PAED7902 Lecture 7 · 感染病的基因组学策略

一、本讲信息

课程：PAED7902 Introduction to Genomic Medicine and Precision Health

日期：2026-10-24

讲者：Wanling Yang, PhD（Professor, Department of Paediatrics and Adolescent Medicine, Faculty of Medicine, University of Hong Kong）

主课件：Lecture8_Infectious__Disease-concise_version_Oct2026.pptx（41 页，2026 年 10 月精简版；课件封面题为 "Precision Medicine Lecture 8—Infectious Diseases"，为课程内部编号，本 session 文件夹名为 Lecture 7）。Materials 中另有一份同讲的完整版 Lecture8_Infectious__Disease.pptx（58 页），内容为本笔记参照。

二、学习目标

理解感染病精准医学的四个核心临床问题，以及病原基因组学（pathogen genomics）与宿主基因组学（host genomics）各自能回答哪一类问题。

掌握宏基因组下一代测序（mNGS）的原理、工作流程、假阴性与假阳性的来源，以及"检出不等于致病"的解读原则。

理解全基因组测序预测 antimicrobial resistance（AMR，抗菌素耐药）的逻辑，熟悉 HIV 与结核病的经典耐药突变。

理解基因组测序与系统发育分析在 SARS-CoV-2 的发现、诊断、疫苗设计与变异株（如 Omicron）监测中的作用。

理解宿主遗传缺陷（I 型干扰素通路变异与自身抗体）如何解释新冠重症的个体差异。

三、核心内容

3.1 框架：四个临床问题与基因组学答案

课件用一张表统领全讲：

临床问题	基因组学答案
这是什么病原？（What is it?）	宏基因组测序（mNGS）
药物会有效吗？（Will drugs work?）	AMR 基因组学
它从哪里来？（Where did it come from?）	系统发育学（phylogenetics）
为什么这位患者病重？（Why did this patient get sick?）	宿主基因组学（host genomics）

Primer 材料进一步强调：感染病的结局同时取决于病原（"敌方"：物种、突变、耐药、传播）与宿主（"守方"：免疫系统、遗传易感性），只研究其中一方无法完整解释一次感染。传统诊断依赖培养（culture）、镜检、血清学（serology）与靶向 PCR，这些方法都要求临床医生事先"猜"病原；基因组学把问题从"病原 X 是否存在"改写为"样本里存在什么"。

3.2 mNGS 与脑膜炎案例：无偏倚的病原检测

mNGS（metagenomic next-generation sequencing，宏基因组下一代测序）：对临床样本（脑脊液 CSF、肺泡灌洗液 BALF、血液等）中的全部核酸直接测序，再经生物信息流程剔除人类序列、将剩余 reads 与参考数据库比对，从而同时检测细菌、病毒、真菌与寄生虫。因其无需预先指定可疑病原，被称为** 无假设（hypothesis-free）检测**——这与需要预先设计引物的 PCR（假设驱动）形成对比。

** 案例（Wilson et al., NEJM 2014）**：一名 14 岁重症联合免疫缺陷（SCID, severe combined immunodeficiency）男孩发热、头痛，钩端螺旋体病（leptospirosis）临床检测与血清学均为阴性。对脑脊液做无偏 NGS：3,063,784 条 reads 中仅 475 条（0.016%）对应钩端螺旋体（Leptospira）基因组。据此使用针对性抗菌药物后患者康复，后续 PCR 与血清学检测确认感染为 Leptospira santarosai。课堂录音补充：脑脊液经离心取沉淀提取 DNA；300 万条 reads 绝大多数来自宿主细胞，因此必须做深度测序（deep sequencing）；SCID 患者抗体生成不足可解释血清学假阴性；该患者经历约一年的"诊断长征"（diagnostic odyssey），而测序加计算分析仅需约两天，其中生物信息分析仅 97 分钟。

