结核分枝杆菌优势亚型的高致病性进化机制研究

Tuberculosis is an ancient infectious disease and caused by Mycobacterium tuberculosis (MTB), interacting with human beings for more than 70,000 years. MTB has evolved into various lineages during its long term coevolution with host. In our previous research, the predominant MTB sublineage in China with high prevalence and pathogenicity was identified, as a result of successful adaptation to the increase of human population density in Neolithic Age. Through comparative genomics analysis, we determined the genetic alterations unique to the predominant sublineage. However, it is still elusive how the genomic alterations contribute to the adaptive microevolution of MTB. The remodeling of gene regulatory network is a common mechanism by which bacterial pathogens adapt to different environments. Since the genetic specific mutations of predominant sublineage are mainly enriched in regulatory network, we hypothesize that the remodeling of gene regulatory network is the genetic basis for the increased pathogenicity of the predominant sublineage. In this project, through the approaches of genomics, transcriptomics, proteomics and, bioinformatics, we aim to investigate the mechanisms of gene regulatory network remodeling and how it contributes to the high pathogenicity. The prospective findings of this project will improve our understanding on how multiple genes interact together during the microevolution, and elucidate the key functions by which the genetic alterations play in the regulatory network. Meanwhile, the findings will also provide theoretical guidance for developing new anti-tuberculosis drugs and vaccines.

结核分枝杆菌伴随人类已有7万年历史，在与人类的长期共进化过程中分化为多个亚型。我们的前期工作发现在我国广泛流行的优势亚型菌株所具有的高致病性是成功适应人口密度增长这一自然环境改变的结果；同时鉴定出优势亚型为适应宿主体内复杂环境所积累的特有遗传突变，但仅从基因组序列改变很难阐明其机制。由遗传突变导致的不同层次的基因调控网络变化是细菌调控自身以适应环境的重要机制之一。因此我们提出“基因调控网络的改变或重塑是结核菌优势亚型高致病性的遗传基础”的科学假设。本研究拟利用基因组学、转录组学、蛋白组学和、生物信息学等方法探讨优势亚型特有遗传突变及其导致的基因调控网络改变与高致病性的关系，阐明其在进化过程中产生高致病性的生物学机制。本研究成果将丰富和完善微进化过程中多基因相互作用机制的理论；揭示结核菌进化中的关键遗传变异所调控的网络功能，为新药和疫苗的研发提供理论指导。

在过去的3年里，我们按照申请书的计划开展的相关的研究工作，对结核分枝杆菌现代型北京基因型（即优势亚型）菌株高致病性的分子机制进行了初步探索，我们不仅研究了其特异性的遗传突变和表达谱特征；同时，分析了优势亚型菌株的细胞壁脂质成分，以及其感染宿主细胞后引起宿主免疫应答的特异性反应（主要是多种细胞因子的应答），从多个角度描述优势亚型菌株及其导致的宿主表型差异，为从分子机制上阐明其高致病性的原因奠定了基础。.在基金的资助下，我们还研究了结核分枝杆菌在中国的起源和扩张历史，以及结核分枝杆菌在患者体内耐药微进化的机制并获得了较好的成果。我们通过对中国31个省76个研究现场来源的4578株结核菌株进行基因分型和测序，并整合51个国家地区的15591株结核菌基因组数据进行遗传分析，结果发现千年前4个祖先菌株造成中国现今结核病疫情，中国的结核病高负担并非是近几十年人口数量增长、城镇化比例增加和人群流动增加等因素所致，而是“历史遗留”问题，早在几百年前就已形成。通过基因分型区分出本土菌株与外来菌株，对于监测不同亚型菌株的流行趋势以及结核病的疫情防控尤其具有重要意义。该研究成果2018年发表在“Nature Ecology & Evolution”上。.我们也对病人体内结核菌的耐药微进化进行了深入研究。该研究利用超深度全基因组测序技术，对 12例结核患者在不同治疗时间点，其体内结核菌群体中频率在1.5%以上的基因突变进行检测并追踪其动态变化。研究发现，体内结核菌群体中存在大量的低频突变，其中一些成为耐药突变的来源。在治疗过程中，“有效的多药联用”表现为对低频突变强烈的纯化选择，没有对耐药突变的筛选；而在“非有效多药联用”下，表现为对耐药突变的显著富集、连续筛选、以及由低浓度向高浓度耐药进化等。该研究结果表明在结核病治疗中，基于及时、准确的药敏结果制定治疗方案对于提高治愈率、减少耐药产生具有十分重要的意义。该研究成果与2017年发表在《Genome Biology》上。