1 種類のサイズであらゆる状況に適用:病原菌 の特性解析を実施するための簡易ワークフロー


病原菌アウトブレイクのサーベイランスを成功させるには、迅速かつ拡張性のある効率の良い対応策が必要 になります。リアルタイムの疫学的情報を得るなど、病原菌アウトブレイクをモニタリングする場合の困難を 克服するため、研究者たちはポータブルなリアルタイムナノポアシークエンス技術の利点を活用し、サンプル 採取場所でのサーベイランスを成功させています。

ゲノム疫学は病原菌またはその宿主のゲノム変異が健康と疾患に どのような影響を及ぼすかを研究する分野で、病原菌の伝播、 拡大、変化を追跡することを目的としています。また、シークエンス 情報から薬剤耐性因子を同定することも可能です。2013 〜 2016 年 に西アフリカで発生したエボラアウトブレイクから現在の COVID-19 パンデミックに至るまで、ナノポア技術は世界的な病原菌サーベイ ランスで中心的役割を果たしており、85 を超える国で 100 万超の SARS-CoV-2 ゲノムがナノポア技術を用いてシークエンスされてい ます 1 。SARS、インフルエンザ、HIV など、既知の RNA ウイルス の多くは変異が速いため、ゲノム内に絶えず変異を蓄積している ことになります。シークエンスデータは重要な管理策を確立する 指針となり得ますが、それは迅速に結果が得られて介入に有用な 情報が得られる場合に限られます。資源の少ない環境では、従来の シークエンス技術は基本的に使用できません。アウトブレイク発生 地域では、常時電力、ラボインフラ、トレーニングを受けたスタッフ などの必要条件が満たされないことが多く、遠く離れたシークエンス 施設にサンプルを輸送することも困難です。この点を念頭に、 バーミンガム大学を拠点とする Josh Quick らのチームは、ナノポア シークエンスの利便性、コストの低さ、携帯性を活用することにより、 西アフリカでエボラウイルスのゲノムサーベイランスをフィールドベース かつ拡張可能な形態で実施することに成功しています。同チームは、 MinIONTM などのポータブル機器を「スーツケースに入ったラボ」2 と呼んでおり、「資源に限りのある遠隔地域」でナノポア技術を活用 すれば病原菌アウトブレイクのモニタリングが容易になり、所要時間 が短縮して「シークエンスプロセスにかかる時間がわずか 15 〜 60 分 になる」2 ことを示しています。

'リアルタイムでのゲノムサーベイ ランスは資源に限りがある環境で 実施可能であり、速やかにその 体制を確立してアウトブレイクを モニタリングすることができる2'

国際的なウイルスサーベイランスを拡大強化するために ARTIC ネットワークが設立されており、世界的な協調体制の下に病原菌 アウトブレイクのシークエンスと解析を行うことが可能になりました 3 。 同研究者らはMinIONの携帯性と効率的なサンプル調製ワークフロー を活用し、全世界で使用可能な簡易ワークフローにより幅広い DNA ウイルスと RNA ウイルスを調査対象に定めました。この手法は、さまざまな状況に適用可能で、拡張性を有し、迅速に展開可能な ものである必要がありました。ジカウイルスなどのウイルス量が少 ないウイルスについては、クリニカルリサーチサンプルから直接ウイ ルスゲノムをシークエンスする方法が困難なことがあります。ARTIC ネットワークは、1 反応当たり 50 コピーと、ゲノムコピー数が少な いサンプルに適した PCR エンリッチメント法を使用したワークフ ローを開発しました 4 。PCR では、一度にターゲットのエンリッチ メントと増幅が可能です。カバレッジの包括性を実現するためにタイ ル型アンプリコンスキームが考案され、時間短縮、複雑さの軽減、 コスト削減のためにマルチプレックスシークエンス法が用いられま した。エンドツーエンドワークフローを用いることにより、ウイルス 量の多寡にかかわらずクリニカルリサーチサンプルから直接ウイルス を増幅、シークエンスすることができます。ユーザーは、ウェブベー スのプライマーデザインツール Primal Scheme を用いて、研究対 象のウイルス用に独自のプライマースキームをデザインすることが 可能です 5 。さまざまなウイルスの増幅とシークエンスに容易に対応可能な適応性 を備えているため、ナノポアシークエンスを用いたタイル型 PCR 法 は広く採用されています(表 1)。

