人才强校 | 胡永飞教授团队在产气荚膜梭菌基因组学分析和潜在治疗策略研究中取得重要进展
本网讯 近日，我校动物科技学院胡永飞教授团队与中国兽医药品监察所合作在欧洲微生物学会微生物基因组学专业期刊Microbial Genomics杂志发表了题为“Phylogenetic and genomic analysis reveals high genomic openness and genetic diversity of Clostridium perfringens”的研究论文。本研究通过对产气荚膜梭菌进行比较基因组分析揭示了其基因组开放性和遗传多样性的原因。同时，该研究也对产气荚膜梭菌的起源、进化，基因组特点，毒力基因和耐药基因谱等进行了系统分析和深入挖掘。该研究是目前为止国际上对产气荚膜梭菌最大规模的比较基因组分析。
产气荚膜梭菌是一种广泛存在于自然环境、动物和人体肠道中的革兰氏阳性条件致病菌。该菌不仅能够导致人类气性坏疽、食物中毒、肠胃疾病和肝肾损伤，而且可以导致畜禽坏疽性皮炎、肠毒素血症和坏死性肠炎。据估计，在家禽养殖业，全球范围内每年仅因坏死性肠炎而导致的经济损失高达60亿美元。深入揭示产气荚膜梭菌的基因组学特征对于促进人类健康和家禽产业的发展具有重要的理论和现实意义。
本研究对分离自1937年至2018年的代表性产气荚膜梭菌基因组进行了高通量测序，菌株来源于至少14种动物宿主以及人体和环境样本。结合目前全球已知的所有产气荚膜梭菌基因组进行比较分析发现：（1）产气荚膜梭菌可以划分成5个谱系，其最早分化时间推测距今约80000年，起源于亚洲地区；（2）研究首次提出微生物基因组的“开放性指数（openness index）”，并证明产气荚膜梭菌基因组的开放程度很高，这种开放程度与其基因组的GC含量和16S rRNA基因的拷贝数量密切相关（图1）；（3）产气荚膜梭菌普遍缺乏CRISPR系统使得噬菌体介导的水平基因转移事件频繁发生，特别是毒素基因的传播；（4）与菌株分型相关的毒素基因的保守性确保了目前分型方法的准确性并暗示毒素基因对于其生存的重要意义；（5）产气荚膜梭菌可能与链球菌和葡萄球菌之间频繁交换耐药基因；（6）虽然产气荚膜梭菌携带的毒力因子的数量相对稳定，但其耐药基因的数量随着时间的推移而不断增加。
图1 产气荚膜梭菌基因组的开放性。（a，b）核心基因组的比例和数量；（c）不同细菌的基因组开放性比较分析；（d）基因组开放性和GC含量和16S rRNA的拷贝数的相关性分析。
该研究对产气荚膜梭菌的基因组特征、遗传多样性、毒力及耐药基因进化等提供了新的见解。我校动物科技学院胡永飞教授为论文通讯作者；动物科技学院博士后封雨晴博士为论文第一作者，中国兽医药品检查所的范学政研究员和朱良全研究员为论文的共同第一作者。该项工作得到了国家重点研发计划（2018YFD0500505）和中国农业大学高层次引进人才科研启动经费的资助。（文章链接： https://www.microbiologyresearch.org/content/journal/mgen/10.1099/mgen.0.000441 .）
图2 产气荚膜梭菌噬菌体裂解酶的活性鉴定。毕赤酵母重组菌的发酵液上清（不同倍数稀释）对ATCC标准菌株及其它四个不同宿主来源的分离株具有良好的裂解活性。
为了解决产气荚膜梭菌的耐药性问题，并寻求新的家禽坏死性肠炎的预防和治疗策略，研究团队开展了产气荚膜梭菌噬菌体研究。从产气荚膜梭菌噬菌体基因组中发现一个新的噬菌体裂解酶基因，与所有已知基因的同源性为79%。对该基因进行了原核和真核表达，发现其对不同产气荚膜梭菌分离株具有良好的裂解活性（图2）（专利号：202010298999.8）。通过对毕赤酵母表达系统的优化及对酶分子的相应改造，显著提高了酶分子的活性和模拟条件下的体外抗性。目前实验室摇瓶发酵条件下，裂解酶产量近0.5 mg/mL，为该酶的后续应用研究奠定了重要基础。