王曉冰

隨著基因組測(cè)序技術(shù)的發(fā)展，研究人員已經(jīng)能對(duì)所有生物的基因組進(jìn)行測(cè)序，并且時(shí)間大大縮短。因此，現(xiàn)在研究人員可以對(duì)一名病人身上提取到的細(xì)菌或病毒進(jìn)行全基因組測(cè)序，從而根據(jù)基因組測(cè)序的信息來防治某種病菌引起的疾病，或防御由微生物引起的生物恐怖襲擊。所以，2011年12月23日出版的美國(guó)《科學(xué)》雜志評(píng)出的2012年最值得關(guān)注的6項(xiàng)科研領(lǐng)域中，基因組流行病學(xué)是其中一項(xiàng)。

微生物基因組測(cè)序的開端

對(duì)細(xì)菌的基因組測(cè)序首先要追溯到美國(guó)2001年發(fā)生9·11襲擊之前遭受的郵件寄送炭疽桿菌的生物恐怖襲擊。2001年，美國(guó)政府進(jìn)行了一項(xiàng)前所未有的努力，召集研究人員對(duì)炭疽桿菌進(jìn)行全基因組測(cè)序，因?yàn)橐幌盗朽]件寄送的炭疽桿菌已導(dǎo)致了5人死亡，也在美國(guó)全境造成了恐慌。

當(dāng)時(shí)，研究人員和美國(guó)安全部門認(rèn)為，要防范生物武器的攻擊，就有必要了解作為生物武器的微生物的毒理作用，也因此有必要知道用來作為恐怖攻擊武器的炭疽桿菌的全基因組序列。結(jié)果，研究人員的測(cè)序表明，炭疽桿菌的基因組有520萬(wàn)個(gè)堿基對(duì)。由美國(guó)聯(lián)邦調(diào)查局(FBI)招募的對(duì)炭疽桿菌進(jìn)行基因組測(cè)序的專家之一、美國(guó)北亞利桑那大學(xué)的微生物遺傳學(xué)家保羅·凱姆認(rèn)為，解決生物恐怖攻擊并不需要花費(fèi)太多的錢，因?yàn)椤拔覀兇_實(shí)比上帝有錢來解決這個(gè)問題”。當(dāng)時(shí)，對(duì)炭疽桿菌基因組的測(cè)序只花費(fèi)了50萬(wàn)美元?，F(xiàn)在只需要不到500美元就能對(duì)炭疽桿菌的全基因組進(jìn)行測(cè)序。

現(xiàn)在，基因測(cè)序機(jī)的測(cè)序速度變得更快，體積也更小，也更便宜，已經(jīng)可以從大的研究中心進(jìn)入尋常的診所和小實(shí)驗(yàn)室。隨著技術(shù)手段的改進(jìn)，凱姆和基因組流行病學(xué)家認(rèn)為，通過對(duì)細(xì)菌樣本的常規(guī)測(cè)序，科學(xué)家可以更快地確定新的病菌流行的源頭，也可以知道一種細(xì)菌是否耐受抗生素，同時(shí)能夠調(diào)查公共政策或使用特定的藥物能夠怎樣改變微生物進(jìn)化的過程。

成功的嘗試

利用基因組測(cè)序在今天防治流行病，尤其是突發(fā)性流行病，已經(jīng)有了成功的嘗試。

2010年1月，英國(guó)威康信托桑格研究所的研究人員證明，通過對(duì)耐甲氧苯青霉素金黃色葡萄球菌(MRSA)基因組的測(cè)序和比較，研究人員能夠追蹤到這種危險(xiǎn)病原菌的全球蔓延，并證明這種細(xì)菌在20世紀(jì)60年代在歐洲出現(xiàn)過，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)這種細(xì)菌首先是在泰國(guó)的一所醫(yī)院傳播的。

不過，對(duì)某些微生物的基因組測(cè)序卻可以提供一些實(shí)時(shí)的信息，以幫助臨床醫(yī)生有效地治療某種流行病或防范生物恐怖襲擊。這方面最成功的實(shí)例是2011年5月德國(guó)出現(xiàn)由腸出血性大腸桿菌(EHEC)引發(fā)的溶血性尿毒綜合征，這一事件被稱為“德國(guó)毒黃瓜”事件。德國(guó)明斯特大學(xué)的達(dá)格·哈姆森研究小組請(qǐng)求中國(guó)深圳華大基因研究院對(duì)德國(guó)的腸出血性大腸桿菌進(jìn)行基因組測(cè)序，希望中德兩國(guó)研究人員聯(lián)手破解病原體的來源和毒力，從而找到有效的治療和預(yù)防措施。

僅用三天時(shí)間，華大基因研究院就在網(wǎng)站上公布了基因組分析結(jié)果。該菌株屬于血清型0104：H4，與2002年從中非艾滋病患者腹瀉標(biāo)本中分離的腸出血性大腸桿菌EAEC 0104：H4 55989菌株的同源性超過93％。

