每周文献 2021-05-05

大家好，本周我分享的文献是一篇关于从基因组层面解析水传病原体堪萨斯分枝杆菌的进化和对人类适应的文章。

文章题目：Population genomics provides insights into the evolution and adaptation to humans of the waterborne pathogen Mycobacterium kansasii （群体基因组学揭示了水传病原体堪萨斯分枝杆菌的进化和对人类适应性）

期刊：Nature communications

影响因子：12.121; 中科大类: 综合性期刊 1区; 中科小类: 综合性期刊 1区; JCR分区: Q1

发文单位：四川大学，复旦大学，墨尔本大学等16家单位

文章作者：四川大学华西基础医学与法医学院罗涛研究员与复旦大学徐鹏博士（现为遵义医科大学副教授）为本文第一作者，复旦大学高倩教授为本文通讯作者。

背景：堪萨斯分枝杆菌感染(mycobacterium kansasii infection)在1953年在美国堪萨斯城首先发现，以后世界各地均有发现，感染率呈上升趋势。水可能是堪萨斯分枝杆菌的栖息地。堪萨斯分枝杆菌是最具致病性的非结核分枝杆菌(NTM)之一，具有很高的临床相关性。

摘要：堪萨斯分枝杆菌可引起严重的肺部疾病。它属于一组密切相关的非结核分枝杆菌，称为MKC。该研究报告了来自世界各地的水和临床来源358株MKC分离株系的群体基因组学分析。研究发现重组可能介导分配共轭转移，有助于物种形成和MKC的持续分化。分析结果支持市政水是MKC感染的主要来源。此外，将近80％的MKC感染归因于紧密相关的堪萨斯分枝杆菌菌株，该菌株群起源于1953年，随后在全球范围内扩散。生物信息学分析表明，参与代谢（如维持柠檬酸甲酯循环）、ESX-I分泌、金属离子稳态和细胞表面重塑的几个基因可能参与了堪萨斯分枝杆菌的感染及其对人类宿主的持续适应。

主要结论：

1. 堪萨斯分枝杆菌的全球多样性
   堪萨斯分枝杆菌是目前全世界NTM肺病最常见的病因之一。与其他NTM一样，通常认为堪萨斯分枝杆菌感染是由环境引起的，而不是通过人与人之间的互相传染。本研究中利用271份堪萨斯分枝杆菌株系进行重测序（另外包括86份来自公共数据库的基因组数据）用来分析堪萨斯分枝杆菌株在全球范围流行程度(图1a)。使用2280个核心基因（在菌株之间具有至少90％的氨基酸同一性并覆盖2.12 M核苷酸）的基因组比对生成ML系统发育树，系统发育树由对应于七个MKC物种的七个不同谱系组成(图1b)。每个谱系中的成对gANI均超过98％，而谱系之间的gANI均低于95％（图1c），这证实了应将谱系视为不同的物种而不是亚型。

   
   
   

   Fig.1 .png
   
   

   图1. 堪萨斯分枝杆菌的全球多样性。a. 358株菌株的地理分布。渐变蓝色表示堪萨斯分枝杆菌在NTM疾病中的流行程度。 b. 358株分离株系核心基因组(ML)系统发育研究。末端节点的颜色对应于单个分离株的地理起源，如（a）中的圆圈所示。c.堪萨斯分枝杆菌复合体内部和之间的成对基因组平均核苷酸同一性（gANI）。

2. 重组驱动MKC的物种形成和分化
   基于沿着核心基因组排列的378876个SNV构成的复杂的进化网络表明重组已经发生在基因组的大部分区间（图2a），利用fastGEAR对核心基因组比对进行分析，确定了与这七个物种相对应的七个群体，物种之间存在广泛的祖先重组（发生在物种形成过程中）和最近的重组（发生在物种形成之后），从而形成高度嵌合的基因组（图2b）, 重组片段长度从几个碱基对到最大212.9kb不等表明通过分配共轭转移进行重组（图2c），排除重组区域中的SNV后，该研究推断了每个主要MKC物种的系统发育，以研究仅基于非重组突变的分离株之间的基因组差异（图2d）。这些结果表明重组驱使MKC的物种形成和分化。