** 单个病例能否改变临床实践？** 不能。为此 Wilson 等开展了前瞻性多中心研究（NEJM 2019）：8 家医院、204 例疑诊脑膜炎/脑膜炎脑炎患者，CSF mNGS 与常规检测并行、阳性结果独立验证。结果：共确定 58 例中枢神经系统感染，其中 13 例为常规检测漏诊、由 mNGS 检出，并在多名患者中直接改变了治疗决策，还检出了临床未曾考虑的病原。结论：mNGS 能识别常规检测遗漏的病原、是假设无关的、结果可直接影响患者管理；但** 检出（detection）不等于致病（causation）**，结果必须结合临床表现解读——mNGS 扩大鉴别诊断范围，但不取代临床判断。

** 为什么 mNGS 会漏诊（假阴性）**：① 病原不在送检样本中（如感染在脑组织而只送 CSF）；② 病原已从样本消失（错过检测窗口）；③ 病原核酸量过少、低于检测限；④ 人源 DNA/RNA 过多掩盖病原信号；④ 取样前已用抗生素/抗病毒药，病原载量下降；⑤ 报告标准过严，真实病原被当作背景噪音过滤。

** 为什么 mNGS 会报错病原（假阳性）**：① 实验室污染（如试剂中的 Pseudomonas DNA）；② 皮肤/体内正常菌群污染（如采样时带入 Staphylococcus epidermidis）；③ 无害的病毒再激活（如重症时的 EBV）；④ 意义不明的微生物（如 TTV 病毒）；⑤ 极弱信号（数百万 reads 中仅 3 条 Leptospira）可能是噪音。核心信息：mNGS 检测的是核酸，不是疾病的病因。

3.3 全基因组测序预测耐药（WGS-ASP）

EUCAST 2025 年更新已纳入 WGS-ASP（whole-genome sequencing-based antimicrobial susceptibility prediction，基于全基因组测序的抗菌药物敏感性预测）：不依赖体外培养药敏试验，而是测序病原基因组、比对待药突变数据库，直接从基因型推断耐药表型。两个代表例子：

HIV：逆转录酶突变 M184V、K103N；整合酶突变 Q148H/K/R；蛋白酶突变 V82A、I84V。病毒复制缺乏校对/修复机制，突变率高、演化快，耐药可出现在多类药物并导致治疗失败，因此临床常规做基因分型指导用药（"鸡尾酒疗法"即同时 targeting 逆转录酶、整合酶、蛋白酶等多个靶点）。

** 结核分枝杆菌（TB）**：利福平耐药—rpoB；异烟肼耐药—katG、inhA；氟喹诺酮耐药—gyrA、gyrB。耐药在长程治疗中逐渐累积，耐多药结核（MDR-TB）与广泛耐药结核（XDR-TB）是全球性挑战，全基因组测序日益用于指导治疗方案选择。

3.4 SARS-CoV-2 的发现：宏转录组测序

2019 年 12 月武汉出现不明原因肺炎。对一名 41 岁男性患者的肺泡灌洗液（BALF）样本行** 宏转录组测序（metatranscriptomic RNA sequencing）**：提取总 RNA（SARS-CoV-2 为 RNA 病毒，需先逆转录为 cDNA；流程含 rRNA 消减与随机引物 cDNA 合成），Illumina 平台约 5,600 万条 reads，无偏检测：去除宿主 reads 后识别微生物 RNA 与表达基因。Wu et al.（Nature 2020）据此发现新型冠状病毒（当时称 WHCV，武汉冠状病毒；后定名 SARS-CoV-2），最大似然系统发育树显示其属于 Sarbecovirus 亚属、与 SARS-CoV 相近，刺突蛋白受体结合域（RBD）特征提示使用 ACE2 受体，解释了其对人的感染性。

课堂录音对照了时间线：武汉市卫健委 1 月 3 日公告"无明确人传人证据"、1 月 15 日"不能排除有限人传人"、1 月 23 日武汉封城；而该论文 1 月 7 日投稿、1 月 28 日接收、2 月 3 日发表（Nature 常规周期常超一年）。知晓序列的价值：快速开发核酸检测（nucleic acid test）、基于基因组的疫苗设计（人类首个 mRNA 疫苗）、实时疫情响应——从基因组公布（1 月底）到疫苗问世仅约 10 个月（课堂对比：历史上伤寒等病原鉴定到疫苗历时数十年至上百年）。

