Межвидовая передача ( CST ), также называемая межвидовой передачей , скачком хозяина или переливом , представляет собой передачу инфекционного патогена , такого как вирус , между хозяевами , принадлежащими к разным видам . После попадания в особь нового вида хозяина патоген может вызвать заболевание у нового хозяина и/или приобрести способность заражать других особей того же вида, что позволяет ему распространяться через новую популяцию хозяев. [1] Это явление чаще всего изучается в вирусологии , но межвидовая передача может также происходить с бактериальными патогенами или другими типами микроорганизмов. [2]
Этапы передачи патогенов новым хозяевам включают контакт между патогеном и хозяином; успешное заражение первоначального отдельного хозяина, что может привести к амплификации и вспышке ; и адаптацию патогена в пределах либо исходного, либо нового хозяина, что может сделать его способным эффективно распространяться между особями в популяциях нового хозяина. [3] Эта концепция важна для понимания и контроля возникающих инфекционных заболеваний у людей, особенно тех, которые вызваны вирусами. Большинство вирусных заболеваний людей имеют зоонозное происхождение, поскольку исторически передавались человеческим популяциям от различных видов животных; примерами являются атипичная пневмония , лихорадка Эбола , свиной грипп , бешенство и птичий грипп . [4]
Точные механизмы, которые способствуют межвидовой передаче, различаются в зависимости от патогена, и даже для распространенных заболеваний часто плохо изучены. Считается, что вирусы с высокой скоростью мутаций способны быстро адаптироваться к новым хозяевам и тем самым преодолевать специфичную для хозяина иммунологическую защиту , что позволяет им продолжать передаваться. Событие смены хозяина происходит, когда штамм, который ранее был зоонозным, начинает циркулировать исключительно среди нового вида хозяина. [5]
Передача патогена, скорее всего, происходит между видами, которые часто находятся в тесном контакте друг с другом. Она также может происходить косвенно между видами с менее частым контактом, если этому способствует промежуточный вид; например, вид -резервуар может передавать вирус виду - переносчику , который, в свою очередь, передает вирус человеку. [6] [7] Степень филогенетического родства между видами-хозяевами также влияет на вероятность передачи патогена между ними, вероятно, из-за сходства иммунологической защиты хозяев; например, большинство человеческих зоонозных передач происходят от других видов млекопитающих. С другой стороны, патогены более отдаленно родственных видов, такие как вирусы растений , могут быть вообще не способны заражать людей. Другие факторы, влияющие на скорость передачи, включают географическую близость и внутривидовое поведение. [3] Из-за изменения климата и потери среды обитания из-за расширения землепользования [8] прогнозируется значительное увеличение риска распространения вируса. [9]
Межвидовая передача является наиболее значимой причиной возникновения заболеваний у людей и других видов. [ требуется ссылка ] Зоонозные заболевания диких животных микробного происхождения также являются наиболее распространенной группой возникающих заболеваний у человека, а межвидовая передача между дикими животными и домашним скотом имеет ощутимые экономические последствия в сельском хозяйстве, снижая производительность скота и налагая экспортные ограничения. [2] Это делает межвидовую передачу серьезной проблемой для общественного здравоохранения , сельского хозяйства и управления дикой природой . [ требуется ссылка ]
Авторы исследования бубонной чумы в Оране подчеркивают, что эта болезнь «в первую очередь является бактериальным зоонозом, поражающим грызунов . Она вызывается Yersinia pestis и передается от животного к животному блохами . Люди обычно заражаются через укус инфицированной блохи грызуна ». Мера санитарного контроля, введенная органом здравоохранения, носила химический характер: « Проводилось внутри- и периместное распыление перметрина . Дельтаметрин распылялся на дорожках и вокруг нор грызунов, расположенных в радиусе 10 км вокруг жилища больных. Неконтролируемый отстрел крыс был запрещен». [10]
Большая часть вирусных патогенов, которые недавно появились у людей, как полагают, произошли от различных видов животных. Это показали несколько недавних эпидемий, таких как птичий грипп , Эбола , обезьянья оспа и вирусы Ханта . [11] Имеются данные, позволяющие предположить, что некоторые заболевания могут быть потенциально повторно введены в человеческую популяцию через животных-хозяев после того, как они были искоренены у людей. [12] Существует риск того, что это явление произойдет с морбилливирусами , поскольку они могут легко пересекать видовые барьеры. [12] CST также может оказывать значительное влияние на плодоовощную промышленность. Генотип VI - Птичий парамиксовирус серотипа 1 (GVI-PMV1) - это вирус, который возник в результате межвидовых событий передачи от Galliformes (т. е. кур ) к Columbiformes и стал распространенным в птицеводческой промышленности . [13]
