Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Phát hiện chính xác, nhanh chóng và với thể tích lớn các đa hình đặc trưng cho các chủng Bacillus anthracis và Yersinia pestis bằng phương pháp giải trình tự thế hệ tiếp theo
Tóm tắt
Trong trường hợp xảy ra tội phạm sinh học hoặc bùng phát dịch bệnh truyền nhiễm, việc xác định đặc trưng gen rõ nét để nhận diện tác nhân và gán nó cho một nguồn cụ thể có thể rất quan trọng cho một phản ứng hiệu quả. Cho đến gần đây, việc xác định đặc trưng gen sâu sắc yêu cầu phải sử dụng phương pháp giải trình tự Sanger tốn kém và mất thời gian cho một vài chủng, tiếp theo là phân loại gen của một số lượng nhỏ các điểm đánh dấu trong một bảng các chủng tại hoặc bằng các phương pháp dựa trên gel như điện di gel trường xung, điều này tất yếu sẽ bỏ qua hầu hết bộ gen. Công nghệ giải trình tự thế hệ tiếp theo, giải trình tự song song lớn (MPS) (cụ thể là hệ thống giải trình tự SOLiD™ của Applied Biosystems) là một công cụ điều tra mạnh mẽ cho việc xác định đặc trưng bộ gen vi sinh vật hiệu quả về chi phí và nhanh chóng. Để chứng minh tính tiện ích của MPS cho việc phân loại bộ gen toàn bộ của các tác nhân độc hại đơn hình, bốn chủng Bacillus anthracis và bốn chủng Yersinia pestis đã được giải trình tự song song. Các đoạn đọc đã được căn chỉnh với các bộ gen tham chiếu hoàn chỉnh, và các biến thể di truyền đã được xác định. Việc giải trình tự lại chủng tổ tiên B. anthracis Ames không phát hiện bất kỳ đa hình nucleotide đơn lẻ (SNP) dương tính giả nào, và việc ánh xạ các đoạn đọc đến chủng Sterne đã xác định chính xác 98% trong số 133 SNP không tập trung hoặc không liên quan đến các lặp lại. Ba chủng B. anthracis khác nhau về mặt địa lý từ nhánh A đã được phát hiện có từ 352 đến 471 SNP mỗi chủng, so với bộ gen Ames, và một chủng đã chứa một sự khuếch đại di truyền. Việc giải trình tự bốn chủng Y. pestis từ nhánh Orientalis đã xác định từ 20 đến 54 SNP mỗi chủng so với bộ gen CO92, với mẫu đơn Bolivian có khoảng gấp đôi số lượng SNP so với ba chủng Bắc Mỹ có quan hệ gần gũi hơn. Đồ thị độ phủ cũng tiết lộ một sự thiếu hụt chung ở hai chủng và một sự khuếch đại ở chủng Bolivian mà dường như là do sự kiện tái tổ hợp do yếu tố chèn gây ra. Hầu hết các SNP riêng lẻ (tức là, một biến thể chỉ có trong một chủng duy nhất trong tập này) được chọn để xác thực bằng giải trình tự Sanger đã được xác nhận, mặc dù một vài SNP dương tính giả hiếm gặp có liên quan đến các lặp lại nucleotide biến đổi. Khả năng qua đêm, đa dạng và độ chính xác cao của hệ thống này làm cho nó phù hợp để phân loại nhanh chóng bộ gen toàn bộ các tác nhân vi sinh trong quá trình điều tra pháp y hoặc dịch tễ học. Bằng cách kiểm tra gần như mọi gốc của bộ gen, các đa hình hiếm có thể được phát hiện đáng tin cậy, từ đó tạo điều kiện cho việc theo dõi chủng với độ phân giải cao và củng cố việc gán ghép pháp y.
Từ khóa
#Bacillus anthracis #Yersinia pestis #giải trình tự thế hệ tiếp theo #đa hình gen #phân loại chủng #phát hiện tội phạm sinh họcTài liệu tham khảo
Budowle B, Schutzer SE, Ascher MS, Atlas RM, Burans JP, Chakraborty R, Dunn JJ, Fraser CM, Franz DR, Leighton TJ, Morse SA, Murch RS, Ravel J, Rock DL, Slezak TR, Velsko SP, Walsh AC, Walters RA: Toward a system of microbial forensics: from sample collection to interpretation of evidence. Appl Environ Microbiol. 2005, 71: 2209-2213. 10.1128/AEM.71.5.2209-2213.2005.
Cummings CA, Relman DA: Genomics and microbiology. Microbial forensics--"cross-examining pathogens". Science. 2002, 296: 1976-1979. 10.1126/science.1073125.
Amerithrax Investigation Court Documents. [http://www.fbi.gov/page2/august08/amerithrax_docs080608.html]
Ravel J, Jiang L, Stanley ST, Wilson MR, Decker RS, Read TD, Worsham P, Keim PS, Salzberg SL, Fraser-Liggett CM, Rasko D: The complete genome sequence of Bacillus anthracis Ames "Ancestor". J Bacteriol. 2009, 191: 445-446. 10.1128/JB.01347-08.
