热带医学杂志2014年5月第l4卷第5期J Trop Med,May 2014,Vo1.14,No.5 ・・547・ 硕博专栏论著・ 高通量测序筛选结核分枝杆菌耐药株差异基因 李劭源 .-,张国良3文玉欣4毛冬婷I’2,曹开源I.2,陈心春3曾谷城1,2 (1.中山大学中山医学院微生物学教研室,广东广州510080;2.中山大学热带病防治研究教育部重点实验室,广东广 州510080;3.广东医学院附属深圳市第三人民医院肝病研究所,广东深圳518112;4.暨南大学第二临床医学院,深 l 市人民医院胸外科,广东深圳518020) 摘要:目的 比较结核分枝杆菌中敏感株、多耐药株、广泛耐药株三者间基因表达的差异,为进一步针对耐药菌株的 研究提供方向。方法从深圳市第三人民医院收集敏感株、多耐药株、广泛耐药株各1株,提取菌株RNA,然后构建 高通量测序后共得到基因3 968个。将耐药株与敏感株的基因进行比较,选取表达差 cDNA文库,使用Genome Analyzer IIx高通量测序仪进行全基因组测序,经过筛选比对后得到测序结果,再比较3个 菌株间的基因表达差异。结果异高于lO倍的基因。筛选得到多耐药株差异基因16个、广泛耐药株差异基因10个。这些表达差异基因大部分与毒 素一抗毒素系统、PE/PPE家族蛋白、金属转运蛋白相关。还在多耐药株中发现了一系列高表达的前噬菌体基因及噬菌体 整合相关的基因。结论通过高通量测序筛选得到一系列耐药株差异表达基因,为未来对耐药菌株的研究提供依据。 文献标识码:A 文章编号:1672.3619(2014)05.0547.04 关键词:结核分枝杆菌;耐药株;高通量测序 中图分类号:R378.911 Screening for diferentially expressed genes of Mycobacterium tuberculosis drug resistant strains by high・throughput sequencing LI Shao-yuan - ,ZHANG Guo—liang3,WEN Yu-xin4,MAO Dong-ting , ,CAO Kai-yuan ,。,CHEN Xin-chun ,ZENG Gu-cheng , (1.Department ofMicrobiology,Zhongshan School ofMedicine,Sun Yat—sen University,Cuangdong,Guangzhou 510080; 2.Key Laboratoryfor Trapical Diseases Control ofthe Ministry ofEducation,Sun Yat—sen University,Guangdong,Guangzhou 510080;3.ShenzhenKeyLab fIonfection andImmunity,the ThirdPeople S Hospitla ofShenzhen,GuangdongMedical College,Guangdong,Shenzhen 518112; .Department ofThoracic Surgery,the First People s Hospital ofShenzhen,Second AfilfitaedHospitalof ̄nanUniversity,Guangdong,Shenzhen518020,China) Abstract:Objective We aimed to compare the differences of gene expression levels among sensitive strain(S),multi-drug resistant strain(MDR)and extensive—drug resistant strain(XDR)and provide direction for further research of drug resistant strains.Methods S,MDR and XDR strains were collected from the Third People S Hospital of Shenzhen.RNA samples of these strains were used to construct cDNA libraries.Then the cDNA libraries were sequenced by Genome Analyzer IIx to obtain the whole transcriptome sequences.The gene expression diferences among 3 strains were compared.Results 3 968 genes were obtained after High-throughput sequencing. Gene expression levels were compared between drug resistant strains and sensitive strain.Genes which were 10 folds higher in expression levels in drug resistant strains were chosen.16 differentially expressed genes were identiifed in MDR and 10 in XDR.Most of these genes were associated with toxin—antitoxin system,PE/PPE family protein and metl taransporters.A