运用454焦磷酸测序技术对病原菌16S-rDNA的分析
林萍1, 周与华2, 李擎天3, 郭晓奎2
1. 上海交通大学医学院附属精神卫生中心检验科,上海 200030
2. 上海交通大学医学院病原生物学教研室,上海 200025
3. 上海交通大学医学院检验系,上海 200025

作者简介:林萍,女,1968年生,硕士,副主任技师,主要从事临床医学检验工作。

通讯作者:郭晓奎,联系电话:021-63846590-776431

摘要
目的

探讨运用测序技术鉴定临床感染标本中病原菌的应用价值。

方法

运用聚合酶链反应(PCR)扩增及454焦磷酸测序技术,对标本中病原菌16S- rDNA V3区进行多样性分析;并与细菌培养结果相比较。

结果

测序能检测出临床不宜培养的菌属,如支原体属、嗜血杆菌属、莫拉菌属等;9种菌属为2种方法共同检测所得,7种菌属的P值均<0.05。

结论

2种方法的检测敏感性差异有统计学意义;与细菌培养相结合是临床实践中的一种新的偿试。

关键词: 病原菌; 16S-rDNA基因; 454焦磷酸测序技术
中图分类号:R446.5 文献标志码:A 文章编号:1673-8640(2011)06-0364-04
Applicationof454pyrosequencinganalysisfor16S-rDNAofpathogenbacterium
LIN Ping1, ZHOU Yuhua2, LI Qingtian3, GUO Xiaokui2
1.DepartmentofLaboratoryMedicine,ShanghaiMentalHealthCenter,ShanghaiJiaotongUniversitySchoolofMedicine,Shanghai 200030,China
2.DepartmentofEtiologyandBiology,ShanghaiJiaotongUniversitySchoolofMedicine,Shanghai 200025,China
3.FacultyofMedicalLaboratoryScience,ShanghaiJiaotongUniversitySchoolofMedicine,Shanghai 200025,China
Abstract
Objective

To investigate the clinical application value of sequencing for determining samples infected with pathogens.

Methods

Polymerase chain reaction (PCR) amplification and 454 pyrosequencing were used to detect 16S-rDNA V3 diversity of samples' pathogens. The results were compared with the results of bacterial culture.

Results

Sequencing can detect these genera such as Mycoplasma genus, Haemophilus genus, Mora genus and so on, which were not cultured easily in the clinical application. 9 genera could be detected by the 2 methods, and 7 of the genera wereP<0.05.

Conclusions

The detection sensitivities of the 2 methods are significantly different, and the clinical application of combination with bacterial culture is a kind of new trying to detect bacterium.

Keyword: Pathogen bacterium; 16S-rDNA gene; 454 pyrosequencing

感染性疾病病原菌的诊断是一个热点问题,对于病原菌的研究也由原来的着重阐述单菌种致病逐渐发展为分析多菌种的混合感染或协同感染[ 1, 2]。一直以来,由于体内外生长条件的差异、抗菌药敏的滥用[ 3, 4]及实验室技术手段的限制而导致病原菌确诊率较低。由于16S-rDNA存在于所有细菌染色体基因中,其可变区能显示细菌不同分类等级的特异性[ 5, 6],本研究运用罗氏454焦磷酸测序的技术,分析呼吸道感染患者痰液标本中病原菌16S- rDNA的V3可变区[ 7, 8],并比较测序与细菌培养结果,探讨利用测序技术鉴定临床感染性标本中病原菌的应用前景与价值。

材料和方法
一、材料

1. 标本来源 2009年8月至12月上海瑞金医院呼吸科临床微生物明确诊断的下呼吸道感染患者痰标本101例。

2. 试剂 细菌基因组DNA抽提试剂盒、凝胶回收试剂盒(OMEGA)均购于上海华舜生物技术有限公司;溶菌酶、溶葡萄球菌酶、蛋白酶、Tris购于上海生工生物工程有限公司;其他常用试剂自配。

3. 聚合酶链反应(PCR)引物 上游:5’-TACGGGAGGCAGCAG-3’,下游:5’-ATTACCGCG-GCTGCTGG-3’,均由上海生工生物工程有限公司合成;扩增片段为16S-rDNA的V3区(约200 bp)。

4. 主要仪器及设备 紫外分光光度计;台式低温高速离心机(Thermo scientific Heraeus Fresco 17,美国);PCR扩增仪(Eppendorf Mastercycler Gradient,德国);电泳仪(BIO-RAD POWER PAC 3000,美国);显微摄影(LEICA DFC 300FX,德国);测序仪(Roche 454 Genome Sequencer FLX,罗氏公司)。

二、方法

1. DNA提取 每例经液化的痰标本,12 000 r/min(离心半径8.5 cm)离心10 min,弃上清液,加入PBS缓冲液制成细菌混合液;分别加入普通溶菌酶和溶葡萄球菌酶,浓度分别达到5 mg/mL和32 U/mL,置混合液于37 ℃水浴4 h;加入蛋白酶,浓度为0.1 mg/mL,置混合液于65 ℃水浴2 h;将细菌混合液以12 000 r/min(离心半径8.5 cm)离心10 min,得到含有细菌DNA的上清液,参照基因组DNA抽提试剂盒说明书提取细菌DNA。

