結核分枝桿菌優勢亞型的高致病性進化機制研究

《結核分枝桿菌優勢亞型的高致病性進化機制研究》是依託復旦大學，由高謙擔任項目負責人的重大研究計畫。

基本介紹

• 中文名：結核分枝桿菌優勢亞型的高致病性進化機制研究
• 依託單位：復旦大學
• 項目類別：重大研究計畫
• 項目負責人：高謙

項目摘要

結核分枝桿菌伴隨人類已有7萬年曆史，在與人類的長期共進化過程中分化為多個亞型。我們的前期工作發現在我國廣泛流行的優勢亞型菌株所具有的高致病性是成功適應人口密度增長這一自然環境改變的結果；同時鑑定出優勢亞型為適應宿主體內複雜環境所積累的特有遺傳突變，但僅從基因組序列改變很難闡明其機制。由遺傳突變導致的不同層次的基因調控網路變化是細菌調控自身以適應環境的重要機制之一。因此我們提出“基因調控網路的改變或重塑是結核菌優勢亞型高致病性的遺傳基礎”的科學假設。本研究擬利用基因組學、轉錄組學、蛋白組學和、生物信息學等方法探討優勢亞型特有遺傳突變及其導致的基因調控網路改變與高致病性的關係，闡明其在進化過程中產生高致病性的生物學機制。本研究成果將豐富和完善微進化過程中多基因相互作用機制的理論；揭示結核菌進化中的關鍵遺傳變異所調控的網路功能，為新藥和疫苗的研發提供理論指導。

結題摘要

在過去的3年裡，我們按照申請書的計畫開展的相關的研究工作，對結核分枝桿菌現代型北京基因型（即優勢亞型）菌株高致病性的分子機制進行了初步探索，我們不僅研究了其特異性的遺傳突變和表達譜特徵；同時，分析了優勢亞型菌株的細胞壁脂質成分，以及其感染宿主細胞後引起宿主免疫應答的特異性反應（主要是多種細胞因子的應答），從多個角度描述優勢亞型菌株及其導致的宿主表型差異，為從分子機制上闡明其高致病性的原因奠定了基礎。在基金的資助下，我們還研究了結核分枝桿菌在中國的起源和擴張歷史，以及結核分枝桿菌在患者體內耐藥微進化的機制並獲得了較好的成果。我們通過對中國31個省76個研究現場來源的4578株結核菌株進行基因分型和測序，並整合51個國家地區的15591株結核菌基因組數據進行遺傳分析，結果發現千年前4個祖先菌株造成中國現今結核病疫情，中國的結核病高負擔並非是近幾十年人口數量增長、城鎮化比例增加和人群流動增加等因素所致，而是“歷史遺留”問題，早在幾百年前就已形成。通過基因分型區分出本土菌株與外來菌株，對於監測不同亞型菌株的流行趨勢以及結核病的疫情防控尤其具有重要意義。該研究成果2018年發表在“Nature Ecology & Evolution”上。我們也對病人體內結核菌的耐藥微進化進行了深入研究。該研究利用超深度全基因組測序技術，對 12例結核患者在不同治療時間點，其體內結核菌群體中頻率在1.5%以上的基因突變進行檢測並追蹤其動態變化。研究發現，體內結核菌群體中存在大量的低頻突變，其中一些成為耐藥突變的來源。在治療過程中，“有效的多藥聯用”表現為對低頻突變強烈的純化選擇，沒有對耐藥突變的篩選；而在“非有效多藥聯用”下，表現為對耐藥突變的顯著富集、連續篩選、以及由低濃度向高濃度耐藥進化等。該研究結果表明在結核病治療中，基於及時、準確的藥敏結果制定治療方案對於提高治癒率、減少耐藥產生具有十分重要的意義。該研究成果與2017年發表在《Genome Biology》上。