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ProPublicaが進行中のサルモネラの発生を追跡するためにゲノムシーケンスデータをどのように使用したか

2021年11月5日

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ProPublicaが進行中のサルモネラの発生を追跡するためにゲノムシーケンスデータをどのように使用したか

2021年11月5日

博士号を取得したプロパブリカ記者のために。バイオインフォマティクスの研究で、細菌のDNAに関するデータは、かつては珍しかったサルモネラ菌株が鶏肉産業全体にどのように広がったかを明らかにするのに役立ちました。サルモネラ・インファンティスは多剤耐性であり、依然として人々を病気にしています。


先週、プロパブリカは、多剤耐性乳児として知られているタイプのサルモネラ菌の蔓延を可能にした米国の食品安全システムの失敗を文書化した調査を発表しました。バクテリアは何万人もの人々を病気にしました、しかし時代遅れの政府の政策と業界団体からの反発は、家禽産業を通して幼児が広がるのを止める力がほとんどない連邦機関を残しました。

私たちの報告は、公共記録の要求と数十のインタビュー、ジャーナリズムのパンとバターに依存していました。しかし、私はまた、ProPublicaがこれまで利用したことのないタイプのデータ、つまり公的に利用可能なゲノム配列データを利用しました。


データジャーナリストになる前は、電気工学の博士課程の学生でした。私の研究のほとんどはバイオインフォマティクス(遺伝子データの分析と解釈)であり、7年間、細菌の培養、核酸の精製、およびシーケンスデータを分析するためのコードの記述が私のパンとバターでした。

アメリカの食品安全システムはサルモネラの流行を止めることができませんでした。それはまだ人々を病気にしている。
そのため、ProPublicaの同僚であるMichaelGrabellとBerniceYeungがゲノム配列データについて質問してくれたとき、私はすべて耳を傾けていました。彼らは、「このサルモネラ菌株は鶏肉産業に蔓延しているように見えるため、病気が続く可能性がある」と警告したにもかかわらず、米国疾病予防管理センターが2019年に閉鎖したサルモネラ発生調査を掘り下げていると説明した。

それ以来、保健当局は消費者に発生について何も言わなかった。バーニスとマイケルは、緊張を追跡して発生がまだ続いているかどうかを確認する方法があるかどうかを知りたがっていました。食中毒調査の最終的な目標が発生の原因を特定して対処することである場合、なぜCDCは原因を特定せずに、人々がまだ病気になっている間にこの調査を終了したのでしょうか。

何人かの専門家は、調査では特定の製品、ブランド、または食品加工工場との明確な関連性が見つからなかったと説明しました。しかし、彼らはまた、発生の経路を追跡するための重要な地図を提供することが判明するであろう何かについて言及しました。連邦政府は、病原体検出プロジェクトと呼ばれるシステムを通じて、食中毒に関するデータを編集していました。これは、国立衛生研究所の一部である国立バイオテクノロジー情報センター(NCBI)によって運営されており、食品、環境、および人間の患者のサンプルから採取された細菌性病原体に関するデータを統合します。NCBIはデータをリアルタイムで分析し、その結果はCDCや食品安全規制当局を含む公衆衛生機関によって監視されています。

同じ情報を使用して、多剤耐性サルモネラ菌がまだ存在するかどうか、もしそうなら、その理由を解明できると考えました。

インファンティスクロニクル
そこで、マイケルとバーニスはNCBIデータベースをいじり始めました。約束通り、それはバクテリアの細部の大当たりでした。情報源と話し合い、科学文献を掘り下げた後、彼らは、発生の一部として指定された300のサンプルのほぼすべてを含む、8,000を超えるサルモネラ菌サンプルの「クラスター」を生成する一意の識別子コードを見つけました。しかし、「系統樹」や「一塩基多型」など、一部の用語は解読が困難でした。

結局のところ、これらは、博士課程で使用したデータの種類であるゲノムシーケンスデータから派生した属性です。私の経歴は特に細菌遺伝学(ましてやこの特定のサルモネラ菌株)ではありませんが、これらの詳細を掘り下げ始めるのに十分な知識がありました。

NCBIデータベースのドキュメントを確認し、学術論文を読み、科学者と話をしたところ、遺伝的類似性に基づいてサンプルがクラスターに割り当てられていることがわかりました。しかし、これが真実である場合、クラスター内の他の細菌サンプル(発生の一部として公式に文書化されていない約7,700のサンプル)は、幼児について何を教えてくれるでしょうか?発生が終わらない可能性があり、CDCが調査を終了する前と同じように横行し続けた可能性はありますか?それとも、この発生は、発生が常に考えられてきたものの定義そのものに挑戦していたのでしょうか?