CST вариантов вируса бешенства между многими различными популяциями видов является серьезной проблемой управления дикой природой . Введение этих вариантов в нерезервуарных животных увеличивает риск заражения человека и ставит под угрозу текущие достижения в области контроля бешенства. [14]
Считается, что многие патогены имеют специализацию хозяина, что объясняет сохранение различных штаммов у видов-хозяев. [5] Патогенам пришлось бы преодолеть свою специфичность хозяина, чтобы перейти на новый вид-хозяин. Некоторые исследования утверждают, что специализация хозяина может быть преувеличена, и патогены с большей вероятностью демонстрируют CST, чем считалось ранее. [5] Первоначальные хозяева обычно имеют низкие показатели смертности при заражении патогеном, а показатели смертности , как правило, намного выше у новых хозяев [15]
Из-за близкой связи нечеловеческих приматов (NHP) и людей , передача заболеваний между NHP и людьми является относительно распространенной и может стать серьезной проблемой общественного здравоохранения. Такие заболевания, как ВИЧ и аденовирусы человека , были связаны с взаимодействием NHP. [16] [17]
В местах, где люди часто контактируют с приматами, часто принимаются меры предосторожности для предотвращения передачи заболеваний. Пенистые вирусы обезьян (SFV) — это энзоотический ретровирус , который имеет высокие показатели межвидовой передачи и, как известно, поражает людей, укушенных инфицированными приматами. [18] Он вызвал проблемы со здоровьем в таких местах, как Индонезия, где посетители храмов обезьян могут заразиться SFV от храмовых макак ( Macaca fascicularis ). [19] TMAdV ( аденовирус обезьян titi ) — это сильно расходящийся, разделяющий <57% парной нуклеотидной идентичности с другими аденовирусами, вирус NHP, который имел высокий уровень смертности (83%) у обезьян и способен распространяться через людей-хозяев. [15]
Прогнозирование и мониторинг важны для изучения CST и их эффектов. Однако факторы, определяющие происхождение и судьбу событий межвидовой передачи, остаются неясными для большинства человеческих патогенов. [4] Это привело к использованию различных статистических моделей для анализа CST. Некоторые из них включают модели анализа риска, [20] модели с односкоростным датированием кончика (SRDT) [17] и модели филогенетической диффузии. [4] Изучение геномов патогенов , участвующих в событиях CST, очень полезно для определения их происхождения и судьбы. [4] Это связано с тем, что генетическое разнообразие патогенов и скорость мутаций являются ключевыми факторами в определении того, может ли он передаваться через нескольких хозяев. Это делает важным, чтобы геномы видов передачи были частично или полностью секвенированы. [15] Изменение в геномной структуре может привести к тому, что патоген, имеющий узкий круг хозяев, станет способен использовать более широкий круг хозяев. [5] Генетическое расстояние между различными видами, географический ареал и другие барьеры взаимодействия также будут влиять на межвидовую передачу. [4]
Один из подходов к анализу оценки риска CST заключается в разработке моделей анализа риска, которые разбивают «процесс» передачи заболевания на части. Процессы и взаимодействия, которые могут привести к межвидовой передаче заболевания, явно описываются как гипотетическая цепочка заражения. Данные лабораторных и полевых экспериментов используются для оценки вероятности каждого компонента, ожидаемой естественной вариации и пределов погрешности. [19]
Различные типы исследований CST потребуют различных путей анализа для удовлетворения своих потребностей. Исследование по идентификации вирусов у летучих мышей, которые могут распространяться на других млекопитающих, использовало следующий рабочий процесс: секвенирование геномных образцов → «очистка» сырых прочтений → устранение прочтений хозяина и эукариотических загрязнителей → сборка de novo оставшихся прочтений → аннотация вирусных контигов → молекулярное обнаружение специфических вирусов → филогенетический анализ → интерпретация данных. [21]
Обнаружение CST и оценка его частоты на основе данных о распространенности является сложной задачей. [2] Из-за этих трудностей для анализа событий CST и связанных с ними патогенов используются вычислительные методы. Взрывное развитие молекулярных методов открыло новые возможности для использования филогенетического анализа генетики патогенов для выведения эпидемиологических параметров. [2] Это дает некоторое представление о происхождении этих событий и о том, как их можно решить. Методы профилактики CST в настоящее время используют как биологические, так и вычислительные данные. Примером этого является использование как клеточных анализов , так и филогенетических сравнений для подтверждения роли TRIM5α, продукта гена TRIM5, в подавлении межвидовой передачи и появлении ретровирусов в природе. [22]