Viral amplicon table 表 1 ナノポアシークエンスを用いたウイルスゲノム用のタイル型アンプリコンプロトコールの具体例(全ゲノムシークエンスを実施するために必要なゲノム サイズ、アンプリコン長、アンプリコン数を記 載)

Mori et al HIV Sequencing ナノポアシークエンスではリード長が断片長と等しくなるため、長い アンプリコンを用いたウイルスゲノムのタイル型 PCR とシークエンス が可能になります。Mori ら 6 は、アンプリコンのナノポアシークエ ンスを用いることにより、ほぼ完全長の HIV ゲノムを作成し、遺伝的多様性の高い HIV-1 組換え型(RF)について示差的な遺伝情報を 取得しました(図 1)。同チームは、薬剤耐性関連変異が従来の HIV-1 ジェノタイピングアッセイのターゲットシークエンス領域外に 位置していることを明らかにし、詳細な解析にはロングリードが 必要であることを示唆しています。

'新たなナノポアシークエンス プラットフォームを用いれば、 サブタイプ間の RF のほか 二重感染異種 HIV-1 の完全長 HIV-1 ゲノムを同定することが できる6'

ナノポアシークエンスを用いたタイル型アンプリコンワークフローに より、ジカ、チクングニア、黄熱、デング熱などの蚊媒介ウイルス感染症のアウトブレイクがすべて解析されており、さらに広範な疫学 データと組み合わせればワクチン接種戦略に有用な情報が得られる 可能性があります。ワクチン水準が低い場合、どの地域を標的に するかという重大な決定を下すには、ウイルスの空間的拡散状況を 詳細に把握して拡散する可能性が特に高い地域を予測する必要が あります。

また、ナノポアワークフローを必要に応じて修正し、狂犬病、鳥イン フルエンザ、アフリカ豚熱ウイルス(ASFV)など、動物が感染する ことが分かっているウイルスも研究されています。ASFV は伝染性が 高く、家畜ブタでは死亡率が最大 100% にもなるため、豚生産と地域 経済に重大な影響を及ぼします。全世界で大規模なアウトブレイクが 発生しているため、病原菌サーベイランスが不可欠となっています。 しかし、ASFV ゲノムはゲノムのサイズが大きく(170 〜 190 kb)、 大きな欠失と挿入を獲得する能力を有し、変異原性の高い超可変 領域が存在することから、ASFV ゲノムのシークエンスはきわめて 困難です。Amanda Warr ら7 は MinION を用いて、ASFV をシーク エンスするための手法として、アウトブレイク発生状況をほぼライブ 状態でモニタリングでき、所要時間が短く、サンプルの輸送に伴う 困難が生じないタイル型アンプリコン法を開発しました。Amandaは、 「マルチプレックスや(中略)シークエンスのなかでも最も費用の 高いフローセルを洗浄して再利用できる」ことにより、他の方法 よりもシークエンスコストが下がり、ロングリードのおかげで特に 反復性が高いゲノムのアセンブリ能が改善した旨を記載しています 7 。 7 kb の 32 断片(1 kb の重複)を対象にゲノムを増幅し、ほぼ完全な ゲノムが作成されました。

'ポータブルシークエンス技術に より、アウトブレイク発生地に赴いて、 サンプルを輸送することなくその場で シークエンスおよび解析する新たな道 が開かれた7'

感染宿主の体内に存在するウイルス集団を検討すれば、ウイルス - 宿主相互作用と新たなアウトブレイク対処法を明らかにするのに重要 な情報を得ることができます。最近の SARS-CoV-2 パンデミック 発生時には、Oxford Nanopore 社と ARTIC ネットワークが Midnight プロトコールを用いて迅速に標的化アンプリコン法の改良を行いま した。最大 96 サンプルのマルチプレックスが可能なため、時間と コストの両方を大幅に削減できました。Midnight プロトコールは、 作業時間がごくわずかで済み、ワークフローが簡易で、1 作業日以内 に RNA からリアルタイムシークエンスに移行できるため、公衆衛生 コミュニティーでよく用いられる方法になりました。

Oxford Nanopore 社は、病原菌サーベイランスに当たって科学 コミュニティーと協働できたことを誇りに思っています。また、 ARTIC ネットワークなどの研究グループと共同で、プロトコール、 キット、バイオインフォマティクスパイプラインの開発を続けています。

