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1、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,HIV分子流行病学常用的方法,3,分子生物学
2、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),进化分析的基本概念,5,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
3、genome per round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) 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 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
4、最远的一组序列 (outgroup rooting),Root 根,Node 节点,Branch 分支,Baldauf. 2003. TRENDS in Genetics, 19(6): 345-351,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,HIV的变异及分类,11,HIV 的分类：型、组、亚型和重组亚型,12,型别,亚型,组别,亚亚型,重组亚型,H
5、IV,2,4,9,61, ,Gao et al., Nature, 1999 Santiago et al., Science, 2002 Corbet, J Virol, 2000 Foley & Korber HIV Database,灵长类慢病毒的遗传多样性,HIV-1组别,14,(2009, Nature Medicine),HIV-1亚型, 亚亚型, 重组体,15,15,系统进化树分类的标准：亚型 vs 重组,16,16,系统进化树分类的标准: CRF,17,17,系统进化树分类的标准: URF,18,In East Africa, illustrated by this data
6、from Kenya, URF form a substantial proportion of strains,18,HIV亚型及变异,19,HIV的起源及传入人群,20,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 geographic
7、al distribution感染途径的可能性Plausible pathways of transmission,21,22,灵长类慢病毒的进化史,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,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, 2006,4/16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
8、M组和N组病毒的来源 SIVcpz是HIV-1的祖先,25,Science, 313:523, 2006,HIV-1 M 和 N 组起源于喀麦隆黑猩猩,HIV-1 O组可能起源于喀麦隆大猩猩,26,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）；,提取粪便RNA：所有抗体阳性大猩猩标本RT-PCR：pol（890bp），env（39
9、0bp），env/nef（740bp）系统树分析大猩猩病毒序列与HIV-1 O组非常拟合,Nature 444: 164, 2006,跨物种传播是如何发生的？,27,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,28,HIV-1 M组病毒进入人类的时间,Science 288: 1789-96, 2000 Nature 455: 661-4, 2008,提示HIV-1 M组病毒的共同祖先株存在于1930s,HIV-1: 来源于黑猩猩和大猩猩的免疫缺陷病毒,29,SIVcpz,Pan troglodytes,HIV-1,中部非洲人群,黑猩猩,至少发生四次独
10、立的传播事件形成 了HIV-1 M, N, O，P组.,Gorilla gorilla,大猩猩,HIV-2: 来源于乌白眉猴的免疫缺陷病毒(SIVsm),30,乌白眉猴,关养的 猕猴,西部非洲人群,艾滋病流行的起源和传播,31,HIV亚型的地域分布,32,32,HIV传播和流行,33,HIV-1 M组病毒是造成全球大流行的主要毒株，至今感染了约6000万人 HIV-1 O组病毒感染了约10,000人 N和P组病毒感染人数远少于M组和O组 HIV-2主要分布于西部非洲，,全球HIV-1亚型分布,34,(AIDS 2011,25:679-689),我国HIV亚型分布（1996-2002年）,35,
