ウイルスの広がりを理解して、より良い予防をしよう
ウイルスの感染経路を分析して、アウトブレイクへの対応を強化する。
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目次
新しいウイルスに迅速に対応することはめっちゃ重要だよ。これをするには、大事な情報を素早く集める必要がある。最近、どの動物や植物がウイルスに感染するか、それがどうやって別の種に飛び移るのかを知りたいって関心が高まってる。でも、ウイルスが感染した宿主から健康な宿主に広がる仕組みを理解するのは難しいんだ。このプロセスは、ちゃんと研究するのに数ヶ月や数年かかることもある。特にCOVID-19パンデミックの初期、ウイルスが空気中をもっと広がるのか、表面を触ることで広がるのかがはっきりしてなかったのがその例だよ。
さらに、ZikaやEbolaみたいに性的接触からウイルスが広がる場合、その方法は大きなアウトブレイクが発生した後じゃないと理解されないことが多い。だから、ウイルスがどのように宿主から宿主へ効率的かつ正確に広がるのかを見つけることは、将来出てくるかもしれないウイルスにとってめっちゃ重要なんだ。
ウイルスの広がりとその重要性
ウイルスが広がる方法は、その環境や感染する動植物に密接に関係してる。これがウイルスがどのように宿主のグループ内や間で動くかに影響を与える。それがまた、アウトブレイクの重症度や発生場所に影響する。インフルエンザの株やコロナウイルスみたいなウイルスは、空気を通じてすぐに広がることができるんだ。こういう早い広がりが世界中でのアウトブレイクを引き起こす。一方、UsutuやZikaみたいな昆虫によって広がるウイルスは、広がるのに時間がかかることもある。でも、時間が経つと広範囲に感染を広げることもできるよ。
植物の場合、多くのウイルスは昆虫によって運ばれる。これらの昆虫がウイルスをどのように運んで広げるかが、新しい植物に感染する速さに影響することもある。たとえば、ある昆虫はウイルスをめっちゃ早く広げるけど、他の昆虫はもっと時間がかかることもある。さらに、ウイルスが種の中で長い間生き続けることもあって、条件が整うと広がりやすくなるんだ。
データセットの作成
ウイルスの広がりをより理解するために、宿主からターゲットにウイルスがどのように移動するかの既知の方法に関する情報を集めた。この情報は、さまざまな研究で発表された既存のリサーチから得たんだ。それから、ウイルスと宿主ごとの伝播経路を定義するための明確な方法を構築したよ。時には、ウイルスが異なるタイプの宿主に広がるために異なる方法を使うこともある。たとえば、インフルエンザAはアヒルの糞を通じて広がるけど、人間に広がる時は呼吸によってなんだ。
私たちのアプローチでは、異なる宿主間の類似点を統合して、これらの違いが伝播経路にどう影響するかを見てみた。この取り入れ方が、各状況に関連する特定の伝播経路を特定するのに役立つんだ。
ウイルスの構造と伝播
ウイルスの構造も、その広がり方に影響を与えることがある。たとえば、ウイルスの特性のいくつかが、どのように宿主から宿主に移動するかの手がかりを与えてくれる。さまざまなウイルスからの完全な遺伝情報を使って、この広がりをよりよく理解するための特性のグループを作ったよ。
集めた特性を使って、既知の経路に基づいてウイルスがどの宿主に広がるかを予測するモデルを作った。こうして、さまざまなウイルスが新しい宿主にどう運ばれるのかに関する知識のギャップを埋めることを目指したんだ。
ウイルス伝播に関する情報の収集
私たちのデータセットでは、4,400以上のウイルスと5,300以上の異なる動植物種への伝播経路に関するデータを集めた。これで、約25,000のウイルス-宿主の接続ができた。この情報に基づいて、ウイルス伝播を観察した場所や、それらのルートがどう関連しているかを特定したよ。
異なる伝播経路を示す階層を設定した。ここでの接続は、ウイルスが一つの宿主から別の宿主へどのように移動するかに基づいて作られた。一部のルートはデータが不足していたため、私たちの研究には含まれなかったけど、見つけたことを整理してマッピングしたんだ。
伝播経路の理解
ウイルスが広がるさまざまな方法は、集めた情報に基づいて理解のレベルが違う。いくつかのルートが他のルートよりも一般的であることがわかった。たとえば、あるウイルスは直接接触を通じて広がりやすいけど、他のウイルスは空気や昆虫ベクターを通じて広がることもある。
この研究を通して、特定の宿主の種類に対してより一般的な伝播経路があることが明らかになった。また、ウイルスがどう広がるかによって影響が異なる可能性があることを探求した。それは潜在的なアウトブレイクを予測するのに役立つよ。
伝播における重要な特徴の認識
情報をレビューすることで、ウイルスがどう広がるかを予測するいくつかの重要な特徴を特定することができた。ウイルスの構成や構造、進化の歴史が、伝播の方法を決定する重要な役割を果たしていることがわかったよ。
結果によると、これらの多くの特徴は、さまざまな伝播ルートを予測するためにカテゴリーにグループ化できることが示された。たとえば、特定の構造を持つウイルスは昆虫を通じた急速な広がりと相関するかもしれないけど、他のウイルスは環境においてより安定なので、異なる伝播ダイナミクスを持つことがあるんだ。
新しいケースでの伝播予測
私たちのモデルを使って、既存の伝播経路がないケースでウイルスがどのように広がるかを予測できた。詳しいデータが不足している多くのウイルスの伝播ルートを成功裏に推定できたよ。
予測を通じて、これらのルートを直接または間接の伝播のようなカテゴリーに分類できた。我々のモデルはこれらの予測で高い精度を示したので、新しい宿主環境でのウイルスの動きについて信頼できる洞察を与えてくれるんだ。
多面的分析の重要性
私たちの研究では、ウイルス、宿主、それらの関係を多面的に分析した。このアプローチにより、さまざまな宿主種の間でウイルスがどのように伝播するかについて、より確かな予測を行うことができたよ。
複数の角度を考慮することで、分析はウイルスと宿主の両方の側面からのさまざまな特徴を統合し、ウイルス伝播の相互に関連した性質を浮き彫りにした。このアプローチは、ウイルスの特性や宿主の情報を個別に考えるよりも、より包括的な理解を提供するんだ。
将来の研究への影響
この研究は、ウイルスの伝播の状況に関する重要な洞察を提供し、将来の研究に指針を与えることができる。ウイルス伝播経路の相互関連性を示すことで、ウイルス生態系の広範な視点を持つことの重要性を浮き彫りにし、潜在的なアウトブレイクを予測したり管理したりする助けになる。
この研究で確立された枠組みは、新たに出現するウイルスに関する理解のギャップを埋めるのに役立ち、ウイルス脅威が生じたときにより効果的な対応を可能にするよ。これにより、予防戦略が改善され、ウイルスのアウトブレイクに対する迅速な対応が実現できるんだ。
結論
要するに、ウイルスの伝播経路に関する大規模なデータを集めて分析するアプローチは、ウイルスがさまざまな宿主の間でどのように広がるかを理解するのに役立つ。予測モデルを利用することで、動植物集団にも脅威を与える可能性のある新たなウイルスの伝播経路に関する洞察を得られるんだ。
この研究は、ウイルスのアウトブレイクを予測、理解、そして潜在的に緩和する機会を示している。ウイルスと宿主種の相互作用に関する継続的な調査の必要性を強調して、公共の健康や農業問題を管理するための効果的な戦略を開発していく必要があるよ。
タイトル: Features that matter: evolutionary signatures that predict viral transmission routes