series of PhiRv1 phage and integrating genes were also found. Conclusion We obtained a series of differentially expressed genes related to drug resistance of tuberculosis,providing proofs or ffuture research of drug resistance of Mycobacterium tuberculosis. Key words:Mycobacterium tuberculosis;drug resistant strains;high-throughput sequencing 结核分枝杆菌(Mycobacterium tuberculosis)是世 耐药菌株的出现,以及艾滋合并结核病人的增多,结 核病再度死灰复燃…。据卫生部2007—2008年的统 计数据显示,我国每年新发耐多药肺结核病例约12 万,病例数居世界首位,但是查出并接受规范治疗的 只有几千例。对公众的健康造成了严重威胁。高通量 测序能够实现大规模高通量的测序,可以在几天之 内完成一个菌株全部基因的检测,其中获得的大量 界上严重危害人类的病原体之一。结核病至20世纪 70年代一度得到抑制,发病率不断下降,其后由于 基金项目:国家自然科学基金(C080102);国家自然科学基金委员会 与美国国立卫生研究院合作研究项目(812111408) 作者简介:李劭源(1989一),男,在读硕士研究生,研究方向为结核抗 感染免疫 通讯作者:曾谷城(1981一),男,博士,副教授,研究方向为感染与免 疫,E-mail:zenggch@mail.sysu.edu.en 信息有助于加深我们对结核分枝杆菌的了解,寻找 耐药株与敏感株之间的差异[ 刮。 热带医学杂志2014年5月第l4卷第5期JTrop 丛 20 : : : 1材料与方法 I.1 菌株的收集及培养在深圳市第三人民医院 检验科收集临床菌株。采用BACTEC MGIT960快速 培养法进行痰结核分枝杆菌培养和药敏试验[引,根 据世界卫生组织的指南选出敏感株、多耐药株、广泛 耐药株各l株[5]。使用7H9液体培养基(BD公司) 37℃震荡培养21 d。 1.2菌株cDNA文库的构建培养后使用MP公司 FastRNA Pro Blue Kit提取3株菌株的RNA,然后按 照Illumina公司Epicentre small RNA cRNA sythesis kit 2.0说明书构建cDNA文库。首先分别用3 和5 接头连接到RNA片段的两端。再用随机引物和逆转 录酶将RNA片段逆转录成含接头的cDNA文库。之 后使用接头引物扩增cDNA文库。使用电泳切胶法 获取长度范围在100~300 bp的cDNA片段。 1.3 菌株高通量测序cDNA文库使用点样仪点样。 经过桥式PCR扩增后,使用Illumina公司Genome Analyzer IIx高通量测序仪进行测序。基因组的组 装、注释、筛选以及数据比对由国家人类基因组南方 研究中心完成。 1.4序列的筛选及比对测序后得到的是带有接头 的原始序列,还含有大量接头序列以及少量低质量序 列。去除接头和碱基数小于10的低质量序列之后, 再与结核标准菌株基因组Mycobacterium tuberculosis H37Rv uid57777进行比对。比对分析使用bowtie软 件.选取错配碱基数小于2的序列,保留唯一匹配的 序列进行进一步分析。 2结果 2.1基因组比对结果测序结果经筛选比对后,敏 感株、多耐药株和广泛耐药株的比配对率分别为 23%、46%和46%(表1)。根据与结核分枝杆菌全基 因组比对结果,本次测序共得到数据9 435项,包括 基因3 968项(其中rRNA 1项、tRNA 24项)、ncRNA 6项,以及基因间区5461项。基因间区是以每100bp 为一项,大于100 bp的基因间区以100 bp为单位 分割。 表1菌株测序、筛选、比对得到的read数 Tab.1 Strains read amounts after sequencing,filter and blast 项目 敏感株 多耐药株广泛耐药株 原始测序数据的reads数 14 534 365 15 343 983 13 263 6l3 过滤并除去接头后的redas数12 378 062 8 168 741 3 895 534 去除冗余序列之后的reads数7 543 606 2076 460 1 047 937 比对上TB基因组reads数 l 733 555 963 407 485 937 比配比率(%) 23 46 46 2。2耐药差异基因将广泛耐药株、多耐药株分别 与敏感株进行比较,选取耐药株表达水平高于敏感 株2倍的基因,多耐药株中发现130个基因,广泛耐 药株中发现78个基因。将筛选范围缩小为耐药菌株 与敏感株的表达差异大于l0倍,多耐药株得到基因 l6个.广泛耐药株得到基因10个(表2)。 表2耐药株差异表达基因的数量 Tab.2 The amounts of drug resistant strains diferential expression genes 在多耐药株表达量显著高于敏感株的l6个 基因中,最显著的Rv1577c表达差异达到61.40倍, 其次是Rv1584c,表达差异也达到34.00倍。经检索 NCBI数据库,Rv1577c、Rv1584c、Rv1583c、Rv1587c、 Rv1588c、Rv1585e、Rv1576c和Rv1586c都是与噬菌 体整合相关的基因,而mazE9、vapB9、vapC9是毒 素一抗毒素系统中的基因,cmtR和ctpG则与结核分 枝杆菌逃逸宿主细胞金属离子的杀伤相关(表3)。 