高效細(xì)菌基因組測(cè)序新方法有助于加強(qiáng)全球研究合作以應(yīng)對(duì)未來(lái)的流行病

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2021-12-24

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由厄勒姆研究所和利物浦大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)全球科學(xué)家聯(lián)盟，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種高效的，大規(guī)模細(xì)菌基因組測(cè)序的廉價(jià)方法，可以使低收入和中等收入國(guó)家(LMICs)的研究人員擁有對(duì)大量細(xì)菌病原體進(jìn)行測(cè)序的廉價(jià)和可獲得的方法

　　一個(gè)世界范圍的科學(xué)家聯(lián)盟開(kāi)發(fā)了一種高效、廉價(jià)的大規(guī)模細(xì)菌基因組測(cè)序方法，這可能使低收入和中等收入國(guó)家的研究人員擁有廉價(jià)和可獲得的方法來(lái)對(duì)主要的細(xì)菌病原體集合進(jìn)行測(cè)序。這組科學(xué)家建議，新報(bào)告的方法可以應(yīng)用于大量細(xì)菌病原體的收集，并有助于加強(qiáng)全球研究合作，以應(yīng)對(duì)未來(lái)的流行病。
　　由厄勒姆研究所和利物浦大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)全球科學(xué)家聯(lián)盟，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種高效的，大規(guī)模細(xì)菌基因組測(cè)序的廉價(jià)方法，可以使低收入和中等收入國(guó)家(LMICs)的研究人員擁有對(duì)大量細(xì)菌病原體進(jìn)行測(cè)序的廉價(jià)和可獲得的方法——每個(gè)基因組的成本不到10美元。
　　這組科學(xué)家認(rèn)為，在全球冠狀病毒基因組監(jiān)測(cè)受到關(guān)注的時(shí)候，各國(guó)通過(guò)低成本和快速全基因組測(cè)序(WGS)作出貢獻(xiàn)的能力變得越來(lái)越重要。新報(bào)告的方法可以應(yīng)用于大量細(xì)菌病原體的收集，并有助于加強(qiáng)全球研究合作，以應(yīng)對(duì)未來(lái)的大流行。
　　“自第一個(gè)細(xì)菌基因組測(cè)序以來(lái)，已經(jīng)有26年了，現(xiàn)在可以大規(guī)模地對(duì)細(xì)菌分離株進(jìn)行測(cè)序了，”厄爾漢姆研究所所長(zhǎng)尼爾·霍爾博士說(shuō)。“然而，低收入和中等收入國(guó)家的科學(xué)家獲得這種改變游戲規(guī)則的技術(shù)仍然受到限制。病原體基因組分析領(lǐng)域‘民主化’的需要促使我們開(kāi)發(fā)了一種新的策略，與許多面臨經(jīng)濟(jì)挑戰(zhàn)的國(guó)家的合作者一起對(duì)數(shù)千種細(xì)菌分離株進(jìn)行測(cè)序。”

