加拿大伯氏疏螺旋体严格意义上的遗传景观：基于全基因组的种群结构与进化动力学研究

《Scientific Reports》：Genetic landscape of Borrelia burgdorferi sensu stricto in Canada: a study of genetic diversity

本研究针对北美莱姆病主要病原体伯氏疏螺旋体严格意义种（Borrelia burgdorferi s.s.）在加拿大扩散过程中的遗传多样性瓶颈问题，通过全基因组比较分析三大流行区（新斯科舍省、安大略省、马尼托巴省）的64株菌株，结合多标记系统发育与重组突变分析，揭示了地理梯度性克隆结构（新斯科舍省克隆比=4，模块性Q=0.68）和基因特异性进化路径（如ospC高重组率R/θ=4.25）。该研究首次系统阐明加拿大地区B. burgdorferi s.s.种群在核心基因组与附属基因组间的协同进化模式，为莱姆病传播风险评估和病原适应性进化机制提供重要理论依据。

　　

在北美大陆，一种微小的螺旋体——伯氏疏螺旋体严格意义种（Borrelia burgdorferi sensu stricto）正随着黑腿硬蜱（Ixodes scapularis）的北扩悄然改变着加拿大的公共卫生图景。作为莱姆病（Lyme disease）的主要病原体，这种细菌不仅擅长在蜱虫与哺乳动物宿主间“切换身份”，更展现出令人惊讶的遗传多样性。然而，这种多样性如何在不同地理环境中形成？是突变主导还是基因重组塑造了它们的进化轨迹？这些问题的答案，直接影响着我们对莱姆病传播风险预测和病原监测策略的制定。

以往的研究多依赖于单一分子标记（如ospC基因或MLST分型），难以全面捕捉病原体基因组的复杂性。尤其在美国，伯氏疏螺旋体种群已显示出明显的地理分化结构，但加拿大作为新兴流行区，其病原种群遗传格局仍是一片迷雾。随着气候变暖和生态环境变化，蜱媒疾病北移已成为现实威胁，厘清伯氏疏螺旋体在加拿大的遗传适应机制刻不容缓。

为此，由Samir Mechai、Edward J. Feil、Gabriele Margos和Nick H. Ogden组成的研究团队在《Scientific Reports》上发表了题为“Genetic landscape of Borrelia burgdorferi sensu stricto in Canada: a study of genetic diversity”的论文。他们通过对加拿大三大流行区（新斯科舍省NS、安大略省ON、马尼托巴省MB）的64株伯氏疏螺旋体菌株进行全基因组测序，结合核心基因组（染色体基因）与附属基因组（质粒编码基因）的多层次比较，首次绘制出加拿大伯氏疏螺旋体的精细遗传图谱。

关键技术方法概述

研究团队利用Illumina MiSeq平台对2016年从宿主搜寻蜱中分离的64株菌株进行全基因组测序，通过SPAdes软件完成组装。基因面板涵盖4种染色体抗原（bmpA, flaB, oms66, P83-100）、8个MLST看家基因（clpA, clpX等）和11种质粒编码表面蛋白基因（如ospC, ospA, dbpA）。系统发育分析采用最大似然法（MEGA 5.2.2）和拓扑一致性检验（IQ-TREE）；重组与突变比率通过ClonalFrameML计算；种群结构则通过goeBURST克隆复合体分析和Gephi网络模块性（Q指数）评估。

研究结果

1. 系统发育树揭示12个稳定遗传群组

基于13个染色体标记构建的核心基因组系统发育树将59株菌株划分为12个高支持度的单系群组，其余5株为独立分支。这些群组与MLST序列型（ST）、ospC主群（MG）、IGS分型等标记高度一致。例如Group 1（ST55/IGS-1A/RST1）和Group 2（ST1/IGS-1A/RST1）分别对应美国中西部和东北部谱系，在加拿大呈现明显区域聚集性。

2. 核心与附属基因组进化路径分化

质粒基因与核心基因组的一致性分析显示，MLST和ospC分型与核心系统发育树契合度最高（一致性>75%），而RST分型一致性最低（<25%）。特别值得注意的是，表面蛋白基因呈现两极分化：ospC因高频重组（R/θ=4.25）与核心基因组关联较弱，而ospA（R/θ=0.10）和P45-13（R/θ=0.08）等基因则更依赖突变积累，进化路径相对保守。

3. 地理梯度塑造种群克隆性

新斯科舍省（NS）种群表现出极高的克隆性（单倍型/ Singleton比率=4）和模块化结构（Q=0.68），而安大略省（ON）和马尼托巴省（MB）种群则呈现更多基因交流（Q<0.65）。网络分析进一步显示，NS菌株多与经典参考株（如B31、297）紧密关联，而ON/MB菌株则与多个参考株（如156a、ZS7）交叉连接，反映其复杂的迁移历史。

4. 基因相关性揭示协同进化信号

Spearman相关性分析发现，VlsE1蛋白的C6肽段与染色体基因（bmpA、flaB）及MLST分型显著正相关（r>0.75, p<0.001），表明其在免疫逃逸中与核心基因组协同进化。相反，ospC与染色体抗原oms66（r=-0.39）和P83-100（r=-0.35）的负相关性，印证了其通过重组实现快速适应的进化策略。

结论与意义

本研究通过全基因组尺度解析，证实加拿大伯氏疏螺旋体种群存在显著的地理遗传结构：新斯科舍省的高度克隆化种群可能源于鸟类传播瓶颈效应和局地生态隔离，而中西部省份因宿主多样性丰富和蜱虫活动季节同步性，促进了菌株间的基因交流。这种差异进化模式不仅解释了为何同一ospC等位基因（如A型）可分布于遗传背景迥异的群组（Group 1和Group 2），更揭示了病原体在“宿主-媒介”双环境压力下的适应性平衡——核心基因组维持基本生物学功能，而质粒基因（如ospC）通过重组快速响应宿主免疫压力。

从公共卫生层面看，新斯科舍省优势流行的RST1/ST1克隆群（与人类播散性莱姆病相关）提示需加强区域性监测。尽管遗传多样性可能影响血清诊断敏感性，但北美现行检测标准（如C6肽段试剂）因靶向保守表位仍具普适性。该研究建立的基因组学框架为追踪高危克隆传播、预测莱姆病北扩路径提供了关键工具，也为理解病原微生物在快速环境变化中的进化规则提供了范本。