$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Coraz częstsze stosowanie sekwencjonowania całego genomu bakterii (WGS) jako podstawy rutynowego nadzoru i dochodzenia epidemiologicznego przez laboratoria zdrowia publicznego i agencje regulacyjne znacznie zwiększyło liczbę dochodzeń w sprawie epidemii patogenów1,2,3,4. W związku z tym duże ilości zanonimizowanych danych WGS są obecnie publicznie dostępne i mogą być wykorzystywane do badania aspektów biologii populacji gatunków chorobotwórczych na niespotykaną dotąd skalę, w tym badań opartych na: strukturach populacji, częstości genotypów i częstościach występowania genów/alleli w wielu zbiornikach, regionach geograficznych i typach środowisk5. Najczęściej stosowane badania epidemiologiczne prowadzone przez WGS opierają się na analizach wykorzystujących wyłącznie współdzieloną zawartość genomu podstawowego, przy czym sama współdzielona (konserwowana) zawartość jest wykorzystywana do klasyfikacji genotypowej (np. wywoływanie wariantów), a warianty te stają się podstawą do analizy epidemiologicznej i śledzenia1,2,6,7. Zazwyczaj genotypowanie oparte na genomie rdzenia bakteryjnego przeprowadza się za pomocą metod typowania sekwencji wielu locus (MLST) przy użyciu od siedmiu do kilku tysięcy loci8,9,10. Te strategie oparte na MLST obejmują mapowanie wstępnie zmontowanych lub zmontowanych sekwencji genomowych w wysoce wyselekcjonowanych bazach danych, łącząc w ten sposób informacje o alleli w powtarzalne jednostki genotypowe do analizy epidemiologicznej i ekologicznej11,12. Na przykład ta klasyfikacja oparta na MLST może generować informacje genotypowe na dwóch poziomach rozdzielczości: typy sekwencji niższego poziomu (STs) lub linie ST (7 loci) oraz warianty MLST genomu rdzeniowego wyższego poziomu (cgMLST) (~ 300-3,000 loci)10.
Klasyfikacja genotypowa oparta na MLST jest obliczeniowo przenośna i wysoce odtwarzalna między laboratoriami, co czyni ją powszechnie akceptowaną jako dokładne podejście do podtypowania poniżej poziomu gatunków bakterii13,14. Jednak populacje bakterii są zbudowane z różnymi stopniami klonalności specyficznymi dla gatunku (tj. jednorodnością genotypową), złożonymi wzorcami hierarchicznego pokrewieństwa między genotypami15,16,17 oraz szerokim zakresem zmienności w dystrybucji dodatkowej zawartości genomowej18,19. W związku z tym bardziej holistyczne podejście wykracza poza dyskretne klasyfikacje genotypów MLST i obejmuje hierarchiczne relacje genotypów w różnych skalach rozdzielczości, wraz z mapowaniem dodatkowej zawartości genomowej do klasyfikacji genotypowych, co ułatwia wnioskowanie populacyjne18,20,21. Co więcej, analizy mogą również koncentrować się na wspólnych wzorcach dziedziczenia dodatkowych loci genomowych wśród nawet daleko spokrewnionych genotypów21,22. Ogólnie rzecz biorąc, podejście łączone umożliwia niezależne badanie relacji między strukturą populacji a dystrybucją określonych kompozycji genomowych (np. loci) wśród gradientów geoprzestrzennych lub środowiskowych. Takie podejście może dostarczyć zarówno podstawowych, jak i praktycznych informacji na temat cech ekologicznych określonych populacji, które z kolei mogą wyjaśnić ich tropizm i wzorce dyspersji w zbiornikach, takich jak zwierzęta lub ludzie.
To oparte na systemach hierarchiczne podejście zorientowane na populację wymaga dużych ilości danych WGS, aby uzyskać wystarczającą moc statystyczną do przewidywania rozróżnialnych sygnatur genomowych. W związku z tym podejście to wymaga platformy obliczeniowej zdolnej do przetwarzania wielu tysięcy genomów bakteryjnych jednocześnie. Niedawno opracowano ProkEvo, który jest ogólnodostępną, zautomatyzowaną, przenośną i skalowalną platformą bioinformatyczną, która pozwala na integracyjne, hierarchiczne analizy populacji bakterii, w tym mapowanie pangenomiczne20. ProkEvo pozwala na badanie zbiorów danych bakteryjnych na średnią i dużą skalę, zapewniając jednocześnie ramy do generowania testowalnych i dających się wywnioskować hipotez epidemiologicznych i ekologicznych oraz prognoz fenotypowych, które mogą być dostosowywane przez użytkownika. Prace te uzupełniają ten potok, dostarczając przewodnika na temat wykorzystania plików wyjściowych pochodzących z ProkEvo jako danych wejściowych do analiz i interpretacji hierarchicznych klasyfikacji populacji i pomocniczego wydobycia genomowego. W przedstawionym tutaj studium przypadku wykorzystano populację Salmonella enterica linii I odzwierzęcego serowara S. Newport jako przykład i miał na celu dostarczenie praktycznych wskazówek dla mikrobiologów, ekologów i epidemiologów, jak: i) stosować zautomatyzowane podejście zależne od filogenezy do mapowania genotypów hierarchicznych; ii) ocenia rozkład częstości występowania genotypów jako wskaźnik zastępczy dla oceny sprawności ekologicznej; iii) określić stopnie klonalności specyficzne dla danej linii przy użyciu niezależnych podejść statystycznych; oraz iv) mapowanie różnicujących linię loci oporności na środki przeciwdrobnoustrojowe jako przykład sposobu wydobywania dodatkowej zawartości genomowej w kontekście struktury populacji. W szerszym ujęciu, to podejście analityczne zapewnia uogólnione ramy do przeprowadzenia populacyjnej analizy genomowej w skali, którą można wykorzystać do wnioskowania o wzorcach ewolucyjnych i ekologicznych niezależnie od gatunku docelowego.