一文了解细菌基因组的比较基因组测序

自第一个细菌基因组被完全测序以来，已经过去了28年(Fleischmann et al. 1995)。由于技术发展，测序的价格大幅降低。随着成本的降低，第二代(或“next-gen”)测序技术显著缩短了平均读取长度;相比之下，第三代(单分子)测序允许更长的读取长度，测序成本的大幅降低使得细菌基因组测序完成数量爆发式增长。数据的爆炸性增长导致成本从测序转移到组装、分析和管理数据。2010年后，测序完成的基因组数量持续增加(图1)，测序不仅可以增加更多的基因组，还可以扩大遗传多样性，增加可用菌株类型。

细菌基因组中很少有非编码区域，故而基因组大小的差异可直接反映总基因数（总ORF数）的差异。所有已完成测序的细菌基因组中，除了确知和推定功能的基因外，尚有大部分ORF不知其功能，常被称作“孤儿”基因（orphan genes）。另外，每个基因组均有大量特有的ORF。这说明了细菌生物学还有广阔的领域有待探究，也提示了在微生物世界中，所谓“模式生物”是不存在的。

细菌比较基因组学研究通过比较不同基因组间的差异性与相似性，进而深入研究差异性和相似性的分子机理，最终与细菌的表型特征联系起来，应用于3个方面：

① 鉴定可能具有某种功能特征的基因。

通过比较某一病原细菌不同菌株的基因组，那些仅存在于有毒株中基因将可能与毒力相关，而各个菌株所独有的基因将与之适应各自特定的生态位相关。

② 筛选潜在的疫苗，鉴定可能的药物靶标和诊断靶标。

鉴定那些存在于某一病原细菌所有菌株中的“保守”基因，它们中的某些种类可能被作为临床治疗的靶标，且适用于所有菌株；将这些基因的编码蛋白分别免疫小鼠，其中能引发抗菌性抗体应答反应的基因编码蛋白即是潜在的候选疫苗。

③ 进化基因组学研究。

不同细菌经过长期进化，其基因组在结构与功能上存在着明显的分化（种间和种内），这是表型进化的遗传基础。大量细菌全基因组测序的完成，为人们从全基因组进化的角度来认识细菌系统发育提供了重要基础。

1、菌体基因组完成图及比较进化分析

标题：Comparative Genomic Analysis of Agarolytic Flavobacterium faecale WV33^T

发表期刊：INTERNATIONAL JOURNAL OF MOLECULAR SCIENCES

IF：6.208

黄杆菌（Flavobacteria）广泛分布于各种环境中，产生多种多糖降解酶。本文报道了从南极企鹅粪便中分离出的一种琼脂降解细菌黄杆菌WV33^T的全基因组。WV33^T测序基因组为单个环状染色体(4,621,116 bp, GC含量35.2%)，包含3984个编码DNA序列和85个rna编码基因。WV33^T基因组包含154个编码碳水化合物活性酶(CAZymes)的基因。在这些CAZymes中，已经在基因组中鉴定出7个可能编码琼脂酶的基因。转录分析显示，培养基中琼脂的存在显著增强了这些琼脂酶基因的表达，这表明这些蛋白质参与了琼脂水解。泛基因组分析表明，包括粪黄杆菌WV33^T在内的27株黄杆菌型菌株的基因组具有很强的可变性，且黄杆菌是核心基因组很小而非核心区域很大的独特物种。27株黄杆菌型菌株的平均核苷酸鉴定和系统基因组分析表明，粪黄杆菌WV33^T在进化树上处于一个独特的支系。

图2：WV33^T细菌完成图  

图3：27株黄杆菌的全基因组比较分析

2、比较基因组探究菌体耐药性

标题：Comparative Genomic Analysis of Streptococcus pneumoniae Strains: Penicillin Non-susceptible Multi-drug-Resistant Serotype 19A Isolates

发表期刊：Current Microbiology

IF：2.343

肺炎链球菌（Streptococcus pneumoniae）可引起多种疾病，包括中耳炎、鼻窦炎、肺炎、败血症和脑膜炎。肺炎球菌疫苗的引入改变了相关疾病的分子流行病学和抗生素耐药性概况。分析临床菌株的分子模式和基因组序列有助于鉴定新的耐药机制。结合Pacific Biosciences和Illumina Miseq平台，对3株多药耐药19A分离株进行验证、血清分型和全基因组测序。比较基因组分析表明不同菌株之间的相似性很高，菌株具有共同的和独特的聚类。在分离株中预测了包括前噬菌体和CRISPER系统在内的可移动元件，这些元件可能参与菌株的毒力和耐药性。PRSP 19339和19343的毒力因子基因为31个，PRSP 19087的毒力因子基因为30个。同时，预测出抗生素耐药基因33个，包括抗生素耐药基因、抗生素靶基因和抗生素生物合成基因。对抗生素耐药基因的进一步分析揭示了分离株的新突变。通过基因组比较分析，有助于了解临床分离株与其他血清型菌株的耐药机制，为具体耐药机制的研究提供依据。

3、比较基因组揭示细菌致病力

标题：Comparative Genomic Analysis Reveals Potential Pathogenicity and Slow-Growth Characteristics of Genus Brevundimonas and Description of Brevundimonas pishanensis sp. Nov

发表期刊：Microbiology Spectrum

影响因子：9.043

Brevundimonas属是一种广泛分布于环境中的革兰氏阴性菌，可引起人类感染。然而，Brevundimonas的基因组特征和致病性研究仍然很少。本文描述了24株Brevundimonas菌株的全基因组特征。Brevundimonas sp .在Caulobacteraceae科中基因组相对较小(3.13±0.29 Mb)，但G+C含量较高(67.01±2.19 mol%)。二维层次聚类将这些基因组划分为5个主要分支，其中分支II和V分别包含9个和5个物种。有趣的是，系统发育分析显示，核心基因组和辅助基因组之间存在一对一的匹配，这表明Brevundimonas属内的物种是共同进化的。这些独特的基因被标注为催化活性、信号和细胞过程、多物质代谢等生物学功能。Brevundimonas spp.大部分携带毒力相关基因icl、tufA、kdsA、htpB和acpXL，分别编码异柠檬酸裂解酶、伸长因子、2-脱氢-3-脱氧磷酸己酸醛缩酶、热休克蛋白和酰基载体蛋白。此外，在Brevundimonas属中还发现了基因组岛(GIs)和噬菌体/原噬菌体。重要的是，通过生化特征、16S rRNA基因系统发育树、多位点序列分析(MLSA)序列和基因组数据分析，从一名腹泻患者的粪便中鉴定出一种新的Brevundimonas。与大肠杆菌相比，Brevundimonas也表现出明显的生长缓慢。本研究揭示了brevunddimonas spp.的基因组特征和潜在毒力相关基因，为进一步深入研究brevunddimonas致病性提供了基础。

图6：Brevundimonas基因组毒力相关基因的分布

测序成本的降低，公开测序完成的细菌基因组越来越多。细菌比较基因组分析在找到优势菌株优势基因或者毒力强、耐药菌株耐药基因中发挥强大的作用。病原细菌以及肠道微生物研究也会促进工业微生物的发展。高通量菌体基因组测序将是这些研究的重要工具，为后续的应用奠定良好的数据基础。、

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参考文献

Fleischmann RD, Adams MD, White O, Clayton RA, Kirkness EF, Kerlavage AR, Bult CJ, Tomb J-F, Dougherty BA, Merrick JM. Whole-genome random sequencing and assembly of Haemophilus influenzae Rd. Science. 1995;269:496–512

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