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专业: 病原细菌与放线菌生物学

[交流] 柳叶刀：PacBio建立历史标杆建立高质量完整基因组图谱

2014年11月8日，The Lancet（中文译名《柳叶刀》）杂志分别以Articles和Case Report的形式报道了来自英国The Wellcome Trust Sanger Institute和伦敦卫生与热带医学院的Nick Thomson教授所带领团队的两篇题为The extant World War 1 dysentery bacillus NCTC1: a genomic analysis和Bacillary dysentery from World War 1 and NCTC1, the first bacterial isolate in the National Collection的文章。文章采用PacBio RSII第三代单分子测序仪对现存于第一次世界大战期间的痢疾杆菌NCTC1的基因组进行了分析研究。为这一具有历史意义的志贺氏菌建立了高质量参考序列。
      《柳叶刀》杂志是目前世界医学界最权威的学术刊物之一，也是影响因子最高的SCI刊物之一，其在医学界的影响甚至超过了《Nature》和《Science》。近20年来，中国人在该杂志上发表的学术文章仅18篇。托马斯. 瓦克利（Thomas Wakley）在1823年创立The Lancet时，讲道：“柳叶刀犹如拱形窗口，让光亮透入，或亦是锋利的手术刀，以切除陈杂，我意谓The Lancet赋有上述双重含义。”至今，此价值理念仍存于该杂志之精髓中。
下面就让我们透过这道充满光亮的拱形窗口，对一次世界大战期间的痢疾杆菌一窥究竟。
      志贺氏细菌性痢疾（之前被称为细菌性痢疾）是第一次世界大战期间的主要腹泻病，在目前的军事行动中仍时有发生，发展中国家由该病引起的死亡人数每年高达数十万。由Sanger研究院Nick Thomson教授带领的该研究小组旨在建立从这一具有历史意义的痢疾杆菌中分离出来的NCTC1的高质量参考基因组，并且进一步检查分离物的抗生素耐药性。
      在该基因组分析中，对分离出来的现存最古老的志贺氏菌flexneri serotype 2a进行了PacBio公司的单分子实时（Single-Molecule Real-Time, SMRT）测序，并同时采用Illumina的MiSeq来比较评估基因组装配的复杂性。基因组中样本来自于第一次世界大战中在西线战斗的感染上痢疾的英国士兵，编号为NCTC1的菌株是第一个从美国国家标准菌库（National Collection of Type Cultures, NCTC）中分离出来的细菌。
Illumina部分，构建了450bp文库，最终得到4,301,901bp的基因组草图（得到272个连续序列，N50=37kb）。文章还称，当用短读长去map完整基因组时，并没有发现SNPs位点。
      PacBio部分，文章采用2ug的基因组DNA，构建20kb文库，250×测序深度，最终得到了完整环状的4526576bp的基因组。用PacBio建立了该菌株的参考序列，考察了其耐药性，并且与百年一战以来分离的S flexneri参考株进行了比较遗传学分析。结果发现，NCTC1属于S flexneri的2a谱系，两者具有共同的特点和大核心基因组（large core genome）。NCTC1的基因组与大部分S flexneri一样，GC含量高达51%（2,308,554 of 4,526,576 bp）。NCTC1对青霉素和红霉素具有抗性，并含有与最近的分离株十分类似的染色体抗生素抗性基因的补体。随着时间的推移，在S flexneri 2a谱系上累积的基因组岛主要与抗微生物抗性，毒力，以及血清型的转换相关联。
      S flexneri 2a谱系是一个很好的适应病原体，可以对选择性胁迫做出持续回应。文章称这项研究已经创造了非常有价值的历史标杆，那就是用PacBio第三代单分子测序技术为这一具有历史意义的志贺氏菌建立了高质量参考序列。

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