信息。然而,随着对变异研究的深入,对变异造成的功能影响日渐成为关注的焦点。目前,在全球多个国家和地区均发现了包括AlphaBetaDelta在内的多种感染力增强的变异毒株,尤其是关键位点积累的氨基酸变异,极大地改变了病毒的免疫学特征,增加了病毒免疫逃逸的风险,可能会降低现有疫苗、抗体、药物等疫情控制方法的保护性,影响核酸诊断试剂的适用性,对疫情的防控构成了严峻挑战。因此,现有的以收集、展示数据为主的基本数据库已经难以满足未来疫情防控的需求,亟需一个基于大数据的病毒变异风险评估及预警系统,对现有及未来可能出现的各种变异造成的影响进行系统性评估和解读,从而实施更加精准有效的疫情防控策略。 

  中国科学院微生物研究所微生物资源与大数据中心马俊才团队和胡松年团队与北京大学、中国科学院计算机网络信息中心等团队合作在国际知名学术期刊Nucleic Acids ResearchIF=16.971上发布了新型冠状病毒变异评估和预警系统SARS-CoV-2 Variations Evaluation and Prewaning System),简称VarEPS数据库VarEPS是全球首个对SARS-CoV-2基因组已知变异及虚拟变异进行多维度风险评估和预警的系统。 

  

  该数据库从基因组学和结构生物学角度入手,在基于变异位点频率评估的基础上,从核苷酸变异发生难易程度、氨基酸替换难度、变异对蛋白质二级结构的影响、单个氨基酸突变引起的ACE2及中和抗体结合自由能变化等参数对变异进行多维度的评估,全面对已知变异和潜在的虚拟变异对病毒的功能造成的影响进行综合分析。在此基础上,该系统采用人工智能分类器算法,将变异株从传播性和对中和抗体亲和力两方面进行有效分组,实现了基于病毒序列的风险评估和预警。 

  该系统不仅可以作为全球病毒变异监测和追踪的工具,同时还可以基于虚拟变异和风险评估模型,为针对新型变异毒株的精准防控和抗体疫苗设计提供有效的参考信息。目前基于该系统的分析结果为精准高效应对SARS-CoV-2突发疫情提供了重要的决策依据,同时也为应对其他突发传染性公共卫生事件提供了技术储备。 

 

  上述研究成果已于20211011日在Nucleic Acids Research上在线发表,中国科学院微生物研究所微生物资源与大数据中心高级工程师孙清岚、舒畅为该论文的并列第一作者。中国科学院微生物研究所微生物资源前期开发国家重点实验室胡松年研究员、高胜寒特别研究助理、国家微生物科学数据中心马俊才研究员、吴林寰正高级工程师为该论文的共同通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划、中科院A类先导专项、中国科学院重点部署项目、国家自然科学基金金砖国家国际合作项目的经费支持。 

  该数据库通过国家微生物科学数据中心NMDC对全球用户公开免费开放,可在www.nmdc.cn/ncovn上自由访问。VarEPS 系统的功能界面由五个主要部分组成:病毒和变异结合能力评估引物功效评估统计分析工具。其中,病毒和变异以表格形式显示包括谱系、单核苷酸多态性 (SNP) 数以及核苷酸和氨基酸的变异信息,并对每个病毒序列提供了所有相关突变和引物评估结果的单独页面。结合能力评估部分允许用户通过变异所在基因、谱系和抗体结合位点上的位置进行查询,结果以表格的形式展示每个已知变异及所有虚拟变异的多维度风险评估结果,计算并显示抗体亲和力、与ACE2的结合稳定性、氨基酸替代的风险以及第一次和最后一次检出的时间等数据。引物功效评估部分可评估每个突变株对RT-PCR引物效力的影响,并给出受影响的相应毒株信息。 

  

   (来源:中国生物技术网) 

  原文出处:Qinglan Sun, Chang Shu, Wenyu Shi, et al. VarEPS: an evaluation and prewarning system of known and virtual variations of SARS-CoV-2 genomes, Nucleic Acids Research, 2021;, gkab921, https://doi.org/10.1093/nar/gkab921 

  链接: 

  https://academic.oup.com/nar/advance-article/doi/10.1093/nar/gkab921/6389500?login=true 

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