另外，德國(guó)的0104：H4菌株還與2001年在歐洲分離的菌株01-09591有相似性。通過基因序列比較，2011年德國(guó)的0104：H4菌株與2001年歐洲菌株01-09591和2002年中非菌株02-55989三株菌株具有7個(gè)完全相同的核心基因。因此，2001年的歐洲分離株很有可能是這次爆發(fā)菌株的直接祖先。

另一方面，破解了腸出血性大腸桿菌的基因組還需要檢測(cè)它對(duì)哪些藥物敏感，才能找到有效的治療方法?？股乜剐栽囼?yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過10年的進(jìn)化，德國(guó)2011年的菌株對(duì)至少8種抗生素可能產(chǎn)生耐藥性。0104：H4型菌株屬于耐藥菌，但和超級(jí)細(xì)菌有很大不同，后者對(duì)目前幾乎所有的抗生素耐藥，但0104：H4型菌株只是攜帶了較多的、能抵抗不同抗生素的耐藥基因。這些情況有效地幫助臨床醫(yī)生篩選治療藥物。

當(dāng)然，篩選藥物和尋找適當(dāng)?shù)闹委煼椒ú⒎侵皇菑幕蚪M測(cè)序獲得信息，臨床治療相似疾病的其他信息也對(duì)戰(zhàn)勝溶血性尿毒綜合征起到了作用。0104：H4型菌株所引發(fā)的是一種血栓性微血管病，目前還沒有很好的治療方法，使用抗生素反而會(huì)使病菌產(chǎn)生更大的毒性。因此，臨床上通常使用洗血療法清除病人血液中的毒素，但是這一療法的效果因人而異，而且需要大量血漿。

0104：H4型菌株所引起的疾病正是溶血性尿毒綜合征。雖然德國(guó)醫(yī)生控制了溶血性尿毒綜合征，但是，從德國(guó)和歐洲的臨床治療看，目前還沒有特別有針對(duì)性的藥物來治療腸出血性大腸桿菌感染的患者，所以研究人員下一步的工作就是盡早研制出直接治療這種疾病的藥物。

另一方面，治療這種疾病的前提是診斷，通過基因組測(cè)序，德國(guó)和中國(guó)研究人員也開展了針對(duì)該大腸桿菌的診斷試劑盒的研發(fā)。

探索更好更實(shí)用的方法

2011年8月，25名科學(xué)家聚會(huì)于比利時(shí)首都布魯塞爾，進(jìn)行了兩天的交流，以探討如何盡最大的努力進(jìn)行微生物的基因組測(cè)序，以及這種測(cè)序?qū)?huì)為人類帶來多大的益處。這次會(huì)議由丹麥技術(shù)大學(xué)基因組流行病學(xué)中心(CGE)的約根·施倫特主持。與會(huì)者認(rèn)為，世界需要一個(gè)全球系統(tǒng)以分享和探明微生物的基因組信息。這個(gè)系統(tǒng)大約需要5～10年的時(shí)間就可以運(yùn)行，但是也存在一些巨大的障礙。

首先是，需要建立一個(gè)過去歷史上所有致病微生物的基因組庫(kù)，以進(jìn)行對(duì)比，但是這是一個(gè)非常艱巨和龐大的工作。如果有歷史資料和數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)于戰(zhàn)勝疾病和應(yīng)對(duì)生物恐怖襲擊就會(huì)起到非常大的幫助。

例如，英國(guó)桑格研究所最近建成和完成了一部分細(xì)菌基因組資料庫(kù)，其中包括歷史上造成人類肺炎的300種克雷伯氏菌肺炎細(xì)菌菌株的資料。這一基因組資料庫(kù)對(duì)幫助人們戰(zhàn)勝克雷伯氏菌肺炎發(fā)揮了重要作用。

就在德國(guó)發(fā)生溶血性尿毒綜合征之后幾周，荷蘭鹿特丹一所醫(yī)院爆發(fā)了克雷伯氏菌肺炎。荷蘭國(guó)家公共衛(wèi)生研究所的流行病學(xué)家哈約·格倫德曼分離了兩個(gè)細(xì)菌樣本送到德國(guó)明斯特大學(xué)的達(dá)格·哈姆森實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)序，不到兩天時(shí)間就出現(xiàn)了結(jié)果。哈姆森實(shí)驗(yàn)室正是對(duì)荷蘭的克雷伯氏菌肺炎測(cè)序后，再把它與桑格研究所建立的300種克雷伯氏菌肺炎細(xì)菌菌株的資料進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)荷蘭這次引發(fā)克雷伯氏菌肺炎的細(xì)菌菌株是Oxa48，而且?guī)缀鯇?duì)所有抗生素耐藥。這讓人們非?？只?。不過好在這種細(xì)菌還對(duì)一種較老的在今天已很少使用的抗生素——粘菌素敏感，但是，這種藥有較大的副作用，對(duì)腎有較大的毒性。這個(gè)結(jié)果有效地指導(dǎo)了荷蘭各地的醫(yī)院對(duì)住院的病人進(jìn)行病原菌檢測(cè)，從而幫助醫(yī)生篩查病人，并確診和使用有效藥物。

