2017-12-21
研究背景：
許多病原體都是由非致病性祖先進化而來，這種毒力進化一般發生在宿主產生免疫力和抵抗力阻止病原體入侵的時期，通常會導致兩者的共同進化。蠟樣芽孢桿菌組（Bacillus cereus group）同時包括致病性和非致病性細菌，宿主范圍非常廣泛（包括節足動物、線蟲、脊索動物），因此可作為研究病原菌演變的模型。最近，華中農業大學與英國埃克斯特大學等研究人員在mBio（影響因子：6.956）上發表了一篇文章，通過比較基因組的方法，闡述了蠟樣芽孢桿菌組中，病原菌對宿主特異性的形成和進化策略。
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株菌的基因組序列，并從Genbank中獲得一部分芽孢桿菌的全基因組序列，繪制出基于單拷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
系統進化分析將B. cereus group分成了四個分支，其中大部分蘇云金芽孢桿菌被分類在分支2中。通過比較兩個主要分支的基因組特征發現（圖2），分支2中的菌株基因組規模更大，暗示著質粒的存在。并且分支2中的平均核苷酸一致性（ANI）較高。
圖2主要分支基因組的不同特征
2. 毒力基因分布
作為昆蟲和線蟲的病原菌，蘇云金芽孢桿菌可以產生三種類型的毒素：Cry，Vip和Cyt。在獲得的蘇云金芽孢桿菌基因組中預測到了454個cry基因，101個vip基因和26個cyt基因。分支2中的菌株含有更多的cry毒力基因，毒力基因分布有明顯的趨勢（圖3）。
圖3蘇云金芽孢桿菌的cry基因組成分布
3. HGT導致毒力基因的累積
分支2中的菌株中含有多種毒力基因，大多數存在于質粒上。分析了分支2菌株中毒力基因的致病性基因島（圖4），發現其在分支2的亞枝中廣泛存在。同時，轉座酶在其附近出現的概率也很高（圖5），因此猜測毒力基因會在不同的蘇云金芽孢桿菌中進行水平轉移。
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. 多種毒力基因作用于相同靶點
為了探究同一菌株中不同毒力基因的共發生機制，構建了蘇云金芽孢桿菌的毒力基因共發生網絡。發現具有相同靶向宿主的基因往往同時存在一個網絡中，這些不同毒力基因在同一菌株中的累積是對宿主有毒殺作用的關鍵原因之一。
圖6 毒力蛋白的共發生網絡
5. 質粒在進化中的作用
在蠟樣芽孢桿菌組中，廣泛存在三個質粒復制子類型（ori44、pXO1-14/pXO1-16、rep466），但orf156/orf157復制子僅存在于分支2的蘇云芽孢桿菌中。研究中發現，一些毒力基因島是由質粒攜帶的，攜帶相同基因島的質粒往往具有相似的結構。這些質粒的動態變化引起的水平基因轉移是蘇云金芽孢桿菌基因組中毒素基因累積的直接原因。
圖7 蘇云金芽孢桿菌cry基因和質粒分布
結論：
本項研究通過基因組測序及比較基因組分析，揭示了以蘇云金芽孢桿菌為代表的無脊椎動物病原菌毒力的形成和進化模式，代表了一種不同于高等動物病原菌進化的新途徑。
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.