　　該團(tuán)隊(duì)在《Genome Biology》雜志上發(fā)表了一篇題為《An accessible, efficient and global approach for the large-scale sequencing of bacterial genomes》的論文。
　　作者說(shuō)，在過(guò)去的十年中，WGS徹底改變了我們對(duì)微生物疾病的認(rèn)識(shí)。WGS數(shù)據(jù)可用于監(jiān)測(cè)、功能基因組學(xué)和探索病原體進(jìn)化，促使公共衛(wèi)生和研究科學(xué)家采用基于基因組的方法。“認(rèn)識(shí)到WGS數(shù)據(jù)為監(jiān)測(cè)、功能基因組學(xué)和人口動(dòng)態(tài)提供的巨大優(yōu)勢(shì)，公共衛(wèi)生界和研究界都采用了基于基因組的方法，”該團(tuán)隊(duì)說(shuō)。
　　這組作者繼續(xù)說(shuō)，對(duì)人類基因組測(cè)序的需求已經(jīng)將測(cè)序試劑的成本降低到每個(gè)樣本1000美元以下。然而，盡管近年來(lái)對(duì)關(guān)鍵病原體的基因組序列收集的需求大幅增長(zhǎng)，但對(duì)數(shù)千種微生物的基因組序列測(cè)序仍然很昂貴——“……主要是因?yàn)榕c樣本運(yùn)輸和文庫(kù)建設(shè)相關(guān)的成本，”科學(xué)家們?cè)u(píng)論說(shuō)。直到最近，大規(guī)模的細(xì)菌基因組項(xiàng)目還只能在世界各地的少數(shù)幾個(gè)測(cè)序中心進(jìn)行。研究人員的目標(biāo)是讓全世界的實(shí)驗(yàn)室都能使用這種技術(shù)。
　　這項(xiàng)大規(guī)模的基因組測(cè)序計(jì)劃由全球10,000個(gè)沙門氏菌基因組研究聯(lián)盟(10KSG)牽頭，重點(diǎn)研究腸道沙門氏菌，這是一種具有全球意義的病原體，可導(dǎo)致感染和致命疾病。10KSG聯(lián)盟的合作者來(lái)自16個(gè)國(guó)家的25個(gè)機(jī)構(gòu)和研究和參考實(shí)驗(yàn)室。Hall說(shuō):“有限的資金資源使我們?cè)O(shè)計(jì)了一種基因組方法，確保準(zhǔn)確的樣本跟蹤和捕獲單個(gè)細(xì)菌分離物的全面元數(shù)據(jù)，同時(shí)將該聯(lián)盟的成本保持在最低水平。該管道簡(jiǎn)化了從中低收入國(guó)家大規(guī)模收集和測(cè)序樣本的工作。”正如作者繼續(xù)說(shuō)的那樣，“一個(gè)關(guān)鍵的驅(qū)動(dòng)因素是組裝一套盡可能信息豐富和可靠的基因組數(shù)據(jù)。”
　　作者指出，非傷寒沙門氏菌(NTS)已廣泛與人類的小腸結(jié)腸炎有關(guān)，這是一種與食品生產(chǎn)工業(yè)化有關(guān)的人畜共患病。由于人類小腸結(jié)腸炎病例的規(guī)模和對(duì)食品安全的擔(dān)憂，沙門氏菌的基因組序列比其他任何屬都要多。
　　作者在他們的報(bào)告中繼續(xù)寫道:“近年來(lái)，NTS血清型傷寒和腸炎的新譜系已被認(rèn)為是侵入性血流感染(iNTS疾病)的常見(jiàn)原因，每年導(dǎo)致全球約77000人死亡。由于iNTS疾病造成的大約80%的死亡發(fā)生在撒哈拉以南非洲，iNTS疾病在那里已經(jīng)成為流行疾病。”由于基因降解，改變的原噬菌體庫(kù)和新的耐多藥質(zhì)粒，可以通過(guò)基因組學(xué)鑒定負(fù)責(zé)血液感染的新沙門氏菌譜系。正如該小組報(bào)告的那樣，我們認(rèn)為有必要簡(jiǎn)化和擴(kuò)大對(duì)來(lái)自非洲和世界其他地區(qū)的沙門氏菌的基于基因組的監(jiān)測(cè)，包括與人類侵入性疾病和腸胃炎有關(guān)的分離株，并擴(kuò)大到來(lái)自動(dòng)物和環(huán)境的細(xì)菌。”