Сравнение геномных данных очень важно для изучения межвидовой передачи. Филогенетический анализ используется для сравнения генетической изменчивости как патогенов, связанных с CST, так и видов хозяев, которые они инфицируют. В совокупности можно сделать вывод о том, что позволило патогену перейти на нового хозяина (т. е. мутация патогена, изменение восприимчивости хозяина) и как это можно предотвратить в будущем. Если механизмы, которые патоген использует для первоначального проникновения в новый вид, хорошо охарактеризованы и поняты, можно достичь определенного уровня контроля и профилактики риска. При контакте плохое понимание патогенов и связанных с ними заболеваний затрудняет принятие профилактических мер [20]
Альтернативные хозяева также могут потенциально играть важную роль в эволюции и распространении патогена. [23] Когда патоген пересекает виды, он часто приобретает новые характеристики, которые позволяют ему преодолевать барьеры хозяина. [20] Различные варианты патогена могут оказывать совершенно разное воздействие на виды хозяев. [23] Таким образом, анализ CST может быть полезен для сравнения одних и тех же патогенов, встречающихся у разных видов хозяев. Филогенетический анализ можно использовать для отслеживания истории патогенов в популяциях разных видов. Даже если патоген новый и сильно различается, филогенетическое сравнение может быть очень проницательным. [15] Полезная стратегия для исследования истории эпидемий, вызванных передачей патогена, объединяет анализ молекулярных часов для оценки временных рамок эпидемии и теорию коалесценции для выведения демографической истории патогена. [17] При построении филогений часто используются компьютерные базы данных и инструменты. Такие программы, как BLAST , используются для аннотирования последовательностей патогенов, в то время как такие базы данных, как GenBank, предоставляют информацию о функциях на основе геномной структуры патогенов. Деревья строятся с использованием вычислительных методов, таких как MPR или байесовский вывод, а модели создаются в зависимости от потребностей исследования. [24] Например, модели Single Rate Dated Tip (SRDT) позволяют оценивать временную шкалу в рамках филогенетического дерева. [17] Модели для прогнозирования CST будут различаться в зависимости от того, какие параметры необходимо учитывать при построении модели. [ необходима цитата ]
Экономия — это принцип, в котором выбирается простейшее научное объяснение, которое соответствует доказательствам. С точки зрения построения филогенетических деревьев, лучшей гипотезой является та, которая требует наименьшего количества эволюционных изменений. Использование экономии для реконструкции предковых состояний признаков на филогенетическом дереве является методом проверки экологических и эволюционных гипотез. [25] Этот метод может использоваться в исследованиях CST для оценки количества изменений признаков, которые существуют между патогенами по отношению к их хозяину. [2] Это делает MPR полезным для отслеживания патогена CST до его происхождения. MPR также может использоваться для сравнения признаков популяций видов-хозяев. Черты и поведение внутри популяции могут сделать их более восприимчивыми к CST. Например, виды, которые мигрируют регионально, важны для распространения вирусов через популяционные сети. [26]
Несмотря на успех экономичных реконструкций, исследования показывают, что они часто чувствительны и иногда могут быть склонны к смещению в сложных моделях. [25] Это может вызвать проблемы для моделей CST, которые должны учитывать много переменных. Альтернативные методы, такие как максимальное правдоподобие, были разработаны в качестве альтернативы экономичной реконструкции. [25]
Два метода измерения генетической изменчивости, тандемные повторы с переменным числом (VNTR) и полиморфизмы отдельных нуклеотидов (SNP), оказались очень полезными для изучения передачи бактерий. [2] VNTR, благодаря низкой стоимости и высокой частоте мутаций, делают их особенно полезными для обнаружения генетических различий в недавних вспышках , и хотя SNP имеют более низкую частоту мутаций на локус, чем VNTR, они обеспечивают более стабильные и надежные генетические связи между изолятами. Оба метода используются для построения филогений для генетического анализа, однако SNP больше подходят для исследований сокращения филогений. [2] Однако этим методам может быть сложно точно моделировать выворачивания CST. Оценки CST, основанные на филогениях , сделанные с использованием маркера VNTR, могут быть смещены в сторону обнаружения событий CST в широком диапазоне параметров. SNP, как правило, менее смещены и изменчивы в оценках CST, когда оценки скоростей CST низкие и используется небольшое количество SNP. В целом, оценки скорости CST с использованием этих методов наиболее надежны в системах с большим количеством мутаций, большим количеством маркеров и высокими генетическими различиями между введенными штаммами. [2] CST очень сложен, и модели должны учитывать множество параметров для точного представления явлений. Модели, которые чрезмерно упрощают реальность, могут привести к смещенным данным. Множество параметров, таких как количество мутаций, накопленных с момента введения, стохастичность , генетическое различие введенных штаммов и усилия по выборке, могут затруднить непредвзятые оценки CST даже с полногеномными последовательностями, особенно если выборка ограничена, скорости мутаций низкие или если патогены были введены недавно. [2]
