高精准长读长HiFi测序助力支原体研究：从基因组到代谢模型的多维探索

与美洲中型蝎共存的支原体新物种的基因组分析

该研究报道了第一个从美洲中型蝎Centruroides vittatus测序、鉴定和注释的完整支原体基因组Mycoplasma vittatus。该基因组比其他支原体基因组小（683,827 bp的单环染色体），并且表现出更高的GC含量（42.7%），具有987个蛋白质编码基因。分析其毒力决定因素包括11个与蛋白质合成或DNA转录相关的毒力操纵子相关的基因，以及10个与抗生素和毒性化合物耐药性相关的基因（其中6个基因产生抗氟喹诺酮类药物的蛋白质）。

由于支原体主要以细胞内共生体的形式存在，因此转运体系统对于从宿主那里获取营养至关重要。分析发现，M. vittatus 转运蛋白系统中鉴定的四个基因属于ABC转运蛋白系统。针对节肢动物基因组学的进一步基因组研究可以帮助揭示节肢动物与其支原体共生体之间的其他复杂关系。

以单碱基分辨率对生殖支原体和肺炎支原体进行全面的甲基化组表征

该研究是最早使用全基因组方法研究甲基化在细菌生物体中的生物学作用的研究之一。

众所周知，细菌中的DNA甲基化在细胞分裂、DNA修复、基因表达调节和发病机制中起重要作用。虽然有许多研究证明了甲基化在细菌表观遗传控制中的潜在作用，但研究数量明显少于真核生物的研究数量。缺乏对细菌表观遗传学的研究的部分原因是当时缺乏一种简单的方法，可以快速、灵敏地检测这些生物体中常见的表观遗传标记物，例如 6 mA和4 mC。而PacBio单分子实时测序的长读长测序技术可以在基因组测序同时快速灵敏地检测这些生物体中的常见表观遗传标记（5 mC、6 mA和4 mC），解决了这一难题。因此本研究使用PacBio单分子实时（SMRT）测序来确定两种相关的人类病原体物种，生殖支原体 G-37和肺炎支原体M129的甲基化组。

• 确定了两个以前未在细菌中描述的新甲基化基序：两种细菌共有的广泛6 mA甲基化基序 （5'-CTAT-3'），以及肺炎支原体中独有的复杂I型m6A序列基序（5'-GAN（7）TAY-3'/3'-CTN（7）ATR-5'）。

• 确定了负责共同基序的甲基转移酶，并提出了与肺炎支原体独特基序相关的甲基转移酶。

• 对肺炎支原体基因组中甲基化位点分布的分析表明，甲基化在调节细胞周期以及基因表达调节中具有潜在作用。

这项研究证明了SMRT测序直接对整个微生物基因组的甲基化组进行测序和剖析的独特能力，从而在理解表观基因组学在原核生物世界中的作用方面取得了前所未有的进展。

基于全基因组构建猪肺炎支原体的代谢模型，优化生长速率

猪肺炎支原体被大规模培养以生产抗原，用于生产针对猪呼吸系统疾病的灭活全细胞疫苗。然而，这种最小细菌的苛刻营养需求和低生长速率使得达到足够的生物量产量来生产抗原具有挑战性。

因此，该研究基于PacBio对猪肺炎支原体菌株11进行了全基因组测序，并构建了一个基于约束的基因组规模代谢模型用以优化支原体生长速率：

• 组装生成898,877 bp的支原体基因组，由5个scaffold组成，长度分别为341707、244821、176273、32027和4049 bp，平均GC含量为28.6%。将菌株11的基因组与目前发表的猪肺炎支原体基因组（菌株：232、J、168L、168、7422和7448）进行了蛋白质组成的比较，确定了866个蛋白质，其中 846 个（98%）存在于所有菌株中。所以得出结论，这些猪肺炎支原体菌株的代谢能力被预测为高度相似。

• 接着，基于全基因组测序结果构建了一个包含284个化学反应和298个代谢物的高质量的基于约束的基因组规模代谢模型。该模型预测，84%的细胞能量用于非生长相关的维持，只有16%的细胞能量用于生长和生长相关的维持。

• 基于已有研究及模型预测：在培养基中添加丙酮酸可以增加生长速率。经验证，添加丙酮酸发酵 3-4 天后总生物量浓度增加了2.3倍，提高了整个过程的生产率。

该研究为理解和进一步改进猪肺炎分枝杆菌发酵过程提供了坚实的基础。