丹麥技術(shù)大學(xué)基因組流行病學(xué)中心(CGE)主任弗蘭克·奧勒斯楚普認(rèn)為，這是迄今他所知道的微生物基因組測(cè)序技術(shù)的實(shí)時(shí)應(yīng)用，而且具有立竿見影的醫(yī)學(xué)效益。

另一方面，建立全球微生物基因組庫(kù)和進(jìn)行微生物的基因組測(cè)序還有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一與兼容問題。例如，目前海地正在流行霍亂，研究人員搜集了海地病人身上的霍亂弧菌送到美國(guó)的幾家實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行基因組測(cè)序，結(jié)果證明，傳染源來自尼泊爾的聯(lián)合國(guó)維和部隊(duì)士兵。但是，美國(guó)北亞利桑那大學(xué)的凱姆也對(duì)24種尼泊爾霍亂菌株進(jìn)行了基因組測(cè)序，結(jié)果卻不能與美國(guó)哈佛大學(xué)研究組對(duì)海地霍亂菌株進(jìn)行的測(cè)序相對(duì)比，因?yàn)樗麄兪褂玫氖遣煌臏y(cè)序機(jī)，這也造成了原始資料的不匹配。因此，全球必須盡快建立一致的標(biāo)準(zhǔn)。如果標(biāo)準(zhǔn)不一樣，對(duì)病原體的比較結(jié)果就可能不同，也就不能找到真正的病因和有效的治療方法。

微生物基因組測(cè)序在防治流行病中的最大優(yōu)點(diǎn)是快速，因此，需要研發(fā)更快的測(cè)序技術(shù)。在德國(guó)發(fā)生溶血性尿毒綜合征后對(duì)病原菌測(cè)序時(shí)，中國(guó)研究人員采用了第三代測(cè)序儀Ion Torrent，其特點(diǎn)是產(chǎn)生數(shù)據(jù)速度快。第二代測(cè)試儀獲得數(shù)據(jù)大概需要一周左右，但第三代只需要幾個(gè)小時(shí)。正因?yàn)槿绱?，華大基因研究院比同樣進(jìn)行基因組測(cè)序的德國(guó)明斯特大學(xué)醫(yī)院衛(wèi)生研究所還早半天就測(cè)出了0104：H4型菌株的基因組。

不過，基因組流行病學(xué)要取得實(shí)際效果還必須讓臨床醫(yī)護(hù)人員參與進(jìn)來。如果沒有臨床醫(yī)護(hù)人員的參與，就不可能獲得病原體的樣本，也不可能對(duì)病原體進(jìn)行基因組測(cè)序。例如，盡管研究人員對(duì)海地霍亂的菌株進(jìn)行了基因組測(cè)序，但是，提取流行菌株卻相當(dāng)耗時(shí)，對(duì)尼泊爾士兵攜帶的霍亂弧菌的采樣花費(fèi)了幾個(gè)月的時(shí)間。這也意味著對(duì)臨床醫(yī)護(hù)人員培訓(xùn)生物技術(shù)相當(dāng)重要。因此，丹麥技術(shù)大學(xué)基因組流行病學(xué)中心主任奧勒斯楚普等人認(rèn)為，應(yīng)當(dāng)建立一種系統(tǒng)，以便讓臨床醫(yī)生能很容易地報(bào)告病原菌，包括病原菌的毒力因子、可選用的抗生素和其他相似的分離病原體的方法。這些技術(shù)操作應(yīng)當(dāng)作為一種指南，即“生物信息學(xué)傻瓜書”，提供給臨床醫(yī)護(hù)人員。

丹麥政府已撥款600萬(wàn)歐元給丹麥技術(shù)大學(xué)基因組流行病學(xué)中心和其他機(jī)構(gòu)，以建立一個(gè)數(shù)據(jù)分享平臺(tái)，現(xiàn)在這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)已經(jīng)能提供多種病原體的信息。而且，這一平臺(tái)將來還能向臨床醫(yī)生提供選擇使用適宜抗生素和藥物的指南。這也意味著，基因組流行病學(xué)需要信息技術(shù)作為其有力的技術(shù)支持。

只要能解決這些問題并接受這些挑戰(zhàn)，基因組流行病學(xué)在今天和未來就有更為廣闊的前景。研究人員不僅可以對(duì)導(dǎo)致目前疾病的病原菌進(jìn)行基因組測(cè)序，而且可以將其與歷史上出現(xiàn)的同類病原菌予以對(duì)比，以發(fā)現(xiàn)其毒性、致病性、對(duì)藥物的敏感性，從而幫助醫(yī)生找到更好和更快的治療方法，造福于病患者和全社會(huì)。

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