Процесс использования генетических маркеров для оценки показателей CST должен учитывать несколько важных факторов для уменьшения смещения. Во-первых, филогенетическое дерево, построенное в анализе, должно охватывать лежащий в основе эпидемиологический процесс, генерирующий дерево. [2] Модели должны учитывать, как генетическая изменчивость патогена влияет на заболевание у вида, а не только общие различия в геномной структуре. Во-вторых, сила анализа будет зависеть от количества мутаций, накопленных с момента введения патогена в систему. [2] Это связано с тем, что многие модели используют количество мутаций в качестве индикатора частоты CST. Поэтому усилия сосредоточены на оценке либо времени с момента введения, либо скорости замены маркера (из лабораторных экспериментов или геномного сравнительного анализа). Это важно не только при использовании метода MPR, но и для подходов Likelihood , которые требуют оценки скорости мутаций. [2] В-третьих, CST также повлияет на распространенность заболевания у потенциального хозяина, поэтому объединение как эпидемиологических временных рядов данных, так и генетических данных может быть отличным подходом к исследованию CST [2]
Байесовские рамки являются формой анализа на основе максимального правдоподобия и могут быть очень эффективными в исследованиях межвидовой передачи. Байесовский вывод методов эволюции признаков может учитывать неопределенность филогенетического дерева и более сложные сценарии, с такими моделями, как модель диффузии признаков, которая в настоящее время разрабатывается для изучения CST в РНК-вирусах . [2] Байесовский статистический подход имеет преимущества по сравнению с другими анализами для отслеживания происхождения CST. Вычислительные методы позволяют интегрировать неизвестную филогению, которую нельзя наблюдать напрямую, и неизвестный процесс миграции, который обычно плохо изучен. [27]
Байесовские фреймворки также хорошо подходят для объединения различных видов информации. Программное обеспечение BEAST, которое уделяет большое внимание калиброванным филогениям и генеалогиям, иллюстрирует это, предлагая большое количество дополнительных эволюционных моделей, включая модели замещения, демографические и расслабленные модели часов, которые можно объединить в полную вероятностную модель. Добавляя пространственную реконструкцию, эти модели создают вероятность реконструкции биогеографической истории из генетических данных. [27] Это может быть полезно для определения происхождения межвидовых передач. Высокая эффективность байесовских статистических методов сделала их инструментальными в эволюционных исследованиях. [28] Байесовская реконструкция предкового хозяина в рамках дискретных диффузионных моделей может использоваться для вывода происхождения и эффектов патогенов, связанных с CST. Одно исследование человеческих аденовирусов с использованием байесовского подхода подтвердило происхождение вирусного вида от гориллы и шимпанзе , что помогло в профилактических усилиях. [16] Несмотря на предположительно редкий прямой контакт между симпатрическими популяциями двух видов, события CST могут происходить между ними. Исследование также определило, что произошло два независимых случая передачи HAdV-B человеку и что HAdV-B, циркулирующие среди людей, имеют зоонозное происхождение и, вероятно, влияли на глобальное здоровье на протяжении большей части жизни нашего вида. [16]
Филогенетические модели диффузии часто используются для филогеографического анализа, при этом вывод о переходе хозяина становится все более интересным. [4] Байесовский подход вывода позволяет усреднять модель по нескольким потенциальным предикторам диффузии и оценивать поддержку и вклад каждого предиктора, при этом маргинализируя филогенетическую историю. [4] Для изучения вирусного CST гибкость байесовского статистического подхода позволяет реконструировать передачу вируса между различными видами хозяев, одновременно проверяя и количественно оценивая вклад множественных экологических и эволюционных влияний как распространения CST, так и смены хозяина. [4] Одно исследование бешенства у летучих мышей показало, что географическое перекрытие ареалов является скромным предиктором для CST, но не для смены хозяина. [4] Это подчеркивает, как байесовский вывод в моделях может использоваться для анализа CST. [ необходима ссылка ]