鼠疫耶尔森氏菌中国分离株基因组多态性及微进化研究

Plague, caused by Yersinia pestis, is a notorious infectious disease, which had claimed millions of lives during the three major plague pandemics (the first pandemic: Justinian Plague, the second pandemic: Black Death, the third pandemic: Modern Plague) in the human history. Based on the population genetics and palaeomicrobiological analysis, the causative isolates of the historical plague pandemics had been mapped to the phylogenic tree of Y. pestis. In this study, we will select 2000 representative strains isolated from all 12 plague foci in China. Then we will choose the key informative SNPs based on the predefined fine population structure framework of Y. pestis, and mapped all the isolates into the corresponding populations according to the SNP genotyping and phylogenic analysis. By deciphering the genomes of specific strains from important populations (such as the most ancient populations, populations related to Justinian plague isolates and Black Death isolates), we will be able to understand the evolution events during the origination and speciation of Y. pestis, and clarify the genetic relationships between Chinese isolates and the historical pandemic strains as well. Meanwhile, we will perform extensive MLVA and CRIPSR genotyping, aiming to portrait the genomic polymorphisms and evolutionary scenarios of all the Chinese isolates in details, which will be of great help in reconstructing the dissemination routes of Y. pestis inside and outside of China. More importantly, we will integrate all the polymorphism data and isolates information to develop a genomic polymorphisms database for Y. pestis, which will serve as a fundamental tool for strain source-tracing in plague outbreaks or bioterrorism attacks.

鼠疫是严重危害人类健康的烈性传染病，历史上曾有三次大流行；基于群体遗传学和考古微生物学的研究已将导致三次大流行的鼠疫菌株进行了系统发育定位。本项目将选择分离自我国12个鼠疫疫源地的2000株代表性菌株，基于前期确定的鼠疫菌精细群体遗传结构，筛选关键SNP位点进行菌株分型和系统发育分析，确定菌株的种群位置。随后选择关键种群的中国菌株进行全基因组序列测定，进一步了解鼠疫菌物种发生早期时的遗传事件，并厘清中国菌株与黑死病（第二次大流行）菌株、查士丁尼（第一次大流行）菌株之间的遗传关系。同时对所有菌株进行MLVA分析和CRISPR分析，深入解析中国鼠疫菌株基因组多态性及其微进化过程，以谱系生物地理学的研究思路，重建鼠疫菌在中国境内扩散及向境外扩散的精细路线图。最后将所有数据加以整合，建立我国鼠疫菌代表性菌株的基因组多态性数据库，为特定种群菌株的快速检测、菌株溯源以及鼠疫疫情扩至等工作提供科学依据。

鼠疫是由鼠疫耶尔森氏菌（简称鼠疫菌）引起的烈性传染病，是《中华人民共和国传染病防治法》规定的甲类传染病。我国疫源地总面积占我国陆地国土面积的近六分之一，鼠疫防治任务十分繁重。本项目拟分析我国代表性菌株，建立我国鼠疫菌代表性菌株的基因组多态性数据库，为特定种群菌株的快速检测、菌株溯源以及鼠疫疫情扩至等工作提供科学依据。本项目取得以下进展：.已获得分离自我国各疫源地的近2600株草图序列，是目前世界上已知最大的一个鼠疫菌草图数据集。初步建成了鼠疫菌基因组多态性数据库，可以实现检索、分型、溯源、序列比对等多种功能，正在继续充实数据。.针对青藏高原鼠疫疫源地，选取了代表性分离株102株（分离自1954年至2011年），进行了系统的多态性分析：这些菌株分为7个SNP群，其中1.IN2数目最多（84株）；1.IN2各亚群呈现明显的地域特点和年代消长，展现了青海鼠疫疫源地的扩散路线。.针对第三次世界鼠疫大流行的起始地云南，选择了118株菌进行了全基因组序列分析，共共发现4个种群，其中2.ANT和2.MED菌株首次在云南发现；1.ORI1的出现早于1.ORI3，发现了大量早于1.ORI2分支的原始菌株，极大丰富了关于东方型鼠疫菌进化的认识。.对819株鼠疫中国分离株aspA基因片段分析发现，在363位密码子存在9种基因型；系统发育重构表明，鼠疫菌群体中这一密码子发生了高频的回复突变，提示aspA基因第363位密码子承受了强大的正选择压力。但基于无痕突变和动物实验结果，这一高频突变位点与小鼠毒力无关，内在机制还有待进一步探索。.通过基因组分析发现，两株分离自印度“苏拉特风暴”疫情的鼠疫菌株属于疫苗株EV76所在分支，由于重新获得pgm位点，成为了一次大型鼠疫疫情的元凶。这一发现对于更为深入了解鼠疫的进化具有非常重要的意义。.本项目的开展为鼠疫菌研究提供了海量的基因组序列和多态性信息，为鼠疫菌起源进化、鼠疫疫源地扩散研究提供基础数据，也为鼠疫菌株溯源分析提供基本框架。