3.5 变异株演化与 Omicron：从测序到预测

基于 13,295 个 SARS-CoV-2 基因组的进化分析显示变异株随时间的替代：2021 年上半年以 Alpha 为主，Delta 取代 Alpha，2021 年 11 月检出的 Omicron 又在数周至数月内取代 Delta。Omicron 特征：2021 年 11 月于南非与博茨瓦纳检出；刺突蛋白突变超过 30 个（Delta 约 10 个），集中于受体结合域（RBD, receptor binding domain）；倍增时间约 3–5 天；在已免疫人群中传播力强。课堂强调该进化树的解读要点：Delta 并非由 Alpha 演化而来，Omicron 也并非源自 Alpha 或 Delta（无明确直接祖先），但 Omicron 一经出现即凭巨大选择优势迅速取代其他谱系。

** 复发突变（recurrent mutation）的生物学意义**：课件类比 TP53——肿瘤中同样的少数 TP53 突变在不同患者、不同癌种中反复独立出现；同理，N501Y（Alpha/Beta/Gamma）、D614G（2020 年后几乎所有谱系）、L452R（Delta 等）、E484K/A、N679K（邻近 furin 切割位点趋同演化）等突变在无直接亲缘关系的谱系中独立反复出现。** 复发突变提示该突变提供了选择优势（selection advantage）**——在病毒即传播力或免疫逃逸，在肿瘤即细胞生存/增殖优势；罕见的一次性突变则不具有这种信息量。

** 免疫逃逸与传播力**：Omicron 的突变使其中和抗体应答减弱，导致再感染与疫苗突破感染；但 T 细胞免疫大部分保留。课堂录音解释：这正解释了疫情后期"疫苗/既往感染不能防止感染、但能防止重症与死亡"的现象。香港 2020–2024 年 65 岁以上人群每周全因死亡曲线在 2022 年初（第五波，Omicron）出现尖峰：尽管 Omicron 个体致病性较低，其极强传播力造成大量感染，叠加当时老年人（尤其院舍）疫苗接种率低，导致人群层面的高死亡率。

3.6 宿主基因组学：I 型干扰素与新冠重症

同样是 SARS-CoV-2 感染，临床结局从无症状到危重差异巨大；年龄、性别、合并症不能完全解释。Zhang et al.（Science 2020）：659 例危重型新冠肺炎 vs 534 例无症状/轻症感染对照（外显子/全基因组测序），在 I 型干扰素（type I interferon, IFN）通路基因（如 TLR3、IRF7、IFNAR1，课堂另提及 TYK2）中富集罕见功能缺失变异（loss-of-function）。这些变异损害 I 型 IFN 的产生或信号传导，削弱早期抗病毒防御；此类缺陷见于约 3.5% 的危重病例，而在轻症/无症状对照中缺如或极罕见。结论：I 型 IFN 免疫缺陷是危重新冠的一个重要遗传病因。

I 型干扰素的作用：病毒感染后机体应立即产生大量 IFN，动员 B 细胞、T 细胞与巨噬细胞等抗病毒应答；IFN 应答及时则病毒载量低、病情轻；应答延迟则病毒载量显著升高；应答缺失则病毒载量更高且持续更久。携带此类变异者在平时完全健康，未经病毒"挑战"不会显现表型。许多诊断为杂合变异，通过** 单倍剂量不足（haploinsufficiency）或显性负效应（dominant-negative effect）**降低有效 IFN 信号——说明致病突变并非都是隐性。

** 自身抗体（autoantibodies）**：另一部分危重患者基因组本身无缺陷，但血液中存在针对 I 型 IFN 的中和性自身抗体，效果等同于 IFN 通路缺陷。课件配图数据：0/663（0%）无症状/轻症者携带此类自身抗体，而危重组为 101/987（10.2%）；课堂表述为"约 10% 的 ICU 患者源于此类自身抗体，比例高于遗传缺陷者"。