Oxford Nanopore 社の技術を用いたマルチプレックスのタイル型 PCR 法は、ワークフローが効率的で、アウトブレイク発生時の 大量なサンプルに対応できる拡張性を備えていることから、今後も 病原菌サーベイランスに不可欠な方法となると予想されます。

Successful surveillance of pathogen outbreaks requires a rapid, scalable, and cost-effective response. To overcome the challenges of monitoring pathogen outbreaks, such as generating real-time epidemiological information, researchers are utilising the benefits of portable, real-time nanopore sequencing technology to perform successful surveillance at sample source.

Genomic epidemiology, the study of how variants in the genomes of pathogens, or their hosts, influence health and disease, aims to track pathogen transmission, spread, and evolution. Sequence information also enables the identification of drug resistance factors. Nanopore technology has played a pivotal role in global pathogen surveillance, from the Ebola outbreak in western Africa in 2013-16 to the present-day COVID-19 pandemic, with greater than one million SARS-CoV-2 genomes sequenced using nanopore technology across over 85 countries1. Many of the known RNA viruses, such as SARS, influenza, and HIV, are fast evolving, which means they continually accumulate changes in their genome. Sequence data can guide important control measures, but only if the results are generated quickly enough to inform interventions. Conventional sequencing technologies are typically not accessible in low resource settings, where requirements, such as continuous power, lab infrastructure, and trained personnel are often not available within outbreak areas, leading to practical difficulties transporting samples to remote sequencing facilities. With this in mind, Josh Quick and his team based at the University of Birmingham, took advantage of the accessibility, affordability, and portability of nanopore sequencing, to successfully perform scalable, field-based genomic surveillance of the Ebola virus in western Africa. Using portable equipment, including the MinION, which they termed a 'lab-in-a-suitcase'2, the team highlighted how easily nanopore technology can be deployed to 'remote and resource-limited locations' to monitor pathogen outbreaks with rapid turnaround times, 'with the sequencing process taking as little as 15–60 min'2.

'real-time genomic surveillance is possible in resource-limited settings and can be established rapidly to monitor outbreaks'

Quick, J. et al. Nature (2016).

The ARTIC network has since been set up to expand international viral surveillance, enabling worldwide collaboration in sequencing and analysing pathogen outbreaks3. Leveraging the portability and streamlined sample preparation workflows of the MinION, they aimed to target a wide range of DNA and RNA viruses with a simple workflow that could be used worldwide. The approach needed to be applicable, scalable, and rapidly deployable. Sequencing viral genomes directly from clinical research samples can be challenging for viruses with a low viral load, such as the Zika virus. The workflow developed by the ARTIC network used a PCR enrichment approach, suitable for samples containing as few as 50 genome copies per reaction4. PCR can provide both target enrichment and amplification in a single step. For complete coverage, a tiled amplicon scheme was devised, and to reduce time, complexity, and cost, a multiplexed sequencing approach was used. The end-to-end workflows allow any researcher to amplify and sequence high- and low-abundance viruses directly from clinical research samples. Users can design their own primer schemes for their virus of interest using the web-based primer design tool, primal scheme5. Due to easy adaptability for the amplification and sequencing of different viruses, tiled PCR approaches using nanopore sequencing have been widely adopted (Table 1).

Table 1. Examples of tiled amplicon protocols applied to viral genomes with nanopore sequencing, detailing genome size, amplicon length, and number of amplicons to complete whole-genome sequencing.

Figure 1. Nanopore sequencing protocol applied to the near full-length HIV-1 genome. Image from Mori et al.7 and available under Creative Commons license (creativecommons.org/licenses/by/4.0).

With nanopore sequencing, read length is equal to fragment length, enabling tiled PCR and sequencing of viral genomes with long amplicons. Mori and coworkers7 generated near full-length HIV genomes and obtained distinctive genetic information for the highly genetically diverse recombinant forms (RFs) of HIV-1 using nanopore sequencing of amplicons (Figure 1). The team highlighted that drug resistance-associated mutations are located outside the target sequence regions of the traditional HIV-1 genotyping assay and suggested that long sequencing reads are now required for full analysis.