あなたの家禽が処理されたサルモネラ菌の割合を調べてください
NCBIデータだけではわかりません。データベースには、サルモネラ菌のサンプルが採取された家禽工場や、患者がいつどこで病気になったのかなど、重要な詳細が取り除かれています。これは、業界の科学者や消費者擁護者が不満を述べている欠点です。これは、公共記録が不可欠であることが証明された場所です。MichaelとBerniceは、私たちの研究チームのMollie Simonとともに、CDC、米国農務省、および幼児の発生に取り組んできた州の公衆衛生機関に数十件の公共記録の要求を提出しました。これらの要求を通じて、USDAの微生物学的サンプリングプログラムから、どの家禽植物でさまざまな種類のサルモネラ菌が検出された頻度を明らかにした記録を取得しました。また、発生の一部であった患者に関する疫学的情報を入手しました。彼らがサルモネラ菌について検査された日付、彼らの病気と最近の食物消費についての詳細を含みます。もちろん、記録には患者の名前は含まれていませんでしたが、取得した両方のデータセットをNCBIデータベースで利用可能なシーケンスデータと照合することができました。

USDAのサンプリングデータにより、ProPublicaは、消費者が鶏肉と七面鳥を処理する植物のサルモネラ菌の記録を確認するために使用できるオンラインツールを作成することもできました。

データと公共記録を詳しく調べていくうちに、CDCがどのようにDNAを分析して食中毒の症例を結び付けているのかを学びました。1990年代から幼児の発生のちょうどその頃まで、研究者はパルスフィールドゲル電気泳動(PFGE)と呼ばれる技術を使用していました。

PFGEとシーケンスデータの違いは、この発生と調査にとって非常に重要でした。

PFGEは死んでいます。ロングライブWGS。
患者が食中毒の症状で病院に現れたとき、便または尿のサンプルが採取されることがあります。次に、サンプルで見つかった細菌からのDNAをラボで抽出できます。

DNA配列は、4つの可能な分子「文字」またはヌクレオチド塩基のみで綴られた巨大な複合語と考えることができます。PFGEは、特殊なタンパク質を使用してDNAを小さなセクションに分割します。巨大な複合語を単語のチャンクに分割することを想像してみてください。次に、電界が印加され、切断されたDNAのセグメントがその重量に基づいて再配置され、バーコードのようなパターンが表示されます。

科学者はPFGEパターンを比較して、病原体が互いにどれほど密接に関連しているかについて情報に基づいた推測を行うことができます。PFGEパターンが類似しているほど、基礎となるDNAも類似しているはずです。乳児の調査の対象期間を含め、何年もの間、PFGEパターンを使用して発生株を定義していました。

しかし、2000年代初頭、次世代シーケンシングと呼ばれる新技術により、DNAサンプルのヌクレオチド塩基の全配列の読み取りを比較的迅速に行うことが可能になりました。これは全ゲノムシーケンシング(WGS)と呼ばれるプロセスです。個人は私たちが共有する遺伝子のわずかな違いによって区別されますが、それはPFGEの能力を超えています。しかし、全ゲノム配列決定により、私とあなたを区別する、または病原体のある株を別の株と区別する、私たちのDNAのユニークな「スペリング」を明らかにすることができます。

シーケンスデータは、NCBI病原体検出プロジェクトのバックボーンです。NCBIは、遺伝的に類似したサンプルをクラスターにグループ化し、各配列をヌクレオチド塩基ごとにクラスター内の他の配列と比較します。

サンプルのクラスターごとに、NCBIは系統樹も作成します。これは、スー叔母の手描きの家系図の進化生物学者バージョンです。これは、生物のグループが、考えられる共通の祖先および相互にどのように関連しているかをモデル化します。

しかし、NCBIのように、仮想の共通の祖先に基づいて描画された系統樹は、既知の家系図とは異なる方法で解釈されます。遺伝的変化は進化によって起こりますが、偶然にも起こります。人間の場合、何百万人もの無関係な見知らぬ人が特定の病気を引き起こす特定の遺伝子を持っているかもしれませんが、それは私が両親から直接その遺伝子を継承したことを知っていることとは異なります。サルモネラ菌のようなバクテリアについてもほぼ同じです。

だから私は疑問に思いました:このinfantisクラスターのツリーは、発生サンプルが同じクラスター内の何千もの最近の食品と患者のサンプルとどれほど密接に関連していたかについて私たちに何を教えてくれますか?