　　10KSG的目標(biāo)是讓中低收入國(guó)家更容易獲得基因組數(shù)據(jù)。這一點(diǎn)尤其重要，因?yàn)樵谌龉阅戏侵蓿抽T氏菌導(dǎo)致的死亡率異常高。科學(xué)家需要了解大量此類細(xì)菌菌株的基因組成。正如這組科學(xué)家指出的那樣，“低收入和中等收入國(guó)家的科研人員面臨的最重大挑戰(zhàn)之一是通過(guò)科學(xué)合作簡(jiǎn)化監(jiān)測(cè)工作。由于種種原因，與嚴(yán)重細(xì)菌疾病負(fù)擔(dān)最大相關(guān)的區(qū)域無(wú)法充分利用WGS技術(shù)，不得不依賴昂貴和官僚的樣品運(yùn)輸和測(cè)序程序。這妨礙了在中低收入國(guó)家為公共衛(wèi)生和監(jiān)測(cè)而采用大規(guī)模基因組測(cè)序和細(xì)菌病原體分析。
　　霍爾評(píng)論說(shuō):“到2021年，公開(kāi)可獲得的已測(cè)序沙門氏菌基因組數(shù)量達(dá)到35萬(wàn)個(gè)，可以從幾個(gè)在線存儲(chǔ)庫(kù)獲得。然而，在中低收入國(guó)家對(duì)沙門氏菌感染進(jìn)行了有限的基于基因組的監(jiān)測(cè)，現(xiàn)有的數(shù)據(jù)集不能準(zhǔn)確地代表目前在世界各地造成疾病的沙門氏菌病原體。”該研究的合著者、利物浦大學(xué)微生物發(fā)病機(jī)理教授Jay Hinton博士進(jìn)一步指出:“中低收入國(guó)家公共衛(wèi)生研究人員面臨的最重大挑戰(zhàn)之一是獲得最先進(jìn)的技術(shù)。由于后勤和經(jīng)濟(jì)方面的綜合原因，與嚴(yán)重細(xì)菌疾病負(fù)擔(dān)最大相關(guān)的區(qū)域并未從廣泛提供WGS中受益。10,000個(gè)沙門氏菌基因組項(xiàng)目就是為了開(kāi)始解決這種不平等。”
　　這一新報(bào)道的方法旨在簡(jiǎn)化細(xì)菌的大規(guī)模采集和基因組測(cè)序，研究人員在不到一年的時(shí)間里收集了來(lái)自中低收入國(guó)家的超過(guò)10400個(gè)臨床和環(huán)境細(xì)菌分離株的遺傳材料。事實(shí)上，10KSG的成員提供了來(lái)自51個(gè)中低收入和中等收入國(guó)家和地區(qū)的10419個(gè)分離菌，涵蓋了7個(gè)細(xì)菌屬:不動(dòng)桿菌屬、腸桿菌屬、克雷伯氏菌屬、假單胞菌屬、志賀氏菌屬和葡萄球菌屬，協(xié)調(diào)了樣本的收集和將在英國(guó)進(jìn)行測(cè)序的材料的運(yùn)輸。
　　由利物普大學(xué)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的樣本物流管道，通過(guò)將熱滅活的細(xì)菌分離物作為“熱裂解物”在世界各地的環(huán)境條件下運(yùn)送到英國(guó)，隨后在美國(guó)厄勒姆研究所使用獨(dú)特的Lite協(xié)議進(jìn)行低成本的測(cè)序。用于快速基因組測(cè)序的低輸入自動(dòng)化方法。研究人員說(shuō)：“我們方法的一個(gè)關(guān)鍵方面是讓精通多種語(yǔ)言的研究人員參與與合作者的通信，以最大限度地通過(guò)電子郵件進(jìn)行清晰、持續(xù)的交流。”
　　總的來(lái)說(shuō)，基因文庫(kù)的構(gòu)建和DNA測(cè)序生物信息分析的完成，每個(gè)基因組的總試劑成本不到10美元(約7.50英鎊)。研究報(bào)告的合著者、利物浦大學(xué)博士后研究員布蘭卡·佩雷斯·塞普爾韋達(dá)博士(Blanca Perez Sepulveda)領(lǐng)導(dǎo)了全球樣本收集、優(yōu)化和分析工作，她補(bǔ)充說(shuō):“采用大規(guī)模基因組測(cè)序和細(xì)菌病原體分析將為中低收入國(guó)家的公共衛(wèi)生和監(jiān)測(cè)提供巨大的資產(chǎn)。在這里，我們已經(jīng)建立了一個(gè)高效且相對(duì)廉價(jià)的管道，用于在全球范圍內(nèi)收集和測(cè)序細(xì)菌基因組。”
　　作者寫道:“我們已經(jīng)建立了一個(gè)在全球范圍內(nèi)收集和測(cè)序細(xì)菌基因組的高效且相對(duì)廉價(jià)的管道。我們的新方法允許大量細(xì)菌病原體的運(yùn)輸和全基因組測(cè)序，通過(guò)結(jié)合使用熱裂解液和DNA提取和測(cè)序，使用創(chuàng)新的LITE管道進(jìn)行文庫(kù)建設(shè)。通過(guò)全球研究合作，我們對(duì)這種方法與模式生物腸道沙門氏菌進(jìn)行了評(píng)估，產(chǎn)生了6117個(gè)高質(zhì)量的沙門氏菌基因組，這些基因組已經(jīng)被用于許多已發(fā)表的研究。”
　　厄勒姆研究所博士后科學(xué)家Darren Heavens博士開(kāi)發(fā)了全基因組測(cè)序管道，他進(jìn)一步指出:“我們認(rèn)為有必要簡(jiǎn)化和擴(kuò)大對(duì)來(lái)自非洲和世界其他地區(qū)的沙門氏菌的基因組監(jiān)測(cè)，包括與人類侵入性疾病和腸胃炎相關(guān)的分離株，并延伸到來(lái)自動(dòng)物和環(huán)境的細(xì)菌。我們的管道是一種具有成本效益和強(qiáng)大功能的工具，可從LMI國(guó)家獲得細(xì)菌基因組數(shù)據(jù)，從而可以調(diào)查分離株的流行病學(xué)、耐藥性和毒力因素。”
　　正如作者解釋的那樣，“我們的研究計(jì)劃是一種相對(duì)廉價(jià)和強(qiáng)大的工具，用于從LMI國(guó)家生成細(xì)菌基因組數(shù)據(jù)，允許對(duì)分離株的流行病學(xué)、耐藥性和毒力因素進(jìn)行調(diào)查……未來(lái)，該方法將促進(jìn)快速、低成本、以及細(xì)菌病原體的協(xié)同基因組測(cè)序。我們協(xié)調(diào)一致的做法表明了真正全球合作的價(jià)值，并可能有助于今后對(duì)國(guó)際流行病或大流行病的調(diào)查。”