Read TD, Peterson SN, Tourasse N, Baillie LW, Paulsen IT, Nelson KE, Tettelin H, Fouts DE, Eisen JA, Gill SR: The genome sequence of Bacillus anthracis Ames and comparison to closely related bacteria. Nature. 2003, 423: 81-86. 10.1038/nature01586.
Read TD, Salzberg SL, Pop M, Shumway M, Umayam L, Jiang L, Holtzapple E, Busch JD, Smith KL, Schupp JM, Solomon D, Keim P, Fraser CM: Comparative genome sequencing for discovery of novel polymorphisms in Bacillus anthracis. Science. 2002, 296: 2028-2033. 10.1126/science.1071837.
Schutzer SE, Keim P, Czerwinski K, Budowle B: Use of forensic methods under exigent circumstances without full validation. Sci Transl Med. 2009, 1: 8cm7-
MacLean D, Jones JD, Studholme DJ: Application of 'next-generation' sequencing technologies to microbial genetics. Nat Rev Microbiol. 2009, 7: 287-296.
Mardis ER: The impact of next-generation sequencing technology on genetics. Trends Genet. 2008, 24: 133-141.
Keim P, Price LB, Klevytska AM, Smith KL, Schupp JM, Okinaka R, Jackson PJ, Hugh-Jones ME: Multiple-locus variable-number tandem repeat analysis reveals genetic relationships within Bacillus anthracis. J Bacteriol. 2000, 182: 2928-2936. 10.1128/JB.182.10.2928-2936.2000.
Keim P, Van Ert MN, Pearson T, Vogler AJ, Huynh LY, Wagner DM: Anthrax molecular epidemiology and forensics: using the appropriate marker for different evolutionary scales. Infect Genet Evol. 2004, 4: 205-213. 10.1016/j.meegid.2004.02.005.
Pearson T, Busch JD, Ravel J, Read TD, Rhoton SD, U'Ren JM, Simonson TS, Kachur SM, Leadem RR, Cardon ML, Van Ert MN, Huynh LY, Fraser CM, Keim P: Phylogenetic discovery bias in Bacillus anthracis using single-nucleotide polymorphisms from whole-genome sequencing. Proc Natl Acad Sci USA. 2004, 101: 13536-13541. 10.1073/pnas.0403844101.
Van Ert MN, Easterday WR, Huynh LY, Okinaka RT, Hugh-Jones ME, Ravel J, Zanecki SR, Pearson T, Simonson TS, U'Ren JM, Kachur SM, Leadem-Dougherty RR, Rhoton SD, Zinser G, Farlow J, Coker PR, Smith KL, Wang B, Kenefic LJ, Fraser-Liggett CM, Wagner DM, Keim P: Global genetic population structure of Bacillus anthracis. PLoS One. 2007, 2: e461-10.1371/journal.pone.0000461.
Hinchliffe SJ, Isherwood KE, Stabler RA, Prentice MB, Rakin A, Nichols RA, Oyston PC, Hinds J, Titball RW, Wren BW: Application of DNA microarrays to study the evolutionary genomics of Yersinia pestis and Yersinia pseudotuberculosi s. Genome Res. 2003, 13: 2018-2029. 10.1101/gr.1507303.
Fetherston JD, Schuetze P, Perry RD: Loss of the pigmentation phenotype in Yersinia pestis is due to the spontaneous deletion of 102 kb of chromosomal DNA which is flanked by a repetitive element. Mol Microbiol. 1992, 6: 2693-2704. 10.1111/j.1365-2958.1992.tb01446.x.
Fetherston JD, Perry RD: The pigmentation locus of Yersinia pestis KIM6+ is flanked by an insertion sequence and includes the structural genes for pesticin sensitivity and HMWP2. Mol Microbiol. 1994, 13: 697-708. 10.1111/j.1365-2958.1994.tb00463.x.
Buchrieser C, Prentice M, Carniel E: The 102-kilobase unstable region of Yersinia pestis comprises a high-pathogenicity island linked to a pigmentation segment which undergoes internal rearrangement. J Bacteriol. 1998, 180: 2321-2329.
Pearson T, Okinaka RT, Foster JT, Keim P: Phylogenetic understanding of clonal populations in an era of whole genome sequencing. Infect Genet Evol. 2009, 9: 1010-9. 10.1016/j.meegid.2009.05.014.
Van Ert MN, Easterday WR, Simonson TS, U'Ren JM, Pearson T, Kenefic LJ, Busch JD, Huynh LY, Dukerich M, Trim CB, Beaudry J, Welty-Bernard A, Read T, Fraser CM, Ravel J, Keim P: Strain-specific single-nucleotide polymorphism assays for the Bacillus anthracis Ames strain. J Clin Microbiol. 2007, 45: 47-53. 10.1128/JCM.01233-06.
