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简单读懂微生物基因组的泛基因组学
本文转载自“美吉生物”，己获授权。
2005年美国科学家Tettelin在对B群链球菌的研究中首次提出泛基因组的概念，指出不同细菌的株系之间存在明显的差异，单一菌株的遗传信息并不能完整代表该种所有的遗传信息。细菌泛基因组分析可以全面地对细菌种内遗传多样性进行研究，探究不同个体间的进化关系，对重要毒力因子的发现、新疫苗设计等具有重要的应用价值。
泛基因组可分为3部分，核心基因组 （core genes ），附属基因组（accessory genes）以及特有基因 （specific genes）。核心基因组即所有菌株共有的基因，这些基因参与基础生物学过程，如基因表达、能量产生、氨基酸代谢等。附属基因指存在于部分菌株中的基因，这些基因与物种的多样性有关，赋予个体竞争优势。特有基因只存在于某一菌株中，这些基因一般是通过基因水平转移（HGT）而来，通常与该菌株的独特表型特征有关，如对特定环境的适应性，或独特的致病性等。
下面来分享一篇最近发表的利用泛基因组研究不同肺炎链球菌种群的泛基因组和核心基因组异质性的文献 ：Heterogeneity among estimates of the core genome and pan-genome in different pneumococcal populations。
作者研究了来自全球四个地区（Reykjavik、South ampton、Boston、Maela）健康个体的3121株肺炎球菌。
Reykjavik (n = 1,059), Southampton (n = 1,052 )，Boston (n =1,029), 这3个地区的核心基因组数目相似，Maela 的核心基因数目仅394 个。但4组核心基因组的COG功能分布相似：占比最高的是未知功能基因（21.7-24.1%），依次是翻译，核糖体结构和生物合成（11.9-15.7%），氨基酸转运和代谢（7.1-8.6%），转录（6.7-7.9%）。
超级核心基因组和必需基因
3121株肺炎球菌的超级核心基因组包含303个基因，另外有461个基因是Reykjavik ，Southampton 和Boston共有的。早期的研究发现生存必需的基因为397个，而在超级核心基因组中只发现127个，主要参与细胞基础功能。
超级核心基因组系统进化树构建
根据MLST对303个超级核心基因构建系统进化树。
泛基因组比较
对4个地域的肺炎球菌种群进行泛基因组比较 ，Reykjavik, Southampton, Boston 三个种群的泛基因组包含7277-7425个基因，而Maela的泛基因组含15751个基因。4个种群的泛基因组均为开放型。三个种群的特有基因数目也非常相近，分别为Reykjavik (n = 754), Southampton (n = 587) and Boston (n = 652)，而Maela种群的特有基因数目为3668 。
Maela泛基因组中特有的长基因片段
在Maela 3668个特有基因中发现了一些可能来自非肺炎链球菌及Filofactor alocis ATCC35896的含转座单元的片段。
结论
同种内不同菌群的核心基因组和泛基因组具有高度异质性。将数据从单个种群推广到大范围种群时需慎重。
参考文献：
1. van Tonder A J, Bray J E, Jolley K A, et al. Heterogeneity Among Estimates Of The Core Genome And Pan-Genome In Different Pneumococcal Populations[J]. bioRxiv, 2017: 133991.
2. Yang X, Li Y, Zang J, et al. Analysis of pan-genome to identify the core genes and essential genes of Brucella spp[J]. Molecular genetics and genomics, 2016, 291(2): 905-912.
3. Chan A P, Sutton G, DePew J, et al. A novel method of consensus pan-chromosome assembly and large-scale comparative analysis reveal the highly flexible pan-genome of Acinetobacter baumannii[J]. Genome biology, 2015, 16(1): 143.
4. Sternes P R, Borneman A R. Consensus pan-genome assembly of the specialised wine bacterium Oenococcus oeni[J]. BMC genomics, 2016, 17(1): 308.
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