2019-03-14 09:52
作者 刘昱东
微生物基因组测序和细菌全基因组关联研究（GWAS）为研究细菌毒力基因参与严重感染发病机制提供了新的机会。化脓性肌炎是一种严重的骨骼肌感染，最常见于热带地区的儿童。在高达90％的病例中，它是由单一病原菌-金黄色葡萄球菌（金葡菌）引起的。与皮肤和浅表软组织感染不同，皮肤和皮下组织通常不参与化脓性肌炎。目前认为化脓性肌炎是病原菌由血液途径感染肌肉这一血源性途径引起。有证据表明有些金黄色葡萄球菌更容易引起化脓性肌炎。比如在社区相关的耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（CA-MRSA）流行期间，美国的化脓性肌炎发病率增加了一倍。然而目前对于引起化脓性肌炎的金葡菌的分子遗传学研究非常有限。
PVL (Panton-Valentine leucocidin)是一种大家熟知的，造成皮肤软组织感染的CA-MRSA的毒素。研究表明PVL与化脓性肌炎、肺炎以及其它金葡菌相关感染有关，然而其在侵袭性感染中的作用一直受到争议。虽然一些研究表明在由金葡菌造成的化脓性肌炎中，PVL的阳性率很高，但是一项系统性的Meta分析并未发现PVL的阳性的金葡菌与对照相比更容易造成化脓性肌炎。牛津大学Moore博士研究小组最近在Elife上发文，通过金葡菌GWAS的研究明确了PVL在金葡菌化脓性肌炎的决定性作用[1]。
GWAS提供了筛选整个细菌基因组以发现与疾病风险相关的基因和遗传变异的方法。它独特的优势在于不仅能够研究在实验室中不易研究的性状，而且不需要设定特定的候选基因。Moore博士研究小组首先通过全基因组测序了101株引起化脓性肌炎的金葡菌和417株来源于无症状儿童鼻拭子的金葡菌。他们发现85% (86/101)的化脓性肌炎都是由克隆复合体 (CC) 121引起的。而无症状儿童鼻拭子的金葡菌最常见的CC是ST834和CC45 （图1），而这两个CC都没有发现存在于引起化脓性肌炎的金葡菌中。他们接下来通过基于k-mers的方法[2]，即在518个基因组中，对于每个31bp kmer序列都与引起化脓性肌炎以及或者是定值菌做相关性分析。这一k-mers俘获的细菌基因变异包括单核苷酸变异，插入或缺失，以及整个调节基因的存在和缺失等。
研究者共发现了9175个k-mers可区别引起化脓性肌炎的金葡菌以及无症状携带的金葡菌。当研究者将上述的k-mers定位于CC121的基因组时,发现上述大多数k-mers都位于jSLT噬菌体上，因此作者推断jSLT噬菌体与化脓性肌炎显著相关。研究者在kmer相关性信号最高的jSLT区域附近定位了编码PVL的基因，发现这些k-mers与编码PVL的基因显著相关。进一步的研究表明，上述散在分布在PVL毒素编码序列以及其上游假定的调节区域的k-mers与化脓性肌炎最强关联。
研究者最后回顾PVL在易引起化脓性肌炎的CC121金葡菌和无症状儿童携带的ST834和CC45金葡菌等阳性率，发现绝大多数的CC121金葡菌均含有PVL，而绝大多数ST834和CC45金葡菌则不含有PVL，从而进一步证实了PVL与化脓性肌炎的相关性。
看到上述细菌GWAS的强大功能，读者是否愿意用这一工具研究其它病原菌感染呢，比如说高毒力的肺炎克雷伯菌？
1. Young BC, Earle SG, Soeng S, Sar P, Kumar V, Hor S, Sar V, Bousfield R, Sanderson ND, Barker L, Stoesser N, Emary KR, Parry CM, Nickerson EK, Turner P, Bowden R, Crook DW, Wyllie DJ, Day NP, Wilson DJ, Moore CE. Panton-Valentine leucocidin is the key determinant of Staphylococcus aureus pyomyositis in a bacterial GWAS. Elife 2019, 8.
2. Sheppard SK, Didelot X, Meric G, Torralbo A, Jolley KA, Kelly DJ, Bentley SD, Maiden MC, Parkhill J, Falush D. Genome-wide association study identifies vitamin B5 biosynthesis as a host specificity factor in Campylobacter. Proc Natl Acad Sci U S A 2013, 110(29): 11923-11927.
作者：刘昱东 北京大学人民医院检验科
审稿：余方友 上海肺科医院
陈宏斌 北京大学人民医院
