Nature：谁是进化的胜者

　　

生物通报道：哥伦比亚大学和科隆大学的研究人员创建了一个可以成功预测流感病毒演化的新模型。这一模型不仅能帮助人们进一步了解流感，还提供了筛选流感疫苗的新途径。这项研究于二月二十六日发表在Nature杂志上。

流感是人类中的一种主要流行性疾病。甲型流感病毒的季节性菌株每年都会导致几十万人死亡。WHO及其合作中心对季节性流感病毒H3N2的演化进行了长达六十年的严密监控。在这些数据的基础上，人们每年两次选出流感病毒菌株进行疫苗生产。由于流感病毒是一种快速演化的病原体，选择最理想的疫苗是一个重要的全球性健康问题。

近些年来，人们逐渐发现流感病毒的演化是一个复杂的过程。不同流感菌株彼此竞争，比拼着感染人类的能力。这启发了哥伦比亚大学的Marta Łuksza和科隆大学的Michael Lässig，他们希望能够预测这场竞赛得胜利者。“这是进化生物学的一大挑战，因为自然界很少有系统能够让人们定量预测其演化情况，” Łuksza说。“传统的进化思路是在重复过去发生的事，而我们需要预知未来。”最重要的是，科学家们要能够在系统中区分随机部分和可以被准确预测的部分。

Łuksza和Lässig采用了达尔文的“适者生存”原则。那么如何确定流感病毒的适应能力呢？首先，他们考虑到了病毒的变异，病毒为了逃避人类免疫应答需要保持高效的突变。这些适应性突变主要发生在抗原表位，即病毒表面蛋白血凝素的抗体结合区域。此外，他们也考虑到了保守性，也就是说这些突变不能影响病毒的基本功能，例如病毒蛋白的正确折叠等等。他们建立的这种模型能通过病毒的基因组数据，预测可能在竞争中取胜的病毒菌株。

研究人员指出，将上述适应性模型应用于某一年的流感病毒数据，就可以根据每种菌株的适应性和出现频率，预测其后代在下一年的出现频率。

虽然这项研究针对的是流感，不过它也向人们展示了进化与传染性疾病流行之间的关联。从更广泛的层面上说，这项研究触及了一个生物学领域的基础问题，即生物进化是否可以被预测。“很明显，这一问题并没有一个广泛适用的答案，”Łuksza说。“但我们的分析显示，在某些情况下可以进行一定程度上的成功预测。”下一步，研究人员将利用全球的流感数据进行更深入广泛的研究，以确定他们的预测法是否能够改善疫苗的开发。

 

生物通编辑：叶予

生物通推荐原文摘要：

A predictive fitness model for influenza

The seasonal human influenza A/H3N2 virus undergoes rapid evolution, which produces significant year-to-year sequence turnover in the population of circulating strains. Adaptive mutations respond to human immune challenge and occur primarily in antigenic epitopes, the antibody-binding domains of the viral surface protein haemagglutinin. Here we develop a fitness model for haemagglutinin that predicts the evolution of the viral population from one year to the next. Two factors are shown to determine the fitness of a strain: adaptive epitope changes and deleterious mutations outside the epitopes. We infer both fitness components for the strains circulating in a given year, using population-genetic data of all previous strains. From fitness and frequency of each strain, we predict the frequency of its descendent strains in the following year. This fitness model maps the adaptive history of influenza A and suggests a principled method for vaccine selection. Our results call for a more comprehensive epidemiology of influenza and other fast-evolving pathogens that integrates antigenic phenotypes with other viral functions coupled by genetic linkage.