Achtman M: Age, descent and genetic diversity within Yersinia pestis. Yersinia: Molecular and Cellular Biology. Edited by: Carniel E, Hinnebusch BJ. 2004, Norwich, UK: Horizon Bioscience, 432-
Achtman M, Zurth K, Morelli G, Torrea G, Guiyoule A, Carniel E: Yersinia pestis, the cause of plague, is a recently emerged clone of Yersinia pseudotuberculosis. Proc Natl Acad Sci USA. 1999, 96: 14043-14048. 10.1073/pnas.96.24.14043.
Keim PS, Wagner DM: Humans and evolutionary and ecological forces shaped the phylogeography of recently emerged diseases. Nat Rev Microbiol. 2009, 7: 813-821. 10.1038/nrmicro2219.
Vogler AJ, Driebe EM, Lee J, Auerbach RK, Allender CJ, Stanley M, Kubota K, Andersen GL, Radnedge L, Worsham PL, Keim P, Wagner DM: Assays for the rapid and specific identification of North American Yersinia pestis and the common laboratory strain CO92. Biotechniques. 2008, 44: 10.2144/000112815. 201, 203-204, 207
Auerbach RK, Tuanyok A, Probert WS, Kenefic L, Vogler AJ, Bruce DC, Munk C, Brettin TS, Eppinger M, Ravel J, Wagner DM, Keim P: Yersinia pestis evolution on a small timescale: comparison of whole genome sequences from North America. PLoS One. 2007, 2: e770-10.1371/journal.pone.0000770.
Touchman JW, Wagner DM, Hao J, Mastrian SD, Shah MK, Vogler AJ, Allender CJ, Clark EA, Benitez DS, Youngkin DJ, Girard JM, Auerbach RK, Beckstrom-Sternberg SM, Keim P: A North American Yersinia pestis draft genome sequence: SNPs and phylogenetic analysis. PLoS One. 2007, 2: e220-10.1371/journal.pone.0000220.
Barrick JE, Yu DS, Yoon SH, Jeong H, Oh TK, Schneider D, Lenski RE, Kim JF: Genome evolution and adaptation in a long-term experiment with Escherichia coli. Nature. 2009, 461: 1243-1247. 10.1038/nature08480.
La Scola B, Elkarkouri K, Li W, Wahab T, Fournous G, Rolain JM, Biswas S, Drancourt M, Robert C, Audic S, Löfdahl S, Raoult D: Rapid comparative genomic analysis for clinical microbiology: the Francisella tularensis paradigm. Genome Res. 2008, 18: 742-750. 10.1101/gr.071266.107.
Holt KE, Parkhill J, Mazzoni CJ, Roumagnac P, Weill FX, Goodhead I, Rance R, Baker S, Maskell DJ, Wain J, Dolecek C, Achtman M, Dougan G: High-throughput sequencing provides insights into genome variation and evolution in Salmonella Typhi. Nat Genet. 2008, 40: 987-993. 10.1038/ng.195.
Barrick JE, Lenski RE: Genome-wide Mutational Diversity in an Evolving Population of Escherichia coli. Cold Spring Harb Symp Quant Biol. 2009,
Holt KE, Teo YY, Li H, Nair S, Dougan G, Wain J, Parkhill J: Detecting SNPs and estimating allele frequencies in clonal bacterial populations by sequencing pooled DNA. Bioinformatics. 2009, 25: 2074-2075. 10.1093/bioinformatics/btp344.
Smith DR, Quinlan AR, Peckham HE, Makowsky K, Tao W, Woolf B, Shen L, Donahue WF, Tusneem N, Stromberg MP, Stewart DA, Zhang L, Ranade SS, Warner JB, Lee CC, Coleman BE, Zhang Z, McLaughlin SF, Malek JA, Sorenson JM, Blanchard AP, Chapman J, Hillman D, Chen F, Rokhsar DS, McKernan KJ, Jeffries TW, Marth GT, Richardson PM: Rapid whole-genome mutational profiling using next-generation sequencing technologies. Genome Res. 2008, 18: 1638-1642. 10.1101/gr.077776.108.
Okinaka RT, Henrie M, Hill KK, Lowery KS, Van Ert M, Pearson T, Schupp J, Kenefic L, Beaudry J, Hofstadler SA, Jackson PJ, Keim P: Single nucleotide polymorphism typing of Bacillus anthracis from Sverdlovsk tissue. Emerg Infect Dis. 2008, 14: 653-656. 10.3201/eid1404.070984.
Kenefic LJ, Beaudry J, Trim C, Daly R, Parmar R, Zanecki S, Huynh L, Van Ert MN, Wagner DM, Graham T, Keim P: High resolution genotyping of Bacillus anthracis outbreak strains using four highly mutable single nucleotide repeat markers. Lett Appl Microbiol. 2008, 46: 600-603. 10.1111/j.1472-765X.2008.02353.x.
Kurtz S, Phillippy A, Delcher AL, Smoot M, Shumway M, Antonescu C, Salzberg SL: Versatile and open software for comparing large genomes. Genome Biol. 2004, 5: R12-10.1186/gb-2004-5-2-r12.
Livak KJ, Schmittgen TD: Analysis of relative gene expression data using real-time quantitative PCR and the 2ΔΔCt Method. Methods. 2001, 25: 402-408. 10.1006/meth.2001.1262.