Nature子刊 宏基因组新技术捕获环境样本菌体间的基因传播

一项全球规模的抗生素研究发现，全世界数百条河流都充斥着超标的抗生素剂量——抗生素的环境污染，使得细菌对这种救命的药物产生耐药性，使其无法用于人类——这成为一场全球范围的卫生危机，细菌间抗生素耐药性的扩散已经开始对人类健康构成严重危威胁。

这些抗生素抗性从何而来，又是如何从环境扩散到临床，我们对这样的过程了解甚少

诚如我们所知，环境样本中存在着基因水平转移的过程，通俗来说，就是一个生物把基因送给了另一个生物。它们之间不需要亲缘关系（比如双亲和后代），就可以实现这样的基因传递——可能是质粒，也可能是基因片段，比如抗生素抗性基因等。如此一来，通过基因水平转移的方式，本不具有耐药性的细菌获得了耐药的新功能。

在大部分微生物类群都无法实现分离培养的复杂环境样本中，通过什么样的技术手段才能识别携带有抗生素抗性基因（ARG）的天然细菌宿主和介导这种传播的移动遗传因素，并阐明自然状况下ARGs的来源和走向，帮助人们抑制致病菌耐药性的传播？

《Nature》子刊ISME最新文章，介绍了这种新的技术——基于三维基因组原理进行环境样本中高质量基因组组装，并将质粒和抗生素抗性基因关联到宿主，研究流程如下：

利用染色体空间构象捕获，将细胞（菌体）内部核酸铆钉在一起。通过这样的方式，可以实现数据下机后，同一来源的核酸分离，再开展组装——这正是国内首推的HiC Meta技术——该研究的发表者，正是美国Phase Genomics公司技术团队。

利用HiC技术成功的将环境样本中的微生物与ARGs，质粒及整合子信息关联，科学家们成功开展环境样本中微生物的基因水平转移和共享研究：

首先，为检验HiC方法的研究效果，研究者取用环境污水（WW组）作为研究对照，在其中加入含有多种抗生素抗性基因（含pB10：rfp质粒）的大肠杆菌（EC），构筑环境污水+外源菌的实验组（WWEC组），分别采用HiC的技术手段开展研究：

组装获得大肠杆菌相关cluster四个，其中最大的cluster 4.2Mb，另有三个小的相关cluster（共计480Kb），基因组完整度达97%以上。此外，基于Proximity连接方法，确定了pB10：rfp质粒与此cluster之间显著强于其他cluster的相关关系，证实HiC方法可以用于精确确定一个自然多样性的群落中，宿主与质粒的关系。

如此一来，混杂在自然多样性样本中的微生物就可以不依赖于分离培养的手段，即可确定宿主菌和质粒，宿主菌和ARGs之间的对应关系。研究发现，在污水样本中ARG主要与γ-和β-变形菌相关簇有关（下图为WW组示意），此外在Bacteroidetes和Firmicutes中也有一些分布。但很少与放线杆菌或镰刀菌有关联。

有趣的是，无论是哪个样本组中，ARG都来源于一种水生环境常见物种Aeromonadaceae（上图A），其中有8种耐药基因。此外，Moraxellaceae和Bacteroidetes也是污水中ARGs的主要来源。

（污水样本中与Bacteroidetes（左）和Firmicutes(右)高度关联的质粒标记，整合子及ARG相关簇）

针对质粒的分布情况亦有独特发现：研究对应了质粒的原生寄主范围：有的质粒存在广泛的寄主（宽宿主范围Bhr），如ZncQ质粒；也有的仅有窄宿主范围（Nhr）（上图c，d）。验证结果发现，这一宿主范围评估与预期惊人的相似——由此可以发现，基于HiC方法，可以在动态复杂环境中确定ARGs和质粒等移动元件的宿主分类定位。

研究还对ARGs，质粒及整合子宿主界定的准确性进行了验证，对所有与质粒，整合子，ARGs相关contigs进行了分类。下图结果显示，与这些基因和可移动元件相关的contigs的宿主分类与ProxiMeta的结果高度一致（下图）。

这种不基于微生物分离培养既可以获得自然微生态样本中基因和可移动元件的原生宿主的方法，可以拓展应用于其他复杂群体的可移动元件分析中，填补我们在研究自然环境下基因水平转移领域的重要空白。