特効薬なし
調べるために、私は仕事用のラップトップで100ギガバイトを解放し、編集者に50ユーロを要求しました。ハードドライブスペースは、NCBIデータからの約3200万ペアのサンプルを比較するためのものであり、ユーロは、ドイツの研究者によって作成された系統発生的視覚化ソフトウェアのためのものでした。

USDAテストで見つかった細菌サンプルを発生サンプルと比較すると、今年は平均して1日2回以上、スーパーマーケットやレストラン向けの鶏の薬剤耐性乳児が発生と遺伝的に類似していることがわかりました。歪み。また、CDCがまだ乳児感染の報告を受けていることも確認しました—最近では先週です。

この発見は、研究者が人間の病気と彼らが食べたかもしれない食物との間の関係を描くのを助けるNCBIのようなWGSデータベースの力を強調しています。WGSのおかげで、公衆衛生当局は、生の小麦粉や桃などの特定の食品が、特定のバグに関連することはめったになかったにもかかわらず、食中毒の発生の媒介物であることを発見しました。シーケンスデータは、アイスクリームに関連する食中毒のケースが散りばめられ、半年後にようやく接続されたなど、長い間冷え込んでいたケースの解決にも役立ちました。

しかし、WGSは特効薬ではありません。NCBIで一見「完璧な」DNA一致でさえ、食中毒の背後にある特定の原因を決定的に特定することはできません。バクテリアはDNAの変化を比較的急速に蓄積し、ポケモンカードのような遺伝子を交換するという厄介な習慣があります。細菌サンプルは、同じソースからのものであるために同じ遺伝子と突然変異のセットを共有している可能性があります。または、まったく異なる状況下でそれらを独立して取得した可能性があります。したがって、食品とヒトのサンプル間の遺伝的一致は、それが発生のタイムラインに適合し、理論上の発生源と一致することを確認するために、疫学的証拠で裏付けられる必要があります。

系統樹で発生サンプルを視覚化することで、発生中に収集されたサンプルと比較して、より最近の幼児サンプルについての洞察が明らかになることを期待していました。おそらく、新しいサンプルが発生サンプルよりも多くの遺伝的類似性を共有していることを示すパターンがツリーにあるでしょう。または、特定のアウトブレイクサンプルが独自のミニアウトブレイクを引き起こしたこと。代わりに、視覚化ソフトウェアは、進化論的に言えば、発生サンプルがいたるところにあることを示しました。それらは、特定の1つのソースまで追跡できませんでした。

地理、時間、または食品に関連する可能性のある明らかなパターンの欠如は、乳児の汚染が特定の食肉処理場や加工工場ではなく、家禽のサプライチェーンの上流、おそらく飼料または繁殖群。(タイソンフーズの子会社であるAviagenとCobb-Vantressの2つの主要な繁殖会社は、コメントを控えました。)DNA配列を比較しても、それ以上の手がかりは得られませんでした。平均して、発生分離株とより最近の多剤耐性乳児分離株の間のそれとほぼ同じです。簡単に言えば、発生前、発生中、発生後の乳児のサンプルは、結局、すべて非常に似ていました。

私たちは、元および現在のCDC研究者や食品安全科学者を含む、多くの専門家と調査結果を共有しました。彼らは、私たちの分析が、決定的な単一の情報源にまでさかのぼることができる、従来の食中毒の発生とは非常に異なる何かを示していることに同意しました。私たちが調べてきたのは、家禽のサプライチェーンに深く根付いているため、どこから来たのかを理解するのが難しいバグを示していると彼らは言いました。

細菌性食中毒の新しい風景
発生の起源についての結論なしに幼児捜査が終了したことは、前兆であるように思われます。遺伝子データの類似性は、さまざまな州で病気になり、さまざまな製品を消費している、一見無関係に見える人々の事例を結び付けています。昨年のサルモネラに関するUSDAの会議で、CDCの食品媒介性、水媒介性および環境疾患部門のディレクターであるロバート・トークスは、WGSによって明らかにされた食品媒介性疾患の「新しい風景」について説明しました。毎年人口に固執します。

何が発生を構成するのかという定義そのものが疑問視されている、と専門家は私たちに語った。

科学者たちはシーケンシングデータでその質問に答え始めており、バクテリアが相互接続された食品サプライチェーンをどのように利用しているかをつなぎ合わせています。2015年調査のレストランや食料品店で寿司に宛てた魚製品のサルモネラには、サルモネラ汚染がより多くの可能性が発生するのであるグローバルマグロのサプライチェーンに特定の国を特定しました。

「公衆衛生機関は、この情報を使用して、発生リスクを最小化または排除するための最も効果的な介入ポイントを決定することができます」と著者は書いています。

これまで、USDAは、最も危険なサルモネラ菌株が食料供給に広がるのを防ぐために、自由に使える情報を十分に活用していませんでした。

ただし、それが変わる可能性はあります。先月、何年にもわたる世論の圧力(そしてプロパブリカからの数週間の問い合わせ)の後、USDAの最高の食品安全当局者であるサンドラ・エスキンは、当局がサルモネラ菌へのアプローチを再考していると言いました。代理店はパイロットプロジェクトを立ち上げ、新しい計画を策定するための会議を開催する予定ですが、その発表は詳細が不足していました。

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