中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院胡永飛教授團(tuán)隊(duì)在產(chǎn)氣莢膜梭菌基因組學(xué)分析和潛在治療策略研究中取得重要進(jìn)展

　　近日，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院胡永飛教授團(tuán)隊(duì)與中國(guó)獸醫(yī)藥品監(jiān)察所合作在歐洲微生物學(xué)會(huì)微生物基因組學(xué)專業(yè)期刊Microbial Genomics雜志（5IF=5.472）發(fā)表了題為“Phylogenetic and genomic analysis reveals high genomic openness and genetic diversity of Clostridium perfringens”的研究論文。本研究通過(guò)對(duì)產(chǎn)氣莢膜梭菌進(jìn)行比較基因組分析揭示了其基因組開放性和遺傳多樣性的原因。同時(shí)，該研究也對(duì)產(chǎn)氣莢膜梭菌的起源、進(jìn)化，基因組特點(diǎn)，毒力基因和耐藥基因譜等進(jìn)行了系統(tǒng)分析和深入挖掘。該研究是目前為止國(guó)際上對(duì)產(chǎn)氣莢膜梭菌最大規(guī)模的比較基因組分析。

 

　　產(chǎn)氣莢膜梭菌是一種廣泛存在于自然環(huán)境、動(dòng)物和人體腸道中的革蘭氏陽(yáng)性條件致病菌。該菌不僅能夠?qū)е氯祟悮庑詨木?、食物中毒、腸胃疾病和肝腎損傷，而且可以導(dǎo)致畜禽壞疽性皮炎、腸毒素血癥和壞死性腸炎。據(jù)估計(jì)，在家禽養(yǎng)殖業(yè)，全球范圍內(nèi)每年僅因壞死性腸炎而導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)60億美元。深入揭示產(chǎn)氣莢膜梭菌的基因組學(xué)特征對(duì)于促進(jìn)人類健康和家禽產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

 

　　本研究對(duì)分離自1937年至2018年的代表性產(chǎn)氣莢膜梭菌基因組進(jìn)行了高通量測(cè)序，菌株來(lái)源于至少14種動(dòng)物宿主以及人體和環(huán)境樣本。結(jié)合目前全球已知的所有產(chǎn)氣莢膜梭菌基因組進(jìn)行比較分析發(fā)現(xiàn)：（1）產(chǎn)氣莢膜梭菌可以劃分成5個(gè)譜系，其最早分化時(shí)間推測(cè)距今約80000年，起源于亞洲地區(qū)；（2）研究首次提出微生物基因組的“開放性指數(shù)（openness index）”，并證明產(chǎn)氣莢膜梭菌基因組的開放程度很高，這種開放程度與其基因組的GC含量和16S rRNA基因的拷貝數(shù)量密切相關(guān)（圖1）；（3）產(chǎn)氣莢膜梭菌普遍缺乏CRISPR系統(tǒng)使得噬菌體介導(dǎo)的水平基因轉(zhuǎn)移事件頻繁發(fā)生，特別是毒素基因的傳播；（4）與菌株分型相關(guān)的毒素基因的保守性確保了目前分型方法的準(zhǔn)確性并暗示毒素基因?qū)τ谄渖娴闹匾饬x；（5）產(chǎn)氣莢膜梭菌可能與鏈球菌和葡萄球菌之間頻繁交換耐藥基因；（6）雖然產(chǎn)氣莢膜梭菌攜帶的毒力因子的數(shù)量相對(duì)穩(wěn)定，但其耐藥基因的數(shù)量隨著時(shí)間的推移而不斷增加。

　　圖1 產(chǎn)氣莢膜梭菌基因組的開放性。

 

　　（a，b）核心基因組的比例和數(shù)量；（c）不同細(xì)菌的基因組開放性比較分析；（d）基因組開放性和GC含量和16S rRNA的拷貝數(shù)的相關(guān)性分析。

 

　　該研究對(duì)產(chǎn)氣莢膜梭菌的基因組特征、遺傳多樣性、毒力及耐藥基因進(jìn)化等提供了新的見解。我校動(dòng)物科技學(xué)院胡永飛教授為論文通訊作者；動(dòng)物科技學(xué)院博士后封雨晴博士為論文第一作者，中國(guó)獸醫(yī)藥品檢查所的范學(xué)政研究員和朱良全研究員為論文的共同第一作者。該項(xiàng)工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2018YFD0500505）和中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)高層次引進(jìn)人才科研啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)的資助。文章鏈接：https://www.microbiologyresearch.org/content/journal/mgen/10.1099/mgen.0.000441。

 

　　為了解決產(chǎn)氣莢膜梭菌的耐藥性問(wèn)題，并尋求新的家禽壞死性腸炎的預(yù)防和治療策略，研究團(tuán)隊(duì)開展了產(chǎn)氣莢膜梭菌噬菌體研究。從產(chǎn)氣莢膜梭菌噬菌體基因組中發(fā)現(xiàn)一個(gè)新的噬菌體裂解酶基因，與所有已知基因的同源性為79%。對(duì)該基因進(jìn)行了原核和真核表達(dá)，發(fā)現(xiàn)其對(duì)不同產(chǎn)氣莢膜梭菌分離株具有良好的裂解活性（圖2）（專利號(hào)：202010298999.8）。通過(guò)對(duì)畢赤酵母表達(dá)系統(tǒng)的優(yōu)化及對(duì)酶分子的相應(yīng)改造，顯著提高了酶分子的活性和模擬條件下的體外抗性。目前實(shí)驗(yàn)室搖瓶發(fā)酵條件下，裂解酶產(chǎn)量近0.5 mg/mL，為該酶的后續(xù)應(yīng)用研究奠定了重要基礎(chǔ)。

　　圖2 產(chǎn)氣莢膜梭菌噬菌體裂解酶的活性鑒定。

 

　　畢赤酵母重組菌的發(fā)酵液上清（不同倍數(shù)稀釋）對(duì)ATCC標(biāo)準(zhǔn)菌株及其它四個(gè)不同宿主來(lái)源的分離株具有良好的裂解活性。