'Our new nanopore sequencing platform is applicable to identify the full-length HIV-1 genome structure of intersubtype RFs as well as dual infection heterologous HIV-1'

Mori, M. et al. Microbiol. Spectr. (2022)

Outbreaks of mosquito-borne viruses, such as Zika, chikungunya, yellow fever, and dengue, have all been characterised using tiled amplicon workflows with nanopore sequencing, and together with broader epidemiology data could potentially be used to inform vaccination strategies. When vaccine levels are low, critical decisions on geographic areas to be targeted require a detailed understanding of the spatial spread of the virus and predictions of where it is most likely to spread.

Nanopore workflows have also been adapted to study viruses known to affect animals, such as rabies, avian influenza, and African swine fever virus (ASFV). ASFV is highly contagious and has a mortality of up to 100% in domestic pigs, which severely impacts pork production and local economies. There have been major outbreaks throughout the world, making pathogen surveillance essential. However, its large genome size (170–190 kb), ability to acquire large deletions and insertions, and the presence of highly mutagenic hypervariable regions make sequencing the ASFV genome very challenging. Using the MinION, Amanda Warr and colleagues6 developed a tiled-amplicon approach to sequence ASFV that could enable near-live monitoring of outbreak situations with rapid turnaround times, and no challenging transportation of samples. Amanda described how 'multiplexing, ... washing and reuse of the most expensive component of sequencing, the flow cells' allowed for lower cost sequencing than other methods and the long reads improved assembly potential, particularly of highly repetitive genomes6. Amplification of the genome in 32 fragments of 7 kb, with 1 kb overlaps, generated near-complete genomes.

'The availability of a portable sequencing technology opens new doors to travel to outbreak locations, sequence, and analyze samples without needing to transport them'

Warr, A. et al. bioRxiv (2021)

Studying virus populations within infected hosts can provide essential information in understanding virus-host interactions and new approaches to outbreak response. During the recent SARS-CoV-2 pandemic, Oxford Nanopore and the ARTIC network were quick to refine the targeted amplicon approach with the Midnight protocol. With the ability to multiplex up to 96 samples, both time and costs have been substantially reduced. The Midnight protocol has become a popular method within the public health community because hands-on time is minimal, workflows are simple, and researchers can go from RNA to real-time sequencing within one working day.

Oxford Nanopore is proud to have worked with the scientific community in pathogen surveillance and, in collaboration with the ARTIC network and other research groups, continuously develops its protocols, kits, and bioinformatic pipelines. The cost-effective workflows and scalability to large numbers of samples during outbreak surges suggests the multiplex, tiled PCR approach with Oxford Nanopore technology will remain an essential method in pathogen surveillance.

Download the microbiology white paper
  1. GISAID. Home. Available at: http://gisaid.org
  2. Quick, J. et al. Nature. 11;530(7589):228-232 (2016).
  3. ARTIC network. Available at: http://artic.network
  4. Quick, J. et al. Multiplex. Nat. Protoc. 12(6):1261-1276 (2017).
  5. Primalscheme. Available at: http://primalscheme.com
  6. Mori, M. et al. Microbiol. Spectr. 27:e0150722 (2022).
  7. Warr, A. et al. bioRxiv 470769 (2021).
  8. Welkers, M., Jonges, M., and van den Ouden, A. Available at: https://www.protocols.io/view/monkeypox-virus-whole-genome-sequencing-u…comb-ccc7sszn.html
  9. Tyson, J.R. et al. bioRxiv 283077 (2020)
  10. Freed, N.E. et al. Biol. Methods Protoc. 18;5(1):bpaa014 (2020).
  11. Naveca, F.G. et al. PLoS Negl. Trop. Dis. 7;13(3):e0007065 (2019).
  12. Kraemer, M.U.G. et al. Lancet Infect. Dis. 17(3):330-338 (2017).
  13. Neto, Z. et al. PLoS Negl. Trop. Dis. 18;16(5):e0010255 (2022).
  14. de Vries, E.M. et al. Sci. Rep. 12;11886 (2022).
  15. Kumar, A. et al. Microbiol. Resour. Announc. 19;11(5):e0124621 (2022).
  16. Zakotnik, S. et al. Viruses. 10;14(6):1267 (2022).
  17. Riaz, N. et al. Infect. Genet. & Evol. 99;105242 (2022).
  18. Maes, M. et al. OSF Preprints. https://doi.org/10.31219/osf.io/6jku5 (2022