本方案建立了一种分层的基因组学工作流程 沙门氏菌 血清型预测,利用MLST或SeqSero2S进行常规监测,结合核心基因组MLST的SISTR用于暴发检测,以及使用SeqSero2S进行快速筛查。该方案已通过多中心分析验证,以提升中国境内的监测能力。
方法文章
* These authors contributed equally
本方案建立了一种分层的基因组学工作流程 沙门氏菌 血清型预测,利用MLST或SeqSero2S进行常规监测,结合核心基因组MLST的SISTR用于暴发检测,以及使用SeqSero2S进行快速筛查。该方案已通过多中心分析验证,以提升中国境内的监测能力。
准确的血清型分型 沙门氏菌 对于有效的监测和疫情调查至关重要,因为血清型多样性直接影响致病性及公共卫生风险评估。然而,传统的玻片凝集方法受限于重复性差、劳动强度大和成本高,阻碍了其在高通量监测项目中的应用。为克服这些局限,我们开发并验证了一种整合多位点序列分型(MLST)的基因组工作流程 沙门氏菌的计算机模拟研究 血清型预测资源(SISTR)、SeqSero、SeqSero2 和 SeqSero2S,用于基于全基因组测序数据进行血清型预测。本方案通过一项包含 315 个样本的多中心分析进行了评估 沙门氏菌 从中国西南地区食品和人类来源分离的菌株。本研究结果表明,与传统血清分型相比,基因组学方法的一致性显著更高(在训练集中,SISTR/MLST/SeqSero2S 分别达到 100%/99.1%/90.1%,在验证集中分别为 100%/97.1%/93.1%)。该工作流程根据监测背景推荐了适当预测方法的选择策略:常规监测优先采用 MLST 和 SeqSero2S,快速筛查使用 SeqSero2S,疫情调查则推荐 SISTR 结合核心基因组 MLST。该方法有助于将基因组血清分型整合到公共卫生实践中,减少对传统血清学的依赖,并提高可重复性和可扩展性 沙门氏菌 监测项目。
沙门氏菌 是全球最重要的食源性病原体之一,可导致严重的发病率和死亡率1,2在中国,它仍是食源性疾病的主要病因,其中少数血清型导致了大多数感染病例。3准确的血清型鉴定对于监测和暴发调查至关重要,因为血清型多样性与致病性及公共卫生风险密切相关。这一点在常见血清型中已得到广泛认可,例如 沙门氏菌 肠炎沙门氏菌和 沙门氏菌 伤寒沙门氏菌,但一些研究较少的血清型,例如 沙门氏菌 巴拿马也是全球传播和侵袭性疾病的重要原因4,强调了对强大血清分型能力的普遍需求。传统的血清分型方法虽长期被视为金标准,但其过程耗时且成本高昂,需要使用150多种抗血清5它们还受到可重复性差的限制。6,耗时耗力的工作流程7以及由于对凝集反应的主观解释所导致的固有变异性8因此无法满足高通量监测项目的需求9.
