突破性進展：如何追蹤抗生素耐藥細菌抗性基因的來源？

日期：2014-11-05 08:53:24

根據世界衛生組織（WHO）報道，“抗抑菌劑基因的出現對于由細菌、寄生蟲、病毒及真菌所引起的感染疾病的預防與治療帶來了很大的挑戰，在后抗生素時代，看似普通的感染有可能扼殺一條生命不再是不切實際的幻想，而正逐漸變為現實”。

通常抗抑菌劑基因的獲得是由細菌內可動遺傳因子元件介導的致病菌間或者是致病菌和共生體間交換的結果，因此，獲得抗抑菌劑基因所處的遺傳環境對于了解抗抑菌劑基因的移動就顯得非常重要。通過PCR或高通量二代測序的方法可以很容易檢測到抗抑菌劑基因的存在，然而這些方法自身的一些局限性使得其很難精確地檢測這些基因所處的遺傳環境。而PacBio RS II SMRT單分子測序技術，利用其特有的讀長優勢可以克服這些局限從而追蹤含抗抑菌劑因的致病菌在醫療環境中的傳播。

細菌間遺傳因子的水平轉移是通過由細菌染色體所分離出來的質粒、小DNA分子來實現的。Conlan等科學家通過對2011年美國NIH臨床診斷中心爆發的那次疫情中病人中分離到的致病菌進行PacBio長讀長測序分析，鑒定出致病菌質粒含有blaKPC基因，該基因可以編碼碳青霉烯酶從而水解碳青霉烯抗體。Conlan又對1000多個感染抗碳青霉烯抗體致病菌病人進行監測，從這些病人中分離出細菌基因組并進行PacBio SMRT長讀長測序分析，得到了63個質粒的完整序列，這些完整的質粒序列信息讓我們對致病菌質粒的多樣性有了具體的了解，而這些是任何其他測序方法所不能完成的。

質粒在抗抑菌劑基因的轉移中起著關鍵的作用，抗抑菌劑基因通常以模塊化的基因簇形式聚集在一起增加了它們的抑菌性。一些插入序列，如IS26，將抗抑菌劑基因在基因組序列張間隔排列，像轉座子一樣可以到處移動；還有一些因子，如ISEcp1，可以移動其相鄰的基因，從而產生許多抗抑菌劑基因拷貝存在于基因組內。這些插入序列及其他一些因子的存在是二代測序基因組組裝不完整的主要原因，只能得到許多染色體序列片段及質粒序列片段，在這種意義上說，質粒序列信息是二代測序基因組組裝的“黑洞“，在許多基因組組裝研究中都要規避復雜結構的質粒的存在。Colan等在本研究中的基因組比較結果表明抗抑菌劑基因的結構及序列排列信息只有通過PacBio長讀長測序獲得完整質粒序列信息的情況下才能夠拿到。

傳統的Sanger測序是組裝和分析抗抑菌劑細菌質粒的金標準，然而這種方法在測序前需要分離和構建不同的高質量的質粒文庫，在技術層面存在很大困難，并且成本也非常之高。短序列測序的二代測序可以很經濟地獲得很多有重復序列所分割的Contig，由于這些重復序，通常是些移動因子（如插入序列），在質粒中存在很多拷貝，因此在組裝完整質粒序列方面就存在很大困難。從任何細菌中獲得抗抑菌劑基因都可以很容易地做到，但是如何將這些質粒中的序列完整地組裝起來是最大的困難，而組裝完整的質粒序列對于我們在臨床上理解這些基因是如何傳播的非常關鍵。作為比較， PacBio長讀長測序可以使我們獲得完整的細菌質粒圖譜，包括數量、位置及抗抑菌劑基因的移動因子等具體信息。這些信息也極大地幫助我們去理解質粒的運輸、轉移、流行病及進化情況。