比较基因组学分析是一种常见且有用的生物信息学方法，用于揭示菌株及其起源之间的联系，增加对基因组学水平上生态位驱动适应机制的理解。研究菌株特异性遗传和代谢机制有助于了解微生物适应不同环境，特异性基因的获取和缺失可能在该物种的菌株分化过程中发挥了关键作用。
细菌比较基因组学研究通过比较不同基因组间的差异性与相似性，进而深入研究差异性和相似性的分子机理，最终与细菌的表型特征联系起来，比较基因组学主要应用于以下个方面：
● 鉴定可能具有某种特定功能的基因
● 揭示物种进化关系
● 基因起源和功能研究
● 疾病基因克隆和疾病机制研究
● 基因水平转移分子证据
● 目标基因或基因组的遗传多样性研究
功能基因注释+比较基因组分析揭示：空间站新型细菌对空间条件的适应机制
标 题：Adaptation to space conditions of novel bacterial species isolated from the International Space Station revealed by functional gene annotations and comparative genome analysis
发表期刊：Microbiome
影响因子：13.8
发表时间：2024年10月
国际空间站 (ISS) 的极端环境对微生物施加了选择压力，这些微生物是在其作为低轨道科学平台和人类栖息地的20多年服务期间被无意引入地。这种压力导致微生物发展出在地球上的亲属中没有发现的新功能，使它们能够适应不利条件。在本研究中，研究员对五种新发现的革兰氏阳性菌的基因组进行了功能注释，其中四种不形成孢子，一种形成孢子，均从国际空间站分离出来。使用基于深度学习的工具 deepFRI，对所有研究物种中近 100% 的蛋白质编码基因进行功能注释。比较基因组分析强调了这五个物种的共同特征以及这些国际空间站微生物独有的特定遗传特征。蛋白质组分析反映了这些基因组模式，揭示了相似的特征。共同的注释表明了对太空生活的适应，包括通过机械敏感通道蛋白管理与微重力相关的低渗应激、增强 DNA 修复活性以抵消辐射暴露增加以及存在增强新陈代谢的移动遗传元素。此外，研究结果表明某些遗传特征的进化表明了潜在的致病能力，例如小分子、肽合成以及ATP依赖性转运蛋白。这些特性是国际空间站微生物所独有的，这进一步证实了之前的研究，解释了为什么暴露在太空条件下的微生物会表现出增强的抗生素耐药性和致病性。
综上，从国际空间站分离出来的微生物已经适应了太空生活。机械敏感通道蛋白、DNA修复活性增强以及金属肽酶和新型S层氧化还原酶等证据表明，这些不同的微生物之间存在趋同适应，可能在微生物群落的背景下相互补充。促进适应国际空间站环境的共同基因可能使未来空间任务所需的基本生物分子得以生物生产，或者如果这些微生物构成健康风险，则可作为潜在的药物靶标。
图1：所有国际空间站物种中常见的注释概述
图2：国际空间站细菌物种特有的注释概况
图3：不同蛋白质家族中空间站物种突变富集的比较
图4：不同物种的太空生活适应性相关基因统计热图
比较基因组学视角下三种大肠杆菌噬菌体对耐药细菌的作用研究
标题：Characterization and comparative genomic analysis of three virulent E. coli bacteriophages with the potential to reduce antibiotic-resistant bacteria in the environment
发表期刊：International journal of molecular sciences
影响因子：4.556
发表时间：2023年3月
正在发生的抗生素耐药性全球危机需要新的替代抗菌药物解决方案。尽管噬菌体用于对抗细菌感染已有一个多世纪的历史，但最近发现噬菌体研究出现了巨大的增长。在现代噬菌体应用的开发中，科学原理是必要的，并且需要对新分离的噬菌体进行详细研究。研究员从波兰养猪场的样本中分离出17种大肠杆菌特异性噬菌体。使用抗生素耐药性特征不明确的细菌宿主分离噬菌体，并且随后针对从养猪场分离出的104株 ESBL/AmpC 大肠杆菌菌株和从火鸡农场分离出的51株 ESBL/AmpC 大肠杆菌菌株测试其活性。这些菌株是从德国的养殖场分离出来的，并通过实时PCR确认了 β-内酰胺酶基因 blaCTX、blaTEM、blaSHV 和 CIT 型 AmpC（例如 CMY-2）的存在。对病毒池裂解效果的分析表明，噬菌体BF9、BF15和BF17可以同时作为噬菌体混合物使用，以有效控制耐药大肠杆菌。
本文通过基因组注释并根据其生物学特性对噬菌体 BF9、BF15 和 BF17 进行了详细的表征分析，它们对能生产超广谱 β-内酰胺酶 (ESBL) 和 AmpC β-内酰胺酶 (AmpC) 的大肠杆菌具有溶解活性，近几十年来，这种大肠杆菌在牲畜中的流行率显著增加，对食品安全和公共健康构成了巨大危害。比较基因组和系统发育分析研究表明，BF9、BF15 和 BF17噬菌体分别隶属于Dhillonvirus、Tequatrovirus 和 Asteriusvirus 属。这三种噬菌体在较宽的温度（- 20-40℃）和pH（5-9）条件范围内预孵育后，均显著降低了其细菌宿主的体外生长，并保持了裂解细菌的能力。研究结果表明 BF9、BF15 和 BF17 具有裂解性质，再加上缺乏编码毒素和细菌毒力因子的基因，在未来的噬菌体应用中具有无可置疑的优势。
