近日，中國農(nóng)業(yè)大學動物科技學院胡永飛教授團隊與中國獸醫(yī)藥品監(jiān)察所合作在歐洲微生物學會微生物基因組學專業(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。本研究通過對產(chǎn)氣莢膜梭菌進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，該研究也對產(chǎn)氣莢膜梭菌的起源、進化，基因組特點，毒力基因和耐藥基因譜等進行了系統(tǒng)分析和深入挖掘。該研究是目前為止國際上對產(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、動物和人體腸道中的革蘭氏陽性條件致病菌。該菌不僅能夠導致人類氣性壞疽、食物中毒、腸胃疾病和肝腎損傷，而且可以導致畜禽壞疽性皮炎、腸毒素血癥和壞死性腸炎。據(jù)估計，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致的經(jīng)濟損失高達60億美元。深入揭示產(chǎn)氣莢膜梭菌的基因組學特征對于促進人類健康和家禽產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要的理論和現(xiàn)實意義。
本研究對分離自1937年至2018年的代表性產(chǎn)氣莢膜梭菌基因組進行了高通量測序，菌株來源于至少14種動物宿主以及人體和環(huán)境樣本。結合目前全球已知的所有產(chǎn)氣莢膜梭菌基因組進行比較分析發(fā)現(xiàn)：（1）產(chǎn)氣莢膜梭菌可以劃分成5個譜系，其最早分化時間推測距今約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（圖1）；（3）產(chǎn)氣莢膜梭菌普遍缺乏CRISPR系統(tǒng)使得噬菌體介導的水平基因轉移事件頻繁發(fā)生，特別是毒素基因的傳播；（4）與菌株分型相關的毒素基因的保守性確保了目前分型方法的準確性并暗示毒素基因對于其生存的重要意義；（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)量相對穩(wěn)定，但其耐藥基因的數(shù)量隨著時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)的相關性分析。
該研究對產(chǎn)氣莢膜梭菌的基因組特征、遺傳多樣性、毒力及耐藥基因進化等提供了新的見解。我校動物科技學院胡永飛教授為論文通訊作者；動物科技學院博士后封雨晴博士為論文第一作者，中國獸醫(yī)藥品檢查所的范學政研究員和朱良全研究員為論文的共同第一作者。該項工作得到了國家重點研發(fā)計劃（2018YFD0500505）和中國農(nóng)業(yè)大學高層次引進人才科研啟動經(jīng)費的資助。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題，并尋求新的家禽壞死性腸炎的預防和治療策略，研究團隊開展了產(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)一個新的噬菌體裂解酶基因，與所有已知基因的同源性為79%。對該基因進行了原核和真核表達，發(fā)現(xiàn)其對不同產(chǎn)氣莢膜梭菌分離株具有良好的裂解活性（圖2）（專利號：202010298999.8）。通過對畢赤酵母表達系統(tǒng)的優(yōu)化及對酶分子的相應改造，顯著提高了酶分子的活性和模擬條件下的體外抗性。目前實驗室搖瓶發(fā)酵條件下，裂解酶產(chǎn)量近0.5 mg/mL，為該酶的后續(xù)應用研究奠定了重要基礎。
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ATCC標準菌株及其它四個不同宿主來源的分離株具有良好的裂解活性。
日期：2020-11-02
產(chǎn)氣莢膜梭菌是一種廣泛存在于自然環(huán)境、動物和人體腸道中的革蘭氏陽性條件致病菌。該菌不僅能夠導致人類氣性壞疽、食物中毒、腸胃疾病和肝腎損傷，而且可以導致畜禽壞疽性皮炎、腸毒素血癥和壞死性腸炎。據(jù)估計，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致的經(jīng)濟損失高達60億美元。深入揭示產(chǎn)氣莢膜梭菌的基因組學特征對于促進人類健康和家禽產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要的理論和現(xiàn)實意義。
本研究對分離自1937年至2018年的代表性產(chǎn)氣莢膜梭菌基因組進行了高通量測序，菌株來源于至少14種動物宿主以及人體和環(huán)境樣本。結合目前全球已知的所有產(chǎn)氣莢膜梭菌基因組進行比較分析發(fā)現(xiàn)：（1）產(chǎn)氣莢膜梭菌可以劃分成5個譜系，其最早分化時間推測距今約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（圖1）；（3）產(chǎn)氣莢膜梭菌普遍缺乏CRISPR系統(tǒng)使得噬菌體介導的水平基因轉移事件頻繁發(fā)生，特別是毒素基因的傳播；（4）與菌株分型相關的毒素基因的保守性確保了目前分型方法的準確性并暗示毒素基因對于其生存的重要意義；（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)量相對穩(wěn)定，但其耐藥基因的數(shù)量隨著時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)的相關性分析。
該研究對產(chǎn)氣莢膜梭菌的基因組特征、遺傳多樣性、毒力及耐藥基因進化等提供了新的見解。我校動物科技學院胡永飛教授為論文通訊作者；動物科技學院博士后封雨晴博士為論文第一作者，中國獸醫(yī)藥品檢查所的范學政研究員和朱良全研究員為論文的共同第一作者。該項工作得到了國家重點研發(fā)計劃（2018YFD0500505）和中國農(nóng)業(yè)大學高層次引進人才科研啟動經(jīng)費的資助。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題，并尋求新的家禽壞死性腸炎的預防和治療策略，研究團隊開展了產(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)一個新的噬菌體裂解酶基因，與所有已知基因的同源性為79%。對該基因進行了原核和真核表達，發(fā)現(xiàn)其對不同產(chǎn)氣莢膜梭菌分離株具有良好的裂解活性（圖2）（專利號：202010298999.8）。通過對畢赤酵母表達系統(tǒng)的優(yōu)化及對酶分子的相應改造，顯著提高了酶分子的活性和模擬條件下的體外抗性。目前實驗室搖瓶發(fā)酵條件下，裂解酶產(chǎn)量近0.5 mg/mL，為該酶的后續(xù)應用研究奠定了重要基礎。
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ATCC標準菌株及其它四個不同宿主來源的分離株具有良好的裂解活性。
日期：2020-11-02
