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國家食源性致病微生物全基因組測序數據庫及測序分析平臺建設進展

來源:微生物實驗室  日期:2018年02月11日  人氣指數:12239

1.國際進展-微生物全基因組測序技術已經成為國際上食源性致病菌鑒定,分型及溯源的金標準技術

由微生物污染引起的食源性危害是中國目前的主要食品安全問題,也是世界各國面臨的共同挑戰。在應對各種致病微生物引起的食源性疾病暴發事件中,快速、準確溯源引起疾病暴發的微生物致病性食品非常重要。傳統的食源性疾病暴發病原的確認通常需要幾周或更長時間,全基因測序技術可在幾天內確定病原,為及時控制并召回病因食品、有效診治患者提供強有力技術支持。因此全基因測序技術已經成為國際上食源性致病菌鑒定,分型及溯源的金標準技術。

脈沖場凝膠電泳分析(Pulsed Field Gel Electrophoresis,PFGE),也稱之為PFGE分子分型(致病菌確認)技術,是我國目前在核酸和分子水平上鑒定細菌的主要手段。PFGE分子分型技術始建于1996年,美國的50個州、美國FDA,美國CDC及美國農業部食品安全檢測局(USDA/FSIS)均為其成員PFGE分子分型技術對病原菌的DNA進行分型,稱之為DNA指紋圖譜(DNA fingerprinting),該技術可以在DNA水平鑒定和區分常見的食源性致病菌。全基因測序技術的迅速實用化,預計美國、歐盟在未來5年內將采用全基因測序技術替代目前傳統的食源性致病菌鑒定,分型及溯源技術。

2008年美國FDA啟動了國家微生物全基因組計劃,2012年美國FDA和美國CDC宣布啟動“10 萬基因組計劃”,該項目歷時五年,旨在合作創建一個包含10萬種食源性致病菌基因組的公共數據庫,以加速食源性疾病暴發的細菌鑒定。該計劃將對約10 萬種重要的食品來源的致病菌(包括沙門氏菌、李斯特菌和大腸桿菌等重要的致病菌)測序,并將測序信息序儲存在美國國立衛生研究院下屬的國家生物技術信息中心(NCBI)的公共數據庫。該數據庫將開放訪問,提供能鑒定病原體及其來源的檢測方法,可以快速準確辨識致病食品。

2014年美國CDC啟動了基于全基因組測序技術的高級生物學檢測項目,宣布在2018年將不再使用PFGE分子分型技術,采用全基因組測序技術用于單增李斯特氏菌的分子分型,以便快速準確鑒定可疑的致病食品。2015年歐盟食品安全局(EFSA)已經將全基因組測序技術用于食品中重要食源性致病菌的鑒定,分子分型,耐藥,血清分型等。

2.國內進展

2013年國家食品安全風險評估中心(CFSA)首次在國內采用全基因組測序技術處理新西蘭恒天然嬰兒配方食品污染可疑肉毒梭菌的食品安全應急事件,如圖1所示。

圖1  2013年新西蘭恒天然嬰兒配方食品污染可疑肉毒梭菌的確認-全基因組測序技術在國內的首次應用

基于全基因測序技術已經成為國際上食源性疾病暴發病原溯源的金標準技術,2015年國家食品安全風險評估中心啟動了《國家食源性致病微生物全基因組測序數據庫》的構建工作,以應用于病因食品的快速準確識別,確保在技術上的國際話語權,技術流程如圖2所示。

圖2 國家食源性致病微生物全基因組數據庫和溯源云平臺構建

進入“十三五”以來,國內對微生物全基因組測序技術已經取得共識,需要迅速將該技術用于食源性致病菌鑒定,分型及溯源,方可在處理國家間微生物污染的食品安全事件中獲得話語權。

3、《國家食源性致病微生物全基因組測序數據庫》進展

1)數據庫已收入1400余株食源性致病菌的全基因組序列數據

對國家污染物監測網絡上報的菌株進行選擇性的質量控制,篩選出具有代表性表性特征,如具有耐藥性或致病性的菌株、持留株或具有生物膜形成能力的菌株進行全基因組測序。將下機原始數據、基因組序列數據及注釋信息儲存在本地數據庫中。截止目前,數據庫已收入1400余株食源性致病菌的全基因組序列數據,如圖3所示。

圖3  食源性致病菌的測序數

     2)全基因組測序數據分析平臺

全基因組測序數據分析平臺整合了包括原始數據處理、菌株鑒定、基因型特征分析和分子學溯源功能的4個不同功能模塊。包括:

1)全基因組拼接注釋本地化分析系統,能夠對原始數據進行質量控制、短序列拼接、組裝、基因注釋和基因組比對,得到基因組序列數據和基因功能注釋信息。

2)基于比較基因組學的菌株鑒定工具,通過對基因組序列數據進行公共數據庫遠程比對,得到分離株菌種、血清型等鑒定信息。

3)基因型特征分析系統,基于本地化病原微生物特征數據庫的耐藥性、毒性、質粒攜帶等微生物學特征進行表型預測和基因型分析。

4)分子學溯源系統,基于本地化MLST(多位點序列分型)和SNP(單核苷酸多態性)數據庫進行菌株分子溯源,構建系統發生樹,并對菌株間進化關系進行分析。

目前,分析平臺已經能夠實現完整的從菌種鑒定到基因型信息到基因型表型特征再到分子學溯源的完整數據分析流程的信息化、高通量化,為食源性病原微生物大數據分析提供了基礎。

3)  擴增子及宏基因組分析平臺

在全基因組測序分析平臺基礎之上,針對菌群分析的需要,進一步開發了擴增子及宏基因組分析平臺。平臺包括基于細菌16S rRNA、真菌18S rRNA測序的菌群物種識別和豐度分析,基于鳥槍法宏基因組測序的物種識別和豐度分析,宏基因組主成分分析,宏基因組信號通路富集分析以及宏基因組的環境因子相關性分析。該平臺可以對腸道菌群、糞便菌群和食品生產加工環境菌群進行綜合全面的分析評估,從而分析食品對腸道菌群影響或確定食源性微生物污染來源。預期通過這一平臺,逐步建立食品對腸道菌群影響參考標準。

預計在未來5年時間內,監測網絡全基因組序列數據庫將能夠承擔全國食源性病原微生物爆發溯源工作,食品微生物污染大數據分析工作和食源性微生物爆發信息化快速應急響應工作的職責。

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