2. DNA定量 运用紫外分光光度计在260 nm波长下检测各标本中细菌DNA的含量,101例标本抽提后的细菌DNA平均浓度为28.5 ng/μL。

3. 16S-rDNA V3区PCR扩增 PCR的扩增分两步,两次PCR扩增的引物均带有不同标签且可与16S-rDNA V3区结合;不同的标本标签不同。第一步PCR选用25 μL反应体系:包括2.5 μL PCR buffer (TAKARA)、0.625U ExTaq (TAKARA)、0.1 μL BSA(TAKARA)、正反向标签引物各100 μmoL、模板50 ng。第一步PCR反应条件:94 ℃预变性5 min;94 ℃变性1 min;65 ℃退火1 min; 72 ℃ 延伸1 min;总共20个循环,每个循环退火温度下降0.5 ℃。第二步PCR选用50 μL反应体系:包括5 μL PCR buffer、1.25U ExTaq、0.2 μL BSA、正反向标签引物各200 μmoL、模板10 μL。第二步PCR反应条件:94 ℃变性1 min;65 ℃退火1 min,72 ℃延伸1 min;共5个循环。获得用于后期分析的DNA片段。

4. 扩增片段回收 参造凝胶回收试剂盒说明书回收扩增片段,101例标本扩增片段平均浓度为39.9 ng/μL;以每例标本50 ng的量构成扩增片段系统数据库。

5. 454焦磷酸测序 系统库中扩增片段测序由上海国家人类基因组南方中心运用罗氏454测序仪完成。

6. 系统数据库分析 测序结果在WWW网(http://www.cme.msu.edu/RDP/)通过RDP数据库完成菌属归类。

三、统计学方法

数据统计工作运用统计软件SPSS11.5完成[ 9, 10]

结 果
一、454焦磷酸测序

经454测序得到73 225条约200 bp的序列,根据引物标签的不同,将101例不同标签的序列进行归类统计,见 图1

图1 101例痰标本测得200 bp序列分布

二、比对RDP数据库

41 057条序列可归类到菌属水平,涉及129个菌属,101例标本中检测各菌属16S-rDNA V3片段总数量以链球菌属、罗氏菌属、葡萄球菌属、普雷沃菌属、假单胞菌属、孪球菌属、革氏菌属、不动杆菌属、放线菌属和乳杆菌属为多,见 表1

表1 101例标本中检测序列数量前20位的菌属
三、测序与细菌培养结果比较

101例标本454测序涉及129个菌属,临床细菌培养方法检测出12 种细菌。有9个菌属由2种方法同时检测得到,分别为:不动杆菌属、肠球菌属、奈瑟菌属、葡萄球菌属、假单胞菌属、嗜麦芽单胞菌属、链球菌属、克雷伯菌属、分枝杆菌属。运用卡方检验对于2种方法进行比较,见 表2

表2 2种方法检出率的四格表卡方检验
讨 论

近年来,随着分子生物学的发展,各种新技术不断尝试应用于微生物的鉴定。16S-rDNA是细菌的系统分类研究中有价值的分子钟,其可变区序列因细菌不同而异,利用可变区V3序列的差异可对不同菌属、菌种的细菌进行分类鉴定。本研究的测序结果显示,标本间检测出的序列数相差较大,由135条至1 187条不等,平均每例标本序列数量约725条,这与标本间细菌的种类及含量的差异有关。规避了常规微生物分析中由于感染程度、药物使用、标本留取以及其他不确定因素而导致同一患者标本菌群分布的差异。

测序检出129种细菌,每例标本平均检出16种细菌,全面的反映标本中细菌群体的种类组成,量化每种细菌在标本中的分布,丰富感染信息;若在临床实践中与细菌培养相结合,将感染标本接种于培养皿,挑选生长出的一种或多种菌株,运用罗氏454焦磷酸测序的技术,更可反映感染或混合感染的真实状况,提高临床用药的效率。

101例标本通过细菌培养可检出12种细菌,测序的方法检出效率是细菌培养的10.75(129/12)倍;同时有9种细菌被2种方法同时检测出。运用四格表卡方检验的方式对2种方法的敏感性进行了比较,不动杆菌属、肠球菌属、奈瑟菌属、葡萄球菌属、假单胞菌属、嗜麦芽单胞菌属、链球菌属这7种细菌的 P值均<0.05,说明这7种细菌2种方法的检测敏感性差异有统计学意义,以下几点可能是检测敏感性差异的原因:其一可能是测序的方法可以检测出体外一般条件下无法培养的细菌;其二测序的方法可以检测到标本中易被优势菌掩盖的细菌,而被优势菌掩盖的细菌在常规细菌培养检测中可能被漏检(如有些细菌对营养或环境等培养生长条件有特殊要求)。另一方面,如克雷伯菌属和分支杆菌属 P值均>0.05,表明这2种细菌2种方法检测差异无统计学意义,未显示出测序方法的优势,其原因可能在于:克雷伯菌属往往广泛存在1%~6% 正常人口咽部,住院患者中达20%,血平板上易生长,易检出,培养与测序敏感性均高。而分枝杆菌因其细胞壁厚且含大量脂质难被溶菌酶溶解,抽提操作中可能没有使DNA完全释放而造成了敏感性的下降。同时,测序的方法检测出细菌培养中均未检出而与感染可能密切相关的细菌,如支原体、嗜血杆菌、莫拉菌[ 11]等,说明基于测序的方法在诊断实践中可能有其独特的应用价值[ 12]

综上所述,运用16S-rDNA的 V3区扩增和罗氏454焦磷酸测序方法分析感染性标本具有如下优势:一是能够实现对标本资料的完全定量[ 13],呈现标本菌群结构全貌;二可通过基因结构的差异归类细菌,敏感特异,完全规避了标本细菌培养对不同条件(营养、空气、水)的苛求;三具有高通量、速度快、成本低及分析能力强等优点。在进一步的工作中,将测序方法与细菌培养相结合,是临床实践中的一种新的偿试。对于甄别致病菌及正常菌群、反映感染标本菌群结构全貌、检出混合感染标本中非优势细菌或不易培养的细菌及提高治疗效果具有一定的价值。

The authors have declared that no competing interests exist.

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