Nat Commun｜结构变异：解锁结核分枝杆菌耐药与毒力之谜的新钥匙

结核病作为全球致死率最高的单一细菌性传染病，持续对公共卫生构成严峻威胁。据世界卫生组织报告，2022年全球新增结核病患者1060万例，其中耐多药与利福平耐药结核病达45万例，治疗成功率不足60%，而中国耐多药结核病治疗成功率仅为52%。结核分枝杆菌（Mycobacterium tuberculosis, Mtb）作为结核病的致病菌，其基因组变异是导致耐药性产生、毒力演化的核心分子基础。长期以来，学界对Mtb遗传变异的研究多聚焦于单核苷酸多态性（SNP）和小插入/缺失（indel），但尺度更大的结构变异（structural variants, SVs）——包括大片段缺失、重复、倒位等基因组重排事件，其在Mtb中的分布规律与生物学功能尚未得到系统解析。

Mtb具有独特的生物学特性，其细胞壁富含脂质成分，对干燥、酸碱环境具备强抵抗力，且生长缓慢、易发生变异，这些特征使其能在宿主细胞内长期存活并逃避药物攻击。耐药性变异是Mtb最关键的表型变异之一，除了katG、rpoB等基因的点突变已明确与异烟肼、利福平耐药相关外，越来越多的证据表明SVs在Mtb耐药性获得、毒力形成及种群进化中扮演着不可替代的角色。例如，Mtb的毒力与荚膜、索状因子、磷脂等物质密切相关，而这些毒力因子的编码基因区域可能通过SVs发生调控变异，影响菌株致病性。然而，传统短读长测序技术在Mtb高GC含量区域和重复序列区的解析能力有限，加之缺乏高效的分析工具，导致SVs的检出率被严重低估，其生物学意义长期被忽视。尽管长读长测序技术为SVs的精准鉴定提供了技术支撑，但由于成本与技术门槛限制，其在全球范围内的应用规模仍显不足。

2025年11月28日，墨尔本大学Sarah J. Dunstan团队在《Nature Communications》发表的突破性研究，为破解这一难题提供了全新思路。该研究团队整合859株高质量Mtb长读长测序组装基因组，构建了Mtb泛基因组参考图（pangenome reference graph, PRG）——一种能够同时容纳种群共享序列与可变序列的新型基因组数据结构，克服了传统线性参考基因组难以捕捉复杂遗传多样性的局限。在此基础上，研究人员开发了SVs基因分型工具miniwalk，该工具在SV检测精度上显著优于传统线性基因组分析方法，为大规模解析Mtb的SV特征提供了高效手段。

通过对41,134株Mtb临床分离株的系统分析，该研究首次全面刻画了Mtb全基因组范围的SV分布特征，鉴定出多个受自然选择作用的功能性SV事件。研究发现，毒力相关的esx-5基因簇缺失在Mtb系统发育树中反复出现，并在欧洲-美洲谱系（L4）的一个亚谱系中固定下来，提示该SV可能通过影响细菌的分泌系统功能，改变菌株的毒力表型。此外，研究还识别出与金属稳态相关的铜转运蛋白基因缺失事件，该变异在广泛分布的印度洋谱系（L1.2.1）中固定，可能反映了Mtb对宿主微环境金属离子浓度的适应性进化。在耐药性分析中，miniwalk工具成功筛选出与22种一、二线抗结核药物耐药相关的SVs，证实了SVs作为耐药性预测标志物的潜在价值，为耐药结核病的分子诊断提供了新的靶点。

该研究的核心价值在于突破了Mtb遗传变异研究的技术瓶颈与认知局限，明确了SVs在塑造Mtb遗传多样性、驱动耐药性演化及毒力适应中的关键作用。泛基因组参考图与miniwalk工具的结合，不仅解决了SVs高效检测的技术难题，更实现了从“单一菌株参考”到“种群全景视角”的研究范式转变，为解析Mtb的进化机制提供了强大的技术平台。从公共卫生角度而言，该研究鉴定的耐药相关SVs可补充现有耐药基因检测面板，提升耐药结核病诊断的准确性；而毒力相关SVs的发现，则为新型抗结核药物靶点的筛选提供了分子依据。

未来，随着PRG与miniwalk等技术工具的推广应用，有望在更大规模的Mtb临床菌株中验证更多功能性SVs，揭示不同地区、不同谱系菌株的SVs分布特征与流行病学关联。同时，结合转录组、蛋白质组等多组学技术，深入探究SVs调控耐药性与毒力的分子机制，将为耐药结核病的精准防控、新型药物研发提供重要支撑。在全球结核病消除目标的背景下，对Mtb基因组结构变异的系统解析，无疑将为破解耐药结核病防控困境注入新的动力。

参考文献

[1] Dunstan SJ, et al. Genome graphs reveal the importance of structural variation in Mycobacterium tuberculosis evolution and drug resistance[J]. Nature Communications, 2025, 16: 7892.

[2] World Health Organization. Global Tuberculosis Report 2023[R]. Geneva: WHO, 2023.

[3] 医学百科. 结核分枝杆菌[EB/OL]. https://www.wiki8.cn/jiehefenzhiganjun_162237/, 2025-08-28.