健康人群和脊椎动物肠道大肠杆菌泛基因组的研究

泛基因组（pan-genome）是一个物种所有基因的总和。随着测序技术的发展和成本的降低，基因组序列的不断丰富为泛基因组的研究提供了信息基础。本项目拟通过脊椎动物（包括健康人群）肠道大肠杆菌（Escherichia coli）的分离和全基因组序列分析，致力于肠道E.coli泛基因组的研究。依据生物信息学方法和比较基因组学研究思路，整合GenBank数据库信息，确定健康人群和脊椎动物肠道E.coli的正常谱系；界定肠道E.coli的核心基因组和特异性基因组，分离和鉴定新的功能基因；采用进化分析策略，确立肠道E. coli和宿主的共进化模型；最后，应用web2.0技术建立肠道"E.coli百科"数据库EcoliPedia，实现信息实时共享和协作。本项目的研究有望探明肠道E.coli结构，阐明其核心和特异性功能，揭示肠道E.coli与宿主的共进化进程。

本项目对脊椎动物和健康人群来源的肠道E. coli的泛基因组进行了研究，选取了来源于澳大利亚、墨西哥、美国、非洲及中国等地，城市、家养、动物园、城市近郊和野外生境的50种宿主粪便的E. coli菌株，宿主类型有爬行类、鸟类、哺乳类（包括有甲目、奇蹄目、食肉目、翼手目、有袋目、单孔目、偶蹄目、啮齿目和灵长目），宿主食性多样，包括有草食、谷食、杂食、肉食、嗜血、虫食和蜜食等。本项目完成了66株E. coli的全基因组测序、拼接和基因注释。其中1株由SOLiD 测序仪测序完成，19株由Illumina GAII测序仪测序完成，46株由Illumina Hiseq测序系统完成。 . 基于45株肠道E. coli的泛基因组分析，得到同源基因家族共24452个，菌株共有核心基因2462个，功能涉及氨基酸转运和代谢、能量产生和转化、碳水化合物转运和代谢、无机离子转运等，是维持细菌生存和参与物质和能量代谢的基本功能。基于 45 菌株全基因组序列和 16S rDNA序列构建系统发育树，结果显示，野外生境来源的同一地理位置的脊椎动物的肠道E. coli在进化树上趋向于同一分支，其中，取样地理位置相对隔离的澳大利亚最为明显。但是，分类等级相近宿主的E. coli并没有明显倾向于近的进化分支。同时，随着与人类聚居环境距离的接近，脊椎动物肠道E. coli在进化树上的分布趋于分散，没有明显规律。基于宿主食性分组的E. coli泛基因组代谢通路分析显示，肠道E. coli与宿主食性具有显著的关联。其中，草食性动物的肠道E. coli基因参与碳水化合物转运和代谢的丰度高，肉食性宿主来源的菌株则偏向于氨基酸和脂肪酸等，蜜食性和嗜血性宿主的肠道E. coli基因代谢通路分别与草食性和肉食性来源的菌株相近。虫食性、杂食性和谷食性动物因为食性复杂，在糖类、氨基酸、脂肪酸等代谢中都有高的基因丰度，界于草食组和肉食组之间。基于以上分析结果，肠道 E. coli的基因组进化受大环境和小环境协同影响，其中宿主的生境和地理来源是决定其肠道E. coli基因组进化的首要因子，宿主不同食性构成的小环境是地理和生境之外的次要影响因子。