HiC-Meta

诚如我们所知，致病菌的抗生素耐药性的迅速蔓延严重威胁着人类健康，但人们对微生物中抗生素抗性基因（ARGs）的来源及其从环境到临床的扩散过程却知之甚少。

我们知道，在单菌基因组研究中，我们可以发现一些非核基因组的（如 质粒），甚至是来源于噬菌体或其他菌种的基因组信息，这其中就可能包含有可以表达并产生耐药性的ARGs——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实现我们的研究目的——阐明自然状况下ARGs的来源和走向，帮助我们抑制致病菌耐药性的传播。

基于染色体构象捕获的HiC技术，成功实现了这一步研究的跨越——

科学家利用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，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pB0：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（A图）。此外，基于Proximity连接方法，确定了pB0：rfp质粒与此cluster之间显著强于其他cluster的相关关系（B图），明确了质粒基因组和宿主cluster的对应，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。通过两组研究中构建出的cluster进行系统发育建树，研究者确定了cluster与ARGs/plasmid之间的对应关系（下图）：如ARGs多见于变形菌纲及拟杆菌相关cluster中，并且在两组研究中都重复出现这样的规律，表明污水中的ARGs来源有特定的候选菌。此外，普氏菌和拟杆菌相关cluster中有tetQ，ermG, mefA， blaCFX，blaCBLA等基因，对应着四环素，大环内酯，林可酰胺，链霉菌的抗性等……此外，研究还对应了质粒的原声寄主范围：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）（下图B，C）。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。

为验证研究中ARGs，质粒及整合子宿主界定的准确性，研究对所有与质粒，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。

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