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        目前Hi-C宏基因组组装已开始广泛应用到环境中难以培养的微生物基因组的辅助组装中，案例应用请点击（Hi-C技术新应用丨Hi-C在宏基因组中大展身手）。除此之外，宏基因组Hi-C技术更多优势体现在Hi-C关联可移动元件（如质粒、噬菌体、抗性基因、转座子等）与宿主基因组。而宿主-质粒的关联对于理解抗生素耐药性的生态学以及耐药性基因引入临床途径的解析至关重要的；研究细菌与噬菌体之间的关系，是理解噬菌体对微生物群落平衡的基础。

        宏基因组是对环境微生物提取DNA并打断测序，无法重构宿主-质粒/噬菌体关系，Hi-C获得的是DNA空间邻近关系，细胞内的DNA互作强于细胞间DNA互作，基于此原理，Hi-C技术可准确关联质粒/噬菌体-宿主，相关文献发表如下。

案例解析

        基因水平转移是由可移动遗传元件（如质粒、噬菌体、转座子、整合子等）完成，通过质粒转化，结合或噬菌体转导，通过水平基因转移在菌群内的多个细菌菌株间发生转移。其中质粒通常携带某些功能基因，使细胞适应特殊环境，如致育质粒、抗性药性质粒、产细菌素质粒、产毒性、致病性质粒和降解质粒等，其中耐药基因即是通过抗药性质粒途径得以在环境中快速传播，并对人类健康产生严重威胁。

文献：Hi-C将耐药基因组/质粒组与宿主微生物组关联

Linking the resistome and plasmidome to the microbiome

The ISME Journal，2019

1.宏基因组Hi-C组装结果再现添加的细菌和质粒基因组

        研究者构建了2类废水样本，1份不做处理，命名为WW，1份添加了~7 × 10^7 CFU/mL的E. coli K12::gfp，该菌株含有多重耐药质粒pB10::rfp，命名为WWEC。两份样本分别进行宏基因组和Hi-C分析，Hi-C数据分别将2份样本的宏基因组组装的contigs聚类得到1000个以上clusters，其中分别有51（WW）和38（WWEC）个clusters的组装完整性高于80%（Figure 1）。

Figure 1 Hi-C聚类的cluster完整性和污染率评估

        WWEC样本Hi-C聚类得到的EC cluster中，包含了1个cluster (4.2 Mbp) 和3个小的相似丰度的clusters (共480 Kbp)，比对到大肠杆菌基因组和质粒上，完整性超过97%（Figure 2），完整地重现了WWEC中添加的大肠杆菌和质粒基因组信息，且通过Hi-C将该质粒与其宿主大肠杆菌菌株信息聚类到EC cluster。

Figure 2 EC cluster（图上方，contigs from EC cluster）与大肠杆菌 K-12MG1655 和质粒pB10::rfp参考基因组（图下方）比对

2.Hi-C将抗性基因与宿主关联

        经Hi-C数据关联，在WW和WWEC样本中发现抗药性基因（ARGs）通常与γ-变形菌，β-变形菌cluster的contigs关联（Figure 3），近期研究发现ARGs mphE 和 tet39位于Acinetobacter baumannii 质粒上，分析结果中可发现mphE 和 tet39广泛分布在几个隶属于Acinetobacter 的cluster上（Figure 3b），与ARGs有大多数互作的cluster隶属于 Aeromonadaceae（Figure 3a），该科通常与水体环境相关。

因此Hi-C关联结果表明， Aeromonadaceae, Moraxellaceae和Bacteroidetes 最大可能是水体中抗性基因的来源，这也与近期研究结果一致。

Figure 3 WW样本中Hi-C关联质粒markers，整合子，ARGs和隶属于Alpha-，Beta-，Gamma-，and Delta-Proteobacteria的cluster

3.Hi-C将质粒与宿主关联

        经Hi-C数据关联，在WW和WWEC样本确定了质粒的广寄主(BHR)和窄寄主范围(NHR)（Figure 3 C和D），2个已知的BHR plasmids(IncQ-1 and IncQ-2) 在分析结果中，与跨越γ-变形菌，β-变形菌cluster有关联，几个NHR质粒的Markers基本上仅关联到Enterobacteriaceae cluster（Figure 3C），因此Hi-C关联结果表明，Hi-C方法可以在不进行任何培养环节就可以确定质粒的寄主范围，且上述结果与近期研究结果一致。

4.Hi-C将整合子与宿主关联

        在WW样本中，class 1整合子与γ-变形菌，β-变形菌中39 clusters关联，Class 2 和Class 3整合子主要与隶属于Neisseriaceae 的cluster关联(Figure 3e)。class 2整合子之前有报道过在 Neisseria sp.中发现，而class 3 整合子首次在Neisseriaceae中发现。

总    结

        Aeromonadaceae 是研究水体中大多数ARGs和几种已知的BHR 耐药质粒的宿主。Aeromonadaceae广泛存在于水体环境中，其中有些物种对人类和其他脊椎非脊椎动物具有致病性， 研究者推断Aeromonadaceae 可能是该水体中抗性基因传播的重要载体。

参考文献：

1.Stalder T, Press M O, Sullivan S, et al. Linking the Resistome and Plasmidome to the Microbiome[J]. The ISME journal, 2019: 1.

2.Bickhart D M, Watson M, Koren S, et al. Assignment of virus and antimicrobial resistance genes to microbial hosts in a complex microbial community by combined long-read assembly and proximity ligation[J]. Genome biology, 2019, 20(1): 1-18.

3.Stewart R D, Auffret M D, Warr A, et al. Assembly of 913 microbial genomes from metagenomic sequencing of the cow rumen[J]. Nature communications, 2018, 9(1): 870.

4.Marbouty M, Baudry L, Cournac A, et al. Scaffolding bacterial genomes and probing host-virus interactions in gut microbiome by proximity ligation (chromosome capture) assay[J]. Science advances, 2017, 3(2): e1602105.