   
   
   

   Fig.2.png
   
   

   图2. 基因组重组及其对堪萨斯分枝杆菌复合体物种形成和分化的贡献。 a. 基于358株分离株系核心基因组比对的堪萨斯分枝杆菌复合体系统发育网络。b. fastGEAR推断的群体结构和基因组重组。c. 四个主要物种中重组片段的长度分布。d. 基于非重组SNV的四个主要物种的最大似然系统发育树 (括号表示包含平均成对基因组差异小于100个SNV的菌株的簇。末端节的颜色表明了分离物的地理起源)。

3. 与堪萨斯分枝杆菌关联的基因
   通过比较基因组分析，本研究鉴定了147个堪萨斯分枝杆菌的特异基因，其中一些基因与人类宿主体内的代谢适应或毒性有关。其中有三个基因簇编码酶PrpC和PrpD以及调节因子PrpR，它们是柠檬酸甲酯循环（MCC）的组成部分，可消除胆固醇和脂肪酸体内分解代谢过程中产生的有毒丙酰辅酶a（图3a-b）。其他18个堪萨斯分枝杆菌特异性基因编码ESX-1系统（ESP）的潜在分泌蛋白，ESP是一种与结核分枝杆菌毒性相关的VII型分泌系统, 这些基因分布在三个基因组位点上，其中一个几乎完全由ESP、WhiB6调节器和与ESX-1相关的PPE蛋白组成（图3c）,这些ESP全部包含WxG结构域（图3d）。

   
   
   

   Fig.3.png
   
   

   图3. 堪萨斯分枝杆菌的特异性基因座。

4. 堪萨斯分枝杆菌主群中受到正向选择的基因
   鉴定的23个基因编码与多种功能相关的蛋白质，包括次级代谢（7个基因）、DNA复制、重组和修复（4个基因）、金属离子转运和代谢（3个基因）和碳代谢（3个基因）。研究发现最具多态性的基因座编码锌摄取调节因子Zur，在38个临床分离株系中共鉴定出36个固定的zur突变，所有这些突变均为非同义突变或移码，这意味着该基因功能丧失（图4b）。第3个多肽位点包含两个基因，这两个基因编码一个聚酮合酶（Pks5）和一个葡萄糖基转移酶（WbbL2），这两种酶参与了脂质寡糖（LOS）的合成。这两个基因共检测到14个固定突变，分布在16个临床菌株中。在编码与LOS合成相关的其他酶的相邻基因中检测到额外的非同义突变，包括无义突变和移码突变：一种脂肪酰辅酶a合成酶（fadD25）、一种酰基转移酶（PAP3）和两种葡萄糖基转移酶（gtf1和gtf2）（图4c）。

   
   
   

   Fig.4.png
   
   

   图4. 堪萨斯分枝杆菌主群正向选择选择下的基因。a. 潜在正选择下的基因Circle图。 b. zur和tetR1/2中非同义突变的分布和频率的示意图，以及tetR1/2周围的重组。c. LOS生物合成基因突变的示意图和突变菌株的相应形态。（基因根据其功能被着色。绿色，参与聚酮合成的基因；橙色，酰基转移酶；青色，葡萄糖基转移酶）。

Note:图片均来自Population genomics provides insights into the evolution and adaptation to humans of the waterborne pathogen Mycobacterium kansasii

堪萨斯分枝杆菌应该引起人们的关注，这一物种的一些成员，特别是在MKMC中，可能具有进化为高度适应人类病原体的潜力。

由于个人能力有限，对文章一些专业术语或其他内容有描述不当的地方，希望提出并理解，谢谢。

文章链接地址：https://www.nature.com/articles/s41467-021-22760-6
参考文献：
1.Luo, T., Xu, P., Zhang, Y. et al. Population genomics provides insights into the evolution and adaptation to humans of the waterborne pathogen Mycobacterium kansasii. Nat Commun 12, 2491 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-22760-6
2.百度百科