概要: Routes of virus transmission between hosts are key to understanding viral epidemiology. Different routes have large effects on viral ecology, and likelihood and rate of transmission. For example, respiratory and vector-borne viruses together encompass the majority of high-consequence animal and plant outbreaks. However, the specific transmission route(s) can take months to years to determine, undermining the efficiency of mitigation efforts. Here, we identify the vial features and evolutionary signatures which are predictive of viral transmission routes, and use them to predict potential routes for fully-sequenced viruses - we perform this for both viruses with no observed routes, as well as viruses with missing routes. This was achieved by compiling a dataset of 24,953 virus-host associations with 81 defined transmission routes, constructing a hierarchy of virus transmission encompassing those routes and 42 higher-order modes, and engineering 446 predictive features from three complementary perspectives. We integrated those data and features, to train 98 independent ensembles of LightGBM classifiers, each incorporating five different class-balancing approaches. Using our trained ensembles, we demonstrated that all features contributed to the prediction for at least one of routes and/or modes of transmission, demonstrating the utility of our multi-perspective approach. Our approach achieved ROC-AUC=0.991, and F1-score=0.855 across all modelled transmission mechanisms; and was able to achieve high levels of predictive performance for high-consequence respiratory (ROC-AUC=0.990, and F1-score=0.864) and vector-borne transmission (ROC-AUC=0.997, and F1-score=0.921). Our framework ranks the viral features in order of their contribution to prediction, per transmission route, and hence identifies the genomic evolutionary signatures associated with each route. Together with the more matured field of viral host-range prediction, our predictive framework could: provide early insights into the potential for, and pattern of viral spread; facilitate rapid response with appropriate measures; and significantly triage the time-consuming investigations to confirm the likely routes of transmission. Moreover, the performance of our approach in high-consequence transmission routes showcases that our methodology has direct utility to pandemic preparedness. AUTHORS SUMMARYRoutes of virus transmission - the mechanism(s) by which a virus physically gets from an infected to an uninfected host, are crucial to understanding how viral diseases spread among animals and plants. Here, we uncover the evolutionary signatures which can predict the transmission routes a virus uses to move from one host to another, enabling us to identify any unobserved routes for known viruses and even predict potential routes of newly emerged viruses. We first compile a comprehensive dataset of virus-host associations. Leveraging this dataset, we employ a multi-perspective machine learning approach to achieve high predictive performance. Our framework ranks viral features by their significance in prediction, revealing genomic evolutionary signatures linked to each route. Our approach could provide early insights into viral spread patterns, facilitating prompt response efforts to new outbreaks and epidemics, and streamline laboratory investigations. Overall, our study represents a step forward in our ability to anticipate and mitigate the impact of emerging infectious diseases on human, animal, and plant health.
著者: Maya Wardeh, J. Pilgrim, M. Hui, A. Kotsiri, M. Baylis, M. S. Blagrove
最終更新: 2024-04-17 00:00:00
言語: English
ソースURL: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.11.22.568327
ソースPDF: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.11.22.568327.full.pdf
ライセンス: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
変更点: この要約はAIの助けを借りて作成されており、不正確な場合があります。正確な情報については、ここにリンクされている元のソース文書を参照してください。
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