基于全基因组关联研究和机器学习的跨宿主传播潜力评估：布鲁氏菌近缘病原体宿主来源影响解析

这篇研究创新性地将全基因组关联研究（pan-GWAS）与机器学习（ML）算法结合，构建了支持向量机（SVM）预测模型，量化评估了11种布鲁氏菌（Brucella）的跨宿主传播潜力。研究通过991株菌株的全基因组数据，鉴定出268个与传播潜力相关的基因特征，首次揭示了宿主来源（如人源B. melitensis比牛羊源株更具传播风险）和菌株特异性（如家猪源B. suis biovar 2比野猪源株传播潜力更高）的显著影响，为病原体风险评估提供了高分辨率分析工具。

　　

基因组分析揭示布鲁氏菌开放泛基因组特征

通过对991株布鲁氏菌全基因组数据的泛基因组分析，研究构建了包含582个核心基因、4121个附属基因和2462个独特基因的开放型泛基因组（γ=0.25）。独特基因中13.3%注释为DNA复制重组修复（COG-L类），其中73.6%源自B. inopinata菌株，暗示该菌株可能通过DNA甲基化修饰等表观遗传机制适应生态位转换。值得注意的是，B. neotomae菌株NCTC10070仅携带1891个附属基因，其2.9 Mbp的基因组显著小于其他菌株。

传统系统发育分析的局限性

基于核心基因构建的最大似然树显示，B. abortus和B. melitensis形成独立分支，而B. ovis非人兽共患菌株单独成簇。然而，系统发育分析无法明确区分B. ceti、B. neotomae等新发菌株的传播风险，凸显传统方法在近缘病原体风险评估中的分辨率不足。

机器学习模型的突破性表现

研究比较了五种监督学习算法，支持向量机（SVM）在测试集中展现出最优性能（平均马修斯相关系数MCC=0.78）。模型利用pan-GWAS筛选的268个特征基因，准确识别出人源B. melitensis菌株的传播潜力（决策值+1.11）显著高于牛羊源株（P<0.001），并成功预测家猪源B. suis biovar 2（+0.65）比野猪源株（-0.04）具有更高跨宿主风险（P<0.01）。

模型泛化能力验证

针对未参与训练的26株B. canis（唯一具有O-多糖缺失特征的潜在人兽共患菌），模型给出平均决策值+0.49，与近年人类感染病例报道相符。对海洋哺乳动物源菌株的预测显示，瓶鼻海豚源B. ceti（+0.57）比港湾海豹源B. pinnipedialis（+0.11）风险更高，提示需加强水生宿主监测。

关键基因的功能解析

SHAP方法鉴定出十大关键特征基因，其中group_1020（MXKDX重复蛋白家族）和group_1603（ABC转运ATP酶）均被PHI-base注释为"毒力增强"相关。值得注意的是，group_4450（尿素转运蛋白）在B. melitensis 16M的胃酸应激反应中上调，可能通过抵抗宿主胃部酸性环境促进感染建立。

公共卫生应用前景

该研究建立的SVM预测模型突破了传统系统发育分析的局限，首次实现布鲁氏菌属内跨物种传播潜力的量化评估。针对B. suis biovar 2从野猪向家猪的宿主转移趋势，模型预测的家猪源株高风险特征（较野猪源株提升69%）为防控策略制定提供了分子依据。未来通过整合单核苷酸多态性（SNP）等核苷酸水平特征，可进一步拓展模型在遗传多样性更高病原体中的应用。