3.7 公共卫生应用与实施挑战

** 病原基因组学的公共卫生应用**（课件表格）：

应用场景	基因组能告诉我们	据此改变的行动
食源性疫情	哪些病例真正相关	召回正确的食品来源
结核病	谁传染谁；再激活 vs 再感染	聚焦接触追踪与干预
流感	哪些毒株正在出现	更新疫苗组分（WHO 每年决策）
AMR 监测	存在哪些耐药基因	选择合适的治疗
医院暴发	各分离株是否属同一传播链	实施针对性感控措施

课堂录音补充：结核的"再激活（reactivation）"指同一株细菌潜伏于肺内、在免疫低下时复发，与新的外源感染可通过测序区分，这直接影响接触追踪范围；医院暴发调查居于"个体患者"与"人群"两个层面之间。

** 实施挑战**：① 成本与基础设施（实验室、数据存储、高性能计算），资源有限地区尤为困难——课堂指出测序成本本身已大幅下降（降幅超过计算机芯片），真正的瓶颈是体系与基础设施的改变，以及让足够多的人理解测序数据的价值；② 基因组数据需与流行病学（时间、地点、人）数据整合，需要新工具与具备生物信息学技能的人才队伍；③ 未来方向：长读长与便携式测序仪（现场、实时监测）、免培养的宏基因组方法。课堂结语：优秀的基因组学家不在于会运行分析流程（pipeline），而在于能把结果放回具体语境并给出有价值的解读。

四、关键图解

【图待补】slide07-mngs-leptospira-results.png — mNGS 钩端螺旋体病例的检测流程与结果课件第 7 页（源自 Wilson et al., NEJM 2014）：A 展示住院第 42–44 天内 48 小时完成 NGS 的流程，其中生物信息分析共 97 分钟（约 68% 用于非人读段比对）；B 为 475 条 Leptospira reads 在参考基因组的覆盖情况；C 为 CSF 序列构成；D 为 rpoB 基因系统发育树，将患者菌株定位于此前未被识别、与 L. santarosai 最近缘的菌株。

【图待补】slide20-whcv-phylogenetic-tree.png — WHCV 与相关冠状病毒的系统发育树课件第 20 页（Wu et al., Nature 2020, Fig. 2）：基于 ORF1a/ORF1b/E/M 基因的最大似然系统发育树。红色标注的 WHCV（即 SARS-CoV-2）位于 Sarbecovirus 亚属，与 SARS-CoV 及蝙蝠 SARS 样冠状病毒聚在一起，由此判断其为新型冠状病毒并提示与 SARS 相似的受体利用方式。

【图待补】slide23-variant-replacement.png — SARS-CoV-2 变异株比例随时间的变化课件第 23 页：2020 年末至 2022 年初各变异株（Alpha 黄色、Delta 蓝色、Omicron 绿色）检出数与占比的时间序列。Alpha 于 2021 年上半年占主导，被 Delta 取代；Omicron 于 2021 年末出现后在数周内几乎完全取代 Delta，直观展示其增长优势。

【图待补】slide29-hk-weekly-deaths.png — 香港 65 岁以上人群每周全因死亡（2020–2024）课件第 29 页：香港 65 岁及以上人群每周全因死亡时间序列。2022 年初（第五波，Omicron）出现超过基线数倍的死亡尖峰——尽管 Omicron 个体严重度较低，极高感染人数叠加老年人群低疫苗接种率导致人群层面死亡率显著升高。

【图待补】slide33-type1-ifn-kinetics.png — I 型干扰素应答动力学与病毒载量课件第 33 页：四种情形的对比示意图——早期强 IFN 应答（病毒快速清除、轻症）、延迟 IFN 应答（病毒载量高、重症）、IFN 缺陷（遗传变异或中和自身抗体所致、病毒不受控）、以及早期给予重组 IFN 治疗可恢复病毒清除。该图解释了 IFN 通路遗传缺陷如何导致危重新冠。

