比较基因组学分析成为《PNAS》2011年热门文章

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临近岁末,《美国国家科学院院刊》(PNAS)公布了今年的10大热点文章,其中包括生物学,医学,机械工程等多个方面。来自美国马里兰大学医学院的研究人员一篇题为“Bacillus anthracis comparative genome analysis in support of the Amerithrax investigation ”,关于全基因组测序,比较基因组学分析助力联邦调查局(FBI)调查的成果位列前列,吸引了不少人的关注。

2001年秋,20多人因为美国邮政邮寄到纽约市和华盛顿特区的至少4个收件人的炭疽杆菌(Bacillus anthracis)的孢子,而感染了炭疽热。联邦调查局(FBI)因此开始了对这些袭击的调查,这一调查的代号为Amerithrax,目标之一是追踪这些信件里的孢子的来源。

在这篇文章中,研究人员发现通过全基因组序列分析,发现的遗传标记有助于FBI炭疽邮件袭击案调查追踪细菌孢子的来源,这又是一个全基因组分析在法医鉴识标记应用方面的典型例子。

研究人员采用了比较基因组分析和微生物阵列,发现在这些信件中发现的炭疽杆菌孢子制剂的独特的遗传标记,并描述了来源于炭疽杆菌Ames菌株祖先的4种在遗传上有区别的细菌亚型的组合——Ames菌株是于1981年在德克萨斯州的一头死去的肉牛王母牛身上分离出来的。

这些亚型在形态学和形成孢子的能力方面有区别,一些遗传标记——包括组装错误的串联重复序列、重复、缺失以及点突变——决定了每一种亚型的特征。这些标记被证明在帮助FBI确定这些信件的孢子制剂来自同一个来源方面起到了关键作用。研究人员认为,这些发现证明了全基因组序列比较在发现生物武器的法医鉴识标记方面的威力。

不仅如此,基因组学在各个领域都有了越来越多的应用,比如在今年夏天,德国爆发的大肠杆菌疫情中,全世界多个研究小组迅速调动他们的实验室,对这种细菌基因组进行测序和分析,在几天之内找到有效的治疗方案。这一研究组也参与了这项研究,他们采用了Pacfic Biosciences,Life Technologies公司的Ion Torrent个人型操作基因组测序仪等多项技术方案,公布了研究人员分析出的数据。

研究人员也强调了比较基因组学的作用,因为从一般功能基因组学分析能得知,像平时细菌感染一样使用环丙沙星进行治疗,会使病人感觉更糟,这是由于志贺氏毒素。而比较基因组学分析则能发现,是爆发菌株中存在的一个质粒赋予了它耐药性的基因。

论文摘要以及相关原文链接:

Before the anthrax letter attacks of 2001, the developing field of microbial forensics relied on microbial genotyping schemes based on a small portion of a genome sequence. Amerithrax, the investigation into the anthrax letter attacks, applied high-resolution whole-genome sequencing and comparative genomics to identify key genetic features of the letters’ Bacillus anthracis Ames strain. During systematic microbiological analysis of the spore material from the letters, we identified a number of morphological variants based on phenotypic characteristics and the ability to sporulate. The genomes of these morphological variants were sequenced and compared with that of the B. anthracis Ames ancestor, the progenitor of all B. anthracis Ames strains. Through comparative genomics, we identified four distinct loci with verifiable genetic mutations. Three of the four mutations could be directly linked to sporulation pathways in B. anthracis and more specifically to the regulation of the phosphorylation state of Spo0F, a key regulatory protein in the initiation of the sporulation cascade, thus linking phenotype to genotype. None of these variant genotypes were identified in single-colony environmental B. anthracis Ames isolates associated with the investigation. These genotypes were identified only in B. anthracis morphotypes isolated from the letters, indicating that the variants were not prevalent in the environment, not even the environments associated with the investigation. This study demonstrates the forensic value of systematic microbiological analysis combined with whole-genome sequencing and comparative genomics.

英文原文Bacillus anthracis comparative genome analysis in support of the Amerithrax investigation 

 

 

 

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