图5 噬菌体BF9与近缘物种的比较基因组分析：系统发育树、基因组相似性热图、基因组共线性图
图6 噬菌体BF15与近缘物种的比较基因组分析：系统发育树、基因组相似性热图、基因组共线性图
图7 噬菌体BF17与近缘物种的比较基因组分析：系统发育树、基因组相似性热图、基因组共线性图
比较基因组学在云南传统发酵食品乳酸菌及植物乳杆菌中的应用研究
标 题：Biodiversity of Lactic Acid Bacteria in Traditional Fermented Foods in Yunnan Province, China, and Comparative Genomics of Lactobacillus plantarum
发表期刊：Fermentation
影响因子：3.7
发表时间：2023年4月
发酵食品的酸味、辣味、咸味、鲜味和刺激味被认为是云南菜的灵魂。在这五种味道中，酸味主要由乳酸菌 (LAB) 产生的乳酸贡献。乳酸菌是一类可以利用碳水化合物产生乳酸的无芽孢、过氧化氢酶阴性、革兰氏阳性和兼性厌氧型细菌。乳酸菌在食品发酵中起着至关重要的作用，它们可以产生各种风味活性和生物活性化合物，赋予食品独特的风味和营养价值，甚至可以延长产品的保质期。此外，在摄入足量的乳酸菌并且在宿主的肠道中稳定定植，乳酸菌可以达到改善宿主的健康的目的。总之，乳酸菌在食品加工和健康改善中起着重要作用。因此，有必要对发酵食品中的乳酸菌进行鉴定和研究。
云南发酵食品中乳酸菌的多样性缺乏大规模的系统研究。该文章对云南84个地区的638种发酵食品进行多样性分析。结果表明，不同类型发酵食品的优势菌种相差很大。此外，大多数乳酸菌更适应温度为15–20度、湿度为64–74%的地区。植物乳杆菌是所有菌株中最丰富的，并广泛分布于84个地区。从遗传学角度看，植物乳杆菌的鸟嘌呤+胞嘧啶（GC）含量为35.60% ~ 47.90%，基因组大小为2.54 Mb ~ 5.76 Mb。系统发育分析表明，植物乳杆菌的栖息地来源和地理起源对同源基因的影响较小。植物乳杆菌的遗传多样性主要体现在功能基因和碳水化合物利用方面。本研究为深入了解云南不同类型发酵食品中的微生物群提供了有价值的参考。同时，植物乳杆菌的遗传多样性研究可能有助于我们了解该物种的进化历史。
图8 54株植物乳杆菌ANI热图、54株植物乳杆菌的泛基因组和核心基因趋势
图9 54株植物乳杆菌的同源性分析及系统发育分析
图10 不同来源植物乳杆菌的COG基因分布比较
图11 植物乳杆菌碳水化合物酶相关基因比较
关于菲沙
现菲沙基因全新推出一系列细菌比较基因组生信分析服务。从太空到餐桌，深入探索微生物奥秘，助力科研人员揭开细菌基因组的神秘面纱，为微生物研究提供精准、高效的解决方案。
全基因组共线性分析
ANI平均核苷酸一致性分析
AAI平均氨基酸一致性分析
基于16s RNA基因构建进化树
基因家族聚类和共有特有基因分析
基于单拷贝核心基因构建进化树
基于全基因组变异检测分析
基因簇比较绘图
参考文献
[1]. Szydlowski L M, Bulbul A A, Simpson A C, et al. Adaptation to space conditions of novel bacterial species isolated from the International Space Station revealed by functional gene annotations and comparative genome analysis[J]. Microbiome, 2024, 12(1): 190.
[2]. Śliwka P, Weber-Dąbrowska B, Żaczek M, et al. Characterization and comparative genomic analysis of three virulent E. coli bacteriophages with the potential to reduce antibiotic-resistant bacteria in the environment[J]. International journal of molecular sciences, 2023, 24(6): 5696.
[3]. Li H, Zhu J, Xiao Y, et al. Biodiversity of lactic acid bacteria in traditional fermented foods in yunnan province, china, and comparative genomics of Lactobacillus plantarum[J]. Fermentation, 2023, 9(4): 402.
撰稿 | 王晓月
审核 | 孙可心