全基因组测序(WGS)的出现通过实现快速、高分辨率的血清型预测,彻底改变了病原体的鉴定方式10,11,12。目前已开发出多种in silico工具,包括多位点序列分型(MLST)、SeqSero13、SeqSero214、SeqSero2S15以及Salmonella In Silico分型资源(SISTR)7,15。尽管MLST可提供标准化的长期流行病学追踪16,SeqSero2和SeqSero2S则允许直接从原始测序读长进行分析,有助于常见血清型的高通量筛查14,15。相比之下,SISTR需要已完成的基因组组装,但其结合了抗原基因检测与核心基因组多位点序列分型(cgMLST),为疫情暴发调查提供了全面的分辨率17。尽管基于WGS的Salmonella鉴定在研究中正日益被采纳为主要证据16,18,19,其在大规模监测中的应用仍有限,这一差距部分归因于尚未解决的实际问题,这些问题影响了方法的适用性。一项全球调查显示,仅有8%的参与实验室将WGS用于常规监测,其中分析复杂性是主要障碍20。例如,可靠的血清型预测依赖于足够的测序深度(通常为成本效益考虑需>75×,理想情况下约为200×以实现高质量分析)和高质量的基因组组装(contig的N50作为成本效益最低标准应>30 kbp,更优情况为>100 kbp),特别是对于依赖组装的工具如SISTR21,22,23。此外,工具的选择必须与实验室的计算资源和技术水平相匹配:开源工具如SeqSero2S通过分析原始读长并绕过计算密集型的组装过程,为快速筛查提供了更高效的选择15,而生物信息学能力有限的实验室可能在数据分析和存储方面面临困难。因此,目前尚缺乏足够的数据来判断在大规模监测中是否可以减少血清学检测20,24,这凸显了对资源适应性方法的需求。值得注意的是,在新冠疫情之后,各级医疗卫生机构中存在大量闲置的测序仪器和qPCR设备,这为重新利用这些资源开展基因组监测提供了契机。
为弥补这一不足,我们使用从中国西南地区食品和人类来源收集的315株Salmonella分离株,对上述基因组血清型分型工具进行了多中心评估25,26。基于这些研究结果,我们建立了一个分层工作流程,该流程考虑了不同实验室资源和监测需求,为在不同情境下选择工具提供了明确的标准。该框架优先推荐使用SeqSero2S进行快速筛查,结合使用SISTR与cgMLST进行暴发调查,从而促进基因组学方法的应用,并减少对传统血清型分型方法的依赖。本文详细描述了该工作流程的每一步骤,包括分离株鉴定、测序、数据分析,以及在不同监测情境下选择预测工具的标准。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
人粪便样本的采集和处理均经四川大学华西第四医院伦理委员会批准(方案编号:HXSY-EC-2022093),符合《赫尔辛基宣言》和良好临床实践要求。根据国家公共卫生法规,免除了知情同意要求。
注意:所有涉及活体Salmonella培养物和人类粪便样本的操作必须由接受过标准微生物操作和生物安全程序培训的人员在生物安全二级(BSL-2)实验室中进行。始终穿戴适当的个人防护装备(PPE),包括实验服、手套和护目镜。定期消毒并更换受污染的手套。实验前后均应使用适当的消毒剂(如70%乙醇、1%次氯酸钠)对所有工作台面进行去污处理。所有含有生物材料的液体和固体废弃物在丢弃前须经高压灭菌处理(如121 °C至少30分钟)。避免产生气溶胶和飞溅。所有可能产生气溶胶的操作(如离心、剧烈震荡)均应在经过认证的生物安全柜内进行。
1. 食品样品采集与菌株鉴定
2. 人体样本采集与菌株鉴定
注意:用于分离的 沙门氏菌 从人类粪便样本中,遵循食源性疾病监测项目的保密协议。
3. 文库构建与全基因组测序
4. 数据分析
5. 关键参数与实际注意事项
注意:以下考虑因素对于在资源有限的环境中成功实施该基因组工作流程至关重要。
6. 高通量血清型预测推荐方案 沙门氏菌 监测
注意:应根据监测背景、所需准确度和可用的实验室资源选择血清型预测方法。对于高通量 Salmonella 监测,请遵循以下方案:
7. 统计分析
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
该方案使用来自中国西南地区的315株Salmonella分离株进行验证,其中213株(2/3)作为训练集,用于比较五种基于全基因组测序的血清型预测方法(MLST、SISTR、SeqSero、SeqSero2和SeqSero2S)与传统血清分型结果的一致性,其余102株(1/3)作为验证集,用于评估MLST、SISTR和SeqSero2S的性能。
训练集分析(n = 213)
重复性评估:传统血清分型与五种基于全基因组测序(WGS)的预测方法之间的符合率均较低,仅达到60.6%(129/213)。相比之下,任意两种WGS方法之间的两两符合率高达99.1%(211/213),而82.2%的菌株(175/213)在全部五种方法中获得一致结果。这种显著差异(82.2% vs. 60.6%,P<0.001)凸显了基因组学方法在重复性方面显著优于传统血清学方法(图1)。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
这项大规模评估涵盖了中国西南地区分离的315株Salmonella,结果表明,基于全基因组测序(WGS)的血清型分型方法相较于传统方法具有更优的可重复性(84.1% 对比 62.9% 的覆盖率,P<0.001)。我们的研究结果验证了一套完整的基因组分析流程,其中样本制备和DNA质量控制等关键初始步骤(第1–3节)直接影响后续分析的可靠性。本方案强调为依赖组装的工具(第4–5节)提供高质量的基因组组装结果(优选>100 kbp)。分层实施策略使各实验室可根据自身的监测需求和计算资源选择合适的方法:SISTR适用于确证性分析(在训练集和验证集中一致性均达100%),MLST(98.1%/97.1%)和SeqSero2S(90.1%/93.1%)适用于常规监测,而SeqSero2S则可用于快速筛查(第6节)。该框架有效应对了实际实验室中的资源限制,例如在资源有限的环境中,SeqSero2S可作为可行替代方案,无需进行计算密集型的基因组组装步骤,同时仍可保持91.1%的覆盖率15。
我们观察到某些血清型的符合...
