基因组岛GI-2的进化解析揭示布鲁氏菌属与苍白杆菌属的分化机制

本研究通过解析布鲁氏菌噬菌体Pr基因组与基因组岛GI-2的序列相似性，揭示了布鲁氏菌属(Brucella)和苍白杆菌属(Ochrobactrum)在进化过程中通过水平基因转移(HGT)获得GI-2的关键事件。研究人员发现GI-2整合到布鲁氏菌基因组后赋予其O-多糖(OPS)聚合功能，并通过比较基因组学证实两属分化时仍保持单染色体状态。该研究为病原菌宿主适应性和分类学争议提供了分子进化依据，发表于《Scientific Reports》。

　　

布鲁氏菌病作为一种人畜共患病，自19世纪发现以来持续威胁全球公共卫生。传统分类学将布鲁氏菌属(Brucella)与近缘的苍白杆菌属(Ochrobactrum)划分为不同属，但基因组学研究显示两者存在高度相似性，引发分类学争议。更复杂的是，布鲁氏菌的致病性与其表面O-多糖(OPS)密切相关，而负责OPS合成的基因组岛GI-2的进化起源一直未明。以色列Kimron兽医研究所的Menachem Banai团队在《Scientific Reports》发表的研究，通过解析布鲁氏菌噬菌体Pr与GI-2的进化关联，揭示了这两个属的分化机制。

研究采用比较基因组学方法，通过BLASTn分析噬菌体Pr基因组与布鲁氏菌GI-2、苍白杆菌ATCC 49188染色体的序列相似性，鉴定attB/attP整合位点特征。利用scar序列追踪GI-2在不同菌株中的变异，并通过基因共线性分析重建染色体进化路径。

研究结果部分显示：1）"剪切粘贴"的基因发育机制：噬菌体Pr基因组中存在两个DNA区域，分别与Chelativorans sp. BNC1前体细胞和苍白杆菌ATCC 49188染色体同源，这些区域包含参与OPS聚合的转糖基酶基因wboA/wboB。2）核心布鲁氏菌种中GI-2基因的进化：GI-2在不同菌株中存在大小和基因内容的变异，如B. abortus 2308的BAB1_0982在B. melitensis 16M中仅存非编码序列。3）未分类布鲁氏菌种的独特GI-2结构：如Brucella sp. NM4虽保留tRNA^Gly
(attB)但完全缺失GI-2，其染色体结构与苍白杆菌相似。4）scar序列的进化意义：粗糙型B. ovis通过精确切除GI-2形成特征性scar，而B. inopinata BO1则出现非典型attP截短序列。5）tRNA^Gly
染色体区域的基因共线性：苍白杆菌与布鲁氏菌在下游基因簇保守，但上游氮代谢基因排列方向相反。6）Mesorhizobium loti ICE的发现：在根瘤菌中鉴定到包含氮代谢基因簇的ICE元件，其tRNA^Ser
在布鲁氏菌中替换为tRNA^Gly
，提示水平转移起源。

结论部分指出，布鲁氏菌与苍白杆菌的分化发生在单染色体状态下，GI-2的整合是分化后的独立事件。该研究首次将布鲁氏菌噬菌体、GI-2和近缘菌染色体变异关联起来，证实中根瘤菌ICE元件在布鲁氏菌进化中的关键作用。讨论部分强调，尽管分子数据支持将苍白杆菌纳入布鲁氏菌属，但两者在宿主特异性（布鲁氏菌严格关联哺乳动物流产）和噬菌体敏感性等方面的差异，仍支持维持现有分类体系。研究还揭示了GI-2结构变异与菌株毒力的关联，如B. inopinata BO3缺乏典型attP序列可能影响其OPS合成能力。

这项研究为理解α-变形菌纲病原菌的基因组可塑性提供了新视角，其发现的ICE转移机制对解释其他病原菌的宿主适应性进化具有借鉴意义。同时，GI-2作为毒力决定因子的确认，为布鲁氏菌病诊断标记和疫苗开发提供了潜在靶点。