在广泛耐药株表达量显著高于敏感株的10个 基因中,最显著的基因是vapB9,广泛耐药株与敏感 株的表达差异达到34.35倍,多耐药株与敏感株的 差异达到26.85倍。其次是vapC9,广泛耐药株、多耐 药株的表达差异分别为25.24和25.53倍。PPE12和 PE34是PE/PPE蛋白家族成员,与结核分枝杆菌的 毒力密切相关(表4)。 3讨论 本研究收集了敏感株、多耐药株和广泛耐药株, 利用Genome Analyzer IIx高通量测序仪进行测序, 测序结果通过筛选和比对后得到3个不同菌株的全 基因组序列。然后针对基因的表达量以及表达差异 的基因等方面进行分析。 我们对敏感株和耐药株表达显著差异的基因进 行分析,mazE9、vapB9、vapC9三个基因都是毒素一抗 毒素系统中的基因。毒素一抗毒素系统在细菌中广泛 存在。发挥诱导程序性细胞死亡,应激条件下介导持 留菌形成,稳定基因大片段等功能[¨]。在结核分枝杆 菌中至少有88个毒素一抗毒素基因Es]。最近的研究 揭示了这个系统可能的运作机理,vapC20能通过切 割23S核糖体RNA的Sarcin.Ricin环来抑制翻译。 细菌不能在短期内产生蛋白,因此能够逃避抗生素 对核糖体的攻击。被毒素抑制的细菌能够被抗毒素 Rv1577e Rv1584c mazE9 前噬菌体样元件 前噬菌体样元件 抗毒素 512 221 341 5 3 15 307 102 492 0 0 1 61.40 34.00 32.80 0.00 O.00 0.07 Rv1583c vapB9 vapC9 前噬菌体样元件 抗毒素 毒素 398 221 383 3 26 17 93 698 434 0 893 429 31.00 26.85 25.53 O.00 34.35 25.24 emtR etpG 金属传感转录因子 金属阳离子P型ATP转运蛋白G 356 272 151 53 3 225 1 124 3 308 826 21.36 21.21 21.91 15.58 Rv1587e hp3 部分REP13EI2重复序列 酮类酰基一CoA硫解酶 1 001 1 184 5 15 92 250 0 267 18.40 16.67 0.00 17.8O PPE12 Rv1588e Rv1585c Rv1576e mbtK PPE蛋白家族成员 部分REP13E12重复序列 前噬菌体样元件 前噬菌体样元件 赖氨酸N一乙酰基转移酶 185 515 185 515 632 159 1 2 12 270 2 419 14 28 143 3 198 2 925 15 0 2 3 200 15.21 14.00 14.00 11.92 l1.84 18.0 415.00 O.00 0.17 11.85 Rv1586e 噬菌体整合酶 1 409 14 158 2 11.29 0.14 的表达营救[8-9]。结核分枝杆菌可以通过mazE9、 vapB9、vapC9等基因参与的毒素一抗毒素系统逃避 抗生素等药物的杀伤,从而增强耐药能力。 PPE12和PE34这两个基因属于PE/PPE蛋白 家族。PE/PPE蛋白家族大约占整个结核分枝杆菌 基因组的10%El0]。PE/PPE家族的基因大部分都与 分枝杆菌的毒力相关,相当一部分PE/PPE基因在 没有毒力的分枝杆菌中是不表达的。在不同毒力 的结核分枝杆菌菌株或者不同的临床分离株中, PE/PPE基因也发生了突变In]。PPE12和PE34作为 PE/PPE家族的成员。在耐药株中高表达,可能作 为潜在的毒力因子,可以用作结核病生物标志物的 研究。 表明结核分枝杆菌能够通过表达ctpG等金属阳离 子P型ATP转运蛋白来躲避来自宿主细胞的杀伤。 在结核分枝杆菌感染后,大量锌离子内流并积累在巨 噬细胞内。与此同时,结核分枝杆菌编码的金属阳离 子P型ATP转运蛋白大量表达,通过外排重金属离 子,从而降低胞内重金属离子浓度。中和细胞对其的 毒害作用[挖]。cmtR是金属感应蛋白转录因子, 主要与结核分枝杆菌镉离子的代谢相关[13]。 在多耐药株中有一大类的高表达基因都与噬菌 体的整合相关,Rv1577e、Rv1584c、Rv1583e、Rv1585c、 Rv1576e是前噬菌体的序列,Rv1586c是噬菌体整合 酶。Rv1587c、Rv1588e为部分REP13E12重复序列, 是噬菌体插人的位点。噬菌体phiRvl能通过利用结 核分枝杆菌的整合酶,将其基因整合到细菌基因组 ctpG是金属阳离子P型ATP转运蛋白G,研究 ・550・ 热带医学杂志2014年5月第14卷第5期JTrop bled,May 2014 Vo1.14,No.5 关于对重复发表、剽窃、抄袭问题处理的声明 为维护本刊的声誉和广大读者、作者的利益,遏止学术,现将本刊对重复发表、剽窃、抄袭问题处 理的声明刊登如下: (1)本声明中所涉及的文稿指2篇文稿在文字的表达和讨论的叙述上可能存在某些不同之处。但这些文稿 的主要数据和图表是相同的。所指文稿不包括重要会议的纪要、疾病的诊断标准和防治指南、统一的实验方法、 有关组织达成的共识性文件等。(2) ̄lJ 1篇文稿以全文方式在某刊物发表,除非文种不同,否则不可再将该文投 寄给本刊。(3)凡来稿接到编辑稿件待审通知后6个月内未接到录用通知,则表明稿件仍在处理中,作者欲投他 刊,应事先与本刊联系。(4)编辑部启用一套完善的期刊文献检索系统,对预刊文章统一进行全面审核。如认为 文章有重复发表或者剽窃、抄袭嫌疑时,将认真收集相关资料并仔细核对后再通知作者。(5)重复发表或者剽 窃、抄袭行为一经证实,将在杂志显要位置刊出其作者单位、姓名、及撤消论文的通告;且该文稿第一作者所撰 写的所有文稿5年内不得在本刊发表;编辑部将就此事件向作者所在单位进行通报。 本刊编辑部