2025-02-25
微(wei)生物(wu)耐(nai)藥(yao)性危(wei)機、超級細菌威脅全球公共衛生。移動遺傳元件（MGEs） 如質(zhi)粒、噬菌體(ti)等，是耐(nai)藥(yao)基因快(kuai)速傳播(bo)的(de)(de)“隱(yin)形推手”。在臨床研究(jiu)中，我們可以通過(guo)MGEs追蹤探(tan)究(jiu)醫(yi)院環境(jing)中耐(nai)藥(yao)基因的(de)(de)水平傳播(bo)路徑(jing)；在環境(jing)監測(ce)中，我們可以分析污水處理廠或農業土壤中 MGEs 的(de)(de)多(duo)樣(yang)性及擴散(san)風(feng)險(xian)等。
如何高效識別MGEs？我(wo)們可以通過一些軟件進行識別，如geNomad。geNomad發表該(gai)nature biotechnology期刊(kan)上(shang)，是一(yi)種(zhong)基于圖神經(jing)網絡(luo)（Graph Neural Network, GNN） 的(de)(de)新型計算工(gong)具，旨在從(cong)細菌基因(yin)組(zu)(zu)或宏(hong)基因(yin)組(zu)(zu)數據中(zhong)高效識別移(yi)動遺(yi)傳元件（Mobile Genetic Elements, MGEs）（如(ru)質(zhi)粒(li)、轉座(zuo)子(zi)、噬(shi)菌體等）。geNomad 名稱可能源自 "Genome NOMAD"（基因(yin)組(zu)(zu)漫游者），體現(xian)其(qi)對“移(yi)動元件”的(de)(de)探索能力。geNomad 引入了一(yi)種(zhong)基于 圖神經(jing)網絡(luo)（GNN） 的(de)(de)新算法，能夠捕捉 MGEs 的(de)(de)復雜結(jie)構(gou)（如(ru)嵌套轉座(zuo)子(zi)、質(zhi)粒(li)-染色體相互作用），填補了傳統方(fang)法在長片(pian)段(duan)識別中(zhong)的(de)(de)技術空白。
在研究中，我們可(ke)以通過geNomad 對宏基(ji)(ji)因組組裝獲得(de)的(de)contig進(jin)行類別區分(fen)。進(jin)一步結合(he)contig的(de)注釋結果，分(fen)析耐藥(yao)基(ji)(ji)因的(de)潛在遺傳(chuan)來源。不同來源耐藥(yao)基(ji)(ji)因的(de)分(fen)布具有不同的(de)生態(tai)學意義，如染(ran)色(se)體(ti)耐藥(yao)基(ji)(ji)因通過垂直遺傳(chuan)傳(chuan)遞(di)，穩定性高但(dan)傳(chuan)播(bo)(bo)效率低(di)；質粒和病毒(du)作為“移動(dong)的(de)耐藥(yao)基(ji)(ji)因庫(ku)”，能夠擴(kuo)大(da)宿主(zhu)范圍（如跨門傳(chuan)播(bo)(bo)）等。
【表】不同耐藥(yao)基因來(lai)源可能可能存在(zai)的影(ying)響
研(yan)究示例
Zhang, R.-D. et al. Metagenomic investigation of antibiotic resistance genes and resistant bacteria contamination in pharmaceutical plant sites in China. Environmental Pollution 357, 124482 (2024).
制(zhi)(zhi)藥(yao)(yao)廠(chang)是抗(kang)生(sheng)素(su)抗(kang)性基(ji)因（ARGs）傳播的(de)(de)重要(yao)源頭(tou)，其生(sheng)產(chan)過(guo)(guo)程中(zhong)產(chan)生(sheng)的(de)(de)廢水、殘留(liu)物(wu)等可能攜帶(dai)大量ARGs及耐藥(yao)(yao)菌，對(dui)環(huan)境(jing)(jing)造成(cheng)污(wu)染風險(xian)。本研究以中(zhong)國華(hua)北和華(hua)南的(de)(de)三家制(zhi)(zhi)藥(yao)(yao)廠(chang)為對(dui)象，通(tong)過(guo)(guo)宏(hong)基(ji)因組測(ce)序(xu)技術，分析了不(bu)同環(huan)境(jing)(jing)介(jie)質(zhi)（工(gong)藝用(yong)水、地下水、表層(ceng)土(tu)、土(tu)壤(rang)巖心、藥(yao)(yao)物(wu)發酵殘留(liu)物(wu)）中(zhong)ARGs的(de)(de)分布、多樣性及耐藥(yao)(yao)菌宿主(zhu)，旨在揭示制(zhi)(zhi)藥(yao)(yao)廠(chang)內(nei)ARGs的(de)(de)傳播機制(zhi)(zhi)及污(wu)染現狀。其中(zhong)研究發現質(zhi)粒(li)介(jie)導的(de)(de)ARGs（如tetX、blaCTX-M）比染色(se)體介(jie)導的(de)(de)ARGs更豐富，且通(tong)過(guo)(guo)水平基(ji)因轉移（HGT）在不(bu)同細菌間傳播，增強了ARGs的(de)(de)環(huan)境(jing)(jing)流(liu)動(dong)性。
【圖】ARGs的遺傳位置(zhi)和(he)豐度。(a)位于質粒和(he)染色體(ti)上的ARG的ORF的比(bi)例(li)；(b)單個樣品中不同遺傳位置(zhi)對(dui)(dui)應的ARGs相對(dui)(dui)豐度（%）。
geNomad 即(ji)將納入派(pai)森諾宏(hong)基因組(zu)(zu)分析流程！這一基于(yu)圖神經網(wang)(wang)絡(luo)的(de)(de)突破(po)性(xing)工具，不僅能高(gao)效(xiao)識別(bie)染色體、質粒(li)及(ji)病毒等MGEs，更能通過長片段分析與(yu)多源數據融合，揭示基因組(zu)(zu)間的(de)(de)復雜(za)互作網(wang)(wang)絡(luo)，為(wei)宏(hong)組(zu)(zu)學數據精(jing)細挖掘(jue)提供更加(jia)有力的(de)(de)技術支撐。