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
作者声明无利益冲突。
本工作获得了西藏和四川科学技术局基金(XZ202301ZY0049G、2024NSFSC0563 资助 H.Z.,2024NSFSC0033 资助 X.P.)、四川省科技计划项目(2024JDRC0032 资助 Y.X.)、卫生健康领域新质生产力培育项目(HN240302C 资助 H.Z.)、公共卫生实验室科学学科振兴项目(2023SY-04 资助 H.Z.)以及四川大学华西公共卫生学院/华西第四医院的资助。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| BioNumerics(版本 7.6) | Applied Maths | https://bionumerics.software.informer.com/7.6/ | MLST/血清型预测/系统发育分析 |
| CHROMagar 沙门氏菌培养基 | Becton, Dickinson and Company | 214983 | 选择性沙门氏菌显色培养基 |
| Fastp(版本 0.23.0) | 开源 | https://github.com/OpenGene/fastp | 测序读段质量控制 |
| Illumina NovaSeq 6000 测序系统 | Illumina | 20012850 | 全基因组测序平台 |
| M220 聚焦式超声破碎仪 | Covaris | 500295 | DNA片段化 |
| Magbeads 快速土壤DNA提取试剂盒 | MP Biomedicals | MP116560200 | 基因组DNA提取试剂盒 |
| Microsoft Excel 2016 | Microsoft | KB5002794 | 数据管理 |
| NEXTFLEX 快速DNA-Seq建库试剂盒 | Revvity | 50-255-1124 | 测序文库构建 |
| Qubit 2.0 荧光计 | Thermo Fisher Scientific | Q32866 | DNA定量 |
| Qubit dsDNA 高敏检测试剂盒 | Thermo Fisher Scientific | Q32851 | DNA定量 |
| R(版本 4.1.2) | R Foundation | https://www.r-project.org/ | 统计计算 |
| 沙门氏菌抗血清试剂盒 | Statens Serum Institute | 60898 | O/H抗原检测 |
| SeqSero | 开源 | https://github.com/denglab/SeqSero | 血清型预测 |
| SeqSero2 | 开源 | https://github.com/denglab/SeqSero2 | 血清型预测 |
| SeqSero2S | 开源 | https://github.com/denglab/SeqSero2s | 血清型预测 |
| SISTR | 开源 | https://github.com/phac-nml/sistr_cmd | 血清型预测 |
| SPAdes(版本 3.15.0) | 开源 | https://github.com/ablab/spades | 基因组组装 |
| Swarm 琼脂培养基 | BD Biosciences | 211519 | 用于血清型鉴定孵育 |
| TBS-380 荧光计 | Turner BioSystems | P/N 3800-003 | DNA定量 |
| VITEK 2 Compact 系统 | BioMérieux | 95061-768 | 自动化微生物鉴定系统 |
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
申请许可以重复使用本 JoVE 文章的文本或图表
申请许可