11、我国HIV-1 基因型的组成,在调查中检测到包括A，B，B，C，G，01_AE，02_AG，06_cpx，07_BC和08_BC在内的10种亚型和流行重组毒株； 07_BC、01_AE、08_BC 和B毒株等4 种基因型是我国主要流行的HIV-1 毒株，占2006 年报告感染者人数的92.8%； 存在6种gag和env基因片段不一致的毒株，其中部分毒株在不同省份检测到，可能已开始流行。,36,CRF07_BC,CRF08_BC,CRF01_AE,B,我国不同人群中HIV亚型分布,静脉吸毒和异性传播为2006年HIV感染者中最主要的传播途径，分别占报告HIV 感染者总数的50.4%和34.7%；
12、 其他传播途径包括血源相关传播（占3.8%，包括既往献血和输血）、男男同性恋（占2.1%）、母婴传播（占0.9%）、其他（占0.4%）和不详（占7.8%）。 IDU人群中以07、08和01为主，分别占48.5%、23.6%和21.2%； 异性传播中种类最多，包括检测到的12种基因型，01、07、08和B最多，分别占39.8%、21.9%、17.6%和11.6%； 男男同性恋中以01_AE（55.8%）为主，超过以前调查中的欧美B（21.5%）； 血源相关的感染者中以B为主，占92.5%。,37,我国HIV-1基因型的分布,38,我国主要HIV基因型的地理分布,39,小结,我国存在至少12种HI
13、V-1基因型，其中四种为主要流行毒株 病毒多样性在我国不同人群和地区中形成了不同的流行特征 不同地区病毒多样性的差异导致病毒传播驱动模式的区别 HIV基因型组成和感染者人群转变说明了我国HIV传播模式的变化 未来我国HIV流行将呈现出更加复杂的状况 与早期结果比较，本次调查检测到的HIV-1基因型种类、数量和分布地域均有所增加,40,我国主要的HIV基因型是如何起源、传播和流行的？,问题：,41,B的起源和传播,42,AIDS 2012, 26:877884,B毒株的流行,云南IDU流行的B毒株与既往献血员中流行的B毒株存在差别，形成2个不同的进化簇；既往献血员人群中流行的B毒株来源于云南，而
14、云南B亚型来源于缅甸； 目前在我国多数省份献血员人群中流行的B毒株已通过异性传播扩散到其他人群； 云南地区B毒株的流行起始时间为1985年左右，我国中部地区献血员人群中HIV-1的流行起始时间为1989年。,43,AIDS 2012, 26:877884,B毒株在中国的传播,BTH 1983 (1980-1985),BYN 1985 (1982-1987),BCN* 1989 (1987-1991),尚存的几个疑问： B是如何从泰国到达中国境内的？缅甸是否是其传播的一个环节？ BYN毒株是否仅在云南德宏州出现，未在其他地方流行？即BYN和BCN*的边界问题。 云南省内BCN*的起源及其与中部省
15、份B的相互关系？ 各省之间传播的时序关系？各省不同人群间传播的时序关系？性传播在其中起到什么作用？,44,CRF01_AE的起源和传播,45,CRF01_AE的流行,我国至少存在7个独立的进化簇 所有的CRF01_AE进化簇均于20世纪90年代中期从东南亚传入我国多个地区。,46,不同流行簇的地理分布,47,簇1、2和3主要在华南和西南省份的异性传播和静脉吸毒人群中流行 簇4和5主要在北方的主要城市中的男男同性恋人群中流行 簇6和7则分别在福建和云南的异性传播人群中流行,CRF01的传入与出境旅游可能有一定关联,48,CRF01_AE在中国的传播,CRF01_AE 1985,CRF01_AE
16、1995s,一些想法： 早期样本较少，造成CRF01_AE各流行簇如何形成的过程不清楚；目前的时间更多体现了各簇形成的时间，不排除传入时间更早的情况 就目前的结果看，80年代中期即有少量CRF01_AE进入我国，只是到了90年代中期才随着性传播的快速流行形成各流行簇？ 是否可使用更短的序列研究起源？,49,Africa,CRF07_BC/CRF08_BC在中国的传播,50,J Virol 2008,82:9206-9215,CRF07_BC在亚洲的传播,51,J Virol 2008,82:9206-9215,CRF08_BC在亚洲的传播,52,J Virol 2008,82:9206-921
17、5,小结,我国HIV的基因类型和流行模式的多样性越来越复杂 B、CRF01_AE、CRF07_BC和CRF08_BC毒株均存在多个进化簇的流行，其原因除了多个HIV病毒株从境外传入我国，例如多个CRF01_AE毒株几乎同时从东南亚传入我国，也包括某个HIV病毒在局部的特定人群中流行与快速传播，例如CRF08_BC在广西不同地区形成进化簇，而CRF07_BC和多个CRF01_AE毒株均在男男同性恋人群中形成单独的进化簇 随着我国HIV感染者中通过性传播比例的持续增加，可以预期我国HIV流行毒株的种类和数量将进一步增加，病毒的流行特征也将更加趋于复杂。 复杂的HIV流行状况将对我国的检测试剂研发、抗病毒治疗和与核酸检测相关的新技术研究和应用都带来巨大的挑战。,
