2017-12-21
研究背景：
許多病(bing)原體都是(shi)由非(fei)致病(bing)性(xing)祖先進(jin)化(hua)(hua)(hua)而來(lai)，這(zhe)種毒力進(jin)化(hua)(hua)(hua)一般發生在宿(su)主(zhu)(zhu)產生免疫(yi)力和抵抗力阻(zu)止(zhi)病(bing)原體入(ru)侵的(de)時(shi)期，通常(chang)會導致兩(liang)者的(de)共同進(jin)化(hua)(hua)(hua)。蠟樣(yang)芽(ya)孢桿菌(jun)(jun)組（Bacillus cereus group）同時(shi)包括致病(bing)性(xing)和非(fei)致病(bing)性(xing)細菌(jun)(jun)，宿(su)主(zhu)(zhu)范圍(wei)非(fei)常(chang)廣泛(fan)（包括節(jie)足動物(wu)、線蟲(chong)、脊(ji)索動物(wu)），因此可作為(wei)研(yan)究病(bing)原菌(jun)(jun)演變的(de)模型(xing)。最近，華(hua)中農業大(da)學與英國埃克斯特大(da)學等研(yan)究人員在mBio（影響(xiang)因子：6.956）上發表(biao)了一篇文章(zhang)，通過比(bi)較基因組的(de)方法，闡述了蠟樣(yang)芽(ya)孢桿菌(jun)(jun)組中，病(bing)原菌(jun)(jun)對宿(su)主(zhu)(zhu)特異性(xing)的(de)形(xing)成和進(jin)化(hua)(hua)(hua)策略(lve)。
測序平臺：
Illumina Hiseq 2000/2500/4000
研究結果：
1. B. cereus group的群體結構
測序得到了95株菌(jun)的基因組序列，并從(cong)Genbank中獲得一(yi)部分(fen)芽孢桿菌(jun)的全基因組序列，繪制(zhi)出基于單拷(kao)貝核心基因的系統進化樹（圖1）。
圖1 蘇云金芽孢桿菌的種群結構
系統進化分(fen)析將(jiang)B. cereus group分(fen)成了(le)四個分(fen)支，其中(zhong)大部(bu)分(fen)蘇云金(jin)芽孢桿菌被(bei)分(fen)類(lei)在分(fen)支2中(zhong)。通過比較兩個主(zhu)要分(fen)支的(de)基因組特征發現（圖2），分(fen)支2中(zhong)的(de)菌株基因組規(gui)模更大，暗示著質(zhi)粒的(de)存在。并且分(fen)支2中(zhong)的(de)平均核(he)苷酸一(yi)致性（ANI）較高。
圖2主要分支基因組的不同特征
2. 毒力基因分布
作為(wei)昆蟲和(he)線蟲的(de)病原菌(jun)，蘇云金(jin)芽孢桿(gan)菌(jun)可以產生三種類型(xing)的(de)毒素：Cry，Vip和(he)Cyt。在(zai)獲得的(de)蘇云金(jin)芽孢桿(gan)菌(jun)基(ji)因(yin)(yin)(yin)組(zu)中預測到了454個cry基(ji)因(yin)(yin)(yin)，101個vip基(ji)因(yin)(yin)(yin)和(he)26個cyt基(ji)因(yin)(yin)(yin)。分(fen)支(zhi)2中的(de)菌(jun)株含有(you)(you)更(geng)多的(de)cry毒力(li)基(ji)因(yin)(yin)(yin)，毒力(li)基(ji)因(yin)(yin)(yin)分(fen)布有(you)(you)明顯的(de)趨勢（圖3）。
圖3蘇云金芽孢桿菌的cry基因組成分布
3. HGT導致毒力基(ji)因的累積
分支(zhi)2中(zhong)的菌(jun)(jun)株中(zhong)含有多(duo)種毒(du)力基(ji)(ji)因，大多(duo)數存(cun)在于質(zhi)粒(li)上。分析了分支(zhi)2菌(jun)(jun)株中(zhong)毒(du)力基(ji)(ji)因的致病性基(ji)(ji)因島(dao)（圖4），發現其在分支(zhi)2的亞枝中(zhong)廣泛(fan)存(cun)在。同(tong)時，轉座酶(mei)在其附近出(chu)現的概率(lv)也很高（圖5），因此(ci)猜(cai)測(ce)毒(du)力基(ji)(ji)因會在不同(tong)的蘇云金芽孢(bao)桿菌(jun)(jun)中(zhong)進(jin)行水平轉移。
圖4 蘇云金芽孢桿菌的致病性基因島（BtPAIs）
圖5 不同位置的轉座酶家族比較
4. 多種(zhong)毒(du)力基因作(zuo)用于相同靶(ba)點(dian)
為了探(tan)究(jiu)同(tong)一(yi)菌株中(zhong)不(bu)同(tong)毒(du)(du)力基(ji)因(yin)的(de)共發生機制，構建了蘇云金芽孢桿菌的(de)毒(du)(du)力基(ji)因(yin)共發生網絡(luo)。發現具有(you)相(xiang)同(tong)靶向宿主的(de)基(ji)因(yin)往(wang)往(wang)同(tong)時存在一(yi)個網絡(luo)中(zhong)，這些不(bu)同(tong)毒(du)(du)力基(ji)因(yin)在同(tong)一(yi)菌株中(zhong)的(de)累積是對宿主有(you)毒(du)(du)殺作用的(de)關鍵原因(yin)之一(yi)。
圖6 毒力蛋白的共發生網絡
5. 質粒在進化中的作用
在(zai)蠟樣(yang)芽孢(bao)桿(gan)菌(jun)組(zu)中(zhong)，廣泛存在(zai)三(san)個質(zhi)粒(li)復制子類型（ori44、pXO1-14/pXO1-16、rep466），但orf156/orf157復制子僅存在(zai)于分支2的(de)(de)(de)蘇(su)云(yun)芽孢(bao)桿(gan)菌(jun)中(zhong)。研(yan)究中(zhong)發現，一(yi)些毒力(li)基因(yin)島是由質(zhi)粒(li)攜帶(dai)的(de)(de)(de)，攜帶(dai)相同(tong)基因(yin)島的(de)(de)(de)質(zhi)粒(li)往(wang)(wang)往(wang)(wang)具有相似(si)的(de)(de)(de)結構。這些質(zhi)粒(li)的(de)(de)(de)動態變化(hua)引起(qi)的(de)(de)(de)水平基因(yin)轉移是蘇(su)云(yun)金芽孢(bao)桿(gan)菌(jun)基因(yin)組(zu)中(zhong)毒素基因(yin)累積(ji)的(de)(de)(de)直接原因(yin)。
圖7 蘇云金芽孢桿菌cry基因和質粒分布
結論：
本項研(yan)究(jiu)通過基因組(zu)(zu)測序(xu)及比較基因組(zu)(zu)分析，揭示了以蘇云金芽孢(bao)桿菌為代表(biao)的無脊椎動(dong)物病(bing)原(yuan)菌毒力的形成和進(jin)(jin)化模式(shi)，代表(biao)了一(yi)種不同(tong)于(yu)高等(deng)動(dong)物病(bing)原(yuan)菌進(jin)(jin)化的新(xin)途徑。
文章索引
Zheng J, Gao Q, Liu L, et al. Comparative genomics of Bacillus thuringiensisreveals a path to specialized exploitation of multiple invertebrate hosts[J]. Mbio, 2017, 8(4):e00822-17.
