文档介绍：项目名称:
利用遗传地理时空模型预测H5N1禽流感病毒的传播及控制策略研究
首席科学家:
徐冰清华大学
起止年限:
2010年1月-2014年8月
依托部门:
教育部
一、研究内容
研究禽流感的暴发、传播要素演变规律、传播机制、病毒进化特性、病毒变异与致病性和控制策略,对于国家针对禽流感的防控和应急机制的建立,以及有关政策的制定和评估都有重大意义。针对国家、区域可持续发展和传染病防控体系建设所需的基础科学支撑,结合国内外研究现状与存在问题,本项目拟解决以下关键科学问题:

通过研究阐明自然环境、候鸟栖息地及迁徙路线与禽流感传播之间的规律,确定社会网络、家禽交易运输网络对禽流感地区性流行的影响,在此基础上对候鸟的非连续式传播和家禽的连续式传播在整个禽流感传播中的地位与作用做出科学评价。

利用多传感器、多时相、多分辨率的遥感数据对候鸟栖息地和迁徙路线在不同的空间尺度和连续的时间序列上进行监测和制图;同时确定候鸟主要越冬地和繁殖地对应关系,清晰其迁徙路线。通过禽流感病毒传播的遗传学微观分析和地理学宏观研究相结合,探索解决禽流感病毒源头和地理传播路径的科学问题。

病毒基因突变与其致病力之间的关系是禽流感病毒研究中的热点问题之一。科学家们普遍关注位点的突变是否与宿主来源和地理位置相关,也关注病毒致病力是否与病毒所在的宿主与所在的地区有关联性。回答这些问题,还需要新的分析方法的支撑,包括通过生物信息学分析与蛋白质结构分析与预测找到基因突变与病毒致病力的可能关系;通过反向遗传学实验方法来验证禽流感病毒蛋白质突变与病毒致病力的关系。

通过建立禽流感网络传播模型,探索定量化研究禽流感病毒传播机制的途径,同时为制定优化的防控策略奠定理论基础。禽流感网络传播模型将基于群体流行病学数学模型、网络分析、生物遗传信息、遥感和地理信息系统技术,通过联结候鸟传播路径、家禽流通网及人类居民区,模拟禽流感病毒在全球、中国及鄱阳湖/青海湖地区三个层面的传播,并集成耦合基于智能体的个体模型。该耦合模型旨在预测禽流感病毒的传播趋势,揭示禽流感病毒时空传播机制,为有效防控禽流感传播提供决策支持。
围绕关键科学问题并结合专家组建议,本项目研究的内容包括以下几个方面:

一部分通过研究自然环境、候鸟栖息地及迁徙路线与禽流感暴发与传播之间的关系和禽流感传播要素的演变规律,评价候鸟的非连续式传播方式在禽流感传播中的地位与作用。另一部分通过研究居民点、家禽运输网络和家禽感染路径的关系,评价家禽连续式传播方式在禽流感传播中的地位与作用;并且通过研究农户连接度、野鸟接触程度和免疫程度来评价后院养殖在禽流感家禽连续式传播中的地位和作用。

利用本项目组前期所测病毒基因组序列和GenBank等网站上已公布序列,进行禽流感病毒基因组的进化分析,利用病毒基因组和各个基因片段进化分析结果,比较研究病毒基因的重排情况;同时通过对病毒基因组的多序列比对,找出病毒各个基因片段的核酸及蛋白的变异位点,结合病毒采样的时间、地点、宿主以及进化分支等信息,利用生物信息学手段分析和总结禽流感病毒遗传变异规律,并进一步预测禽流感病毒的可能传播途径以及流行趋势。另一方面在前期对大量禽流感病毒基因组测序和流感病毒数据库构建完成的基础上,收集和整理不同时期、不同宿主、不同采样地区的病毒序列。对病毒的各个基因片段以及全基因组进行进化分析,同时对病毒各个基因序列的单碱基突变、片段插入和缺失以及重排等变异进行总结和分析,特别是对不同单碱基突变间的关联性和特征进行分析。综合进化和变异的分析结果,并结合病毒抗原性等特征,建立一套全新的禽流感病毒基因分型的方法,以分析禽流感病毒基因组进化与遗传变异规律。

利用目前国际公开的海量数据和本项目中产生的禽流感病毒基因组数据,进行数据比对,位点频率测定和非同义突变与同义突变比值的计算,寻找潜在的重要突变位点。然后根据对病毒基因组变异分析的结果,利用蛋白质结构模拟得到的结果确定需要突变的位点,通过反向遗传学实验方法来验证病毒蛋白质突变与病毒致病力的关系。并整合建立包含有病毒蛋白质的‚“突变位点-地理时空分布”、“突变位点-宿主类型”、“突变位点-病毒型别”、“突变位点-病毒性质”等维度数据信息的数据库,之后利用收集整理的信息进行数据整合和数据挖掘。本项目将重点关注位点的突变是否与宿主来源、地理位置相关;同时探讨病毒致病力是否与病毒所在的宿