【图待补】slide35-ifn-autoantibodies.png — 抗 I 型干扰素自身抗体与危重新冠课件第 35 页：示意图对比正常 I 型 IFN 免疫（IFN 经 IFNAR1/IFNAR2 受体信号诱导干扰素刺激基因、抑制病毒复制）与自身抗体阻断该通路的机制；上方数据显示此类中和自身抗体在无症状/轻症者为 0/663（0%），在危重组为 101/987（10.2%）。

五、课前思考 / 自测

（取自 Revision_questions-Infectious_disease_genomics-Oct24.docx）

mNGS 所称"无假设（hypothesis-free）病原检测"是什么含义？它与 PCR 检测在逻辑上有何不同？

试各举三条 mNGS 产生假阴性与假阳性的原因。

一份 CSF mNGS 报告在数百万条 reads 中仅有 3 条比对到 Leptospira，应如何解读？下一步做什么？

HIV 逆转录酶抑制剂耐药与哪个经典突变相关？结核利福平、异烟肼耐药分别对应哪些基因？

病毒变异株（或癌症）中同一突变独立、反复出现，提示怎样的生物学信息？试用 TP53 与 SARS-CoV-2 刺突蛋白突变各举一例。

六、参考材料

主课件：Materials/Lecture8_Infectious__Disease-concise_version_Oct2026.pptx（41 页，讲课用）

参照课件（同讲完整版）：Materials/Lecture8_Infectious__Disease.pptx（58 页）

辅助材料：Materials/Primer for Infectious disease genomics.docx；Materials/Public Resources for Infectious Disease Genomics.docx（含 CZ ID、Nextstrain、GISAID、CARD、TB-Profiler、Stanford HIVDB 等公共资源清单）；Materials/Revision_questions-Infectious_disease_genomics-Oct24.docx（复习题，本文自测题来源）

课堂录音：Recordings/PAED7902-1024-summary.md、Recordings/PAED7902-1024-transcript.md

七、课堂要点补充（据录音整理）

技术对比：Sanger 测序/PCR 需要预知序列信息（假设驱动），NGS 无需预知即可测序，这是宏基因组无偏检测得以实现的技术基础。

** 证据等级**：单个病例报告不足以改变临床实践；前瞻性（prospective）研究几乎总是优于回顾性分析，多中心（multicenter）优于单中心（避免单中心混杂），这是 Wilson et al. 2019 研究设计的要点。

** 命名**：COVID-19 是疾病名，病毒名为 SARS-CoV-2；论文早期称 WHCV（Wuhan coronavirus）。文中生物信息流程含质量修剪（Trimmomatic）、去 novo 组装（MEGAHIT、Trinity）、去宿主（Bowtie2）与 BLAST 比对注释（见完整版课件第 19 页）。

** 进化树解读**：进化树表达的是序列间的亲缘关系（相似/差异），不等于"谁直接演化成谁"；本例中 Delta 并非源自 Alpha，Omicron 与 Alpha/Delta 亦无直接祖先关系，其来源至今无明确结论。

** 疫苗时间线**：老师以自身 2021 年 3 月 13 日接种为例说明从基因组到疫苗的 10 个月速度，并展示历史对比（脊髓灰质炎、伤寒等病原发现到疫苗历时数十年）。

** 职业启示**：强调生物信息/基因组学人才的核心竞争力是把测序结果放回临床与流行病学语境中做审慎解读，而非仅仅运行流程；建议阅读 UCSF Charles Chiu 团队关于临床宏基因组学的综述。

** 下次课预告**：下一 session 为转录组测序（transcriptome sequencing）数据分析 workshop，需自带电脑，并提前阅读已发至 Moodle/邮件的流程文档（Frank 准备）。

本笔记为课前预习笔记，内容忠实于上述课件与课堂录音；概念解释为便于非专业读者理解而补充，均已核对课件原文。