基因组学揭示了细菌之间的竞争如何影响疫苗接种的影响

肺炎链球菌的大规模遗传和模拟研究为最近引入的疫苗如何消除该物种中的许多菌株以及剩余细菌竞争替代它们的机会的多种方式提供了新的见解。肺炎链球菌通常位于鼻腔后方，通常无害。然而，它可以移动到其他身体部位，导致它在英国每年导致数千例严重的肺炎球菌疾病，并且在许多低收入或中等收入国家的疾病负担要大得多。这些感染导致肺炎，血流感染或脑膜炎，并且在年幼婴儿和老年人中最常见。作为回应，已经引入了两种不同的疫苗来对抗英国的肺炎链球菌：2006年的7价疫苗，在2010年被13价疫苗取代。自儿童开始接种疫苗以来，疫苗数量一直在下降。肺炎球菌病的发病率。

经过几年的常规疫苗接种后，许多肺炎链球菌菌株，包括最常见的致病菌株，已被淘汰。然而，细菌在鼻腔后部无害的栖息地中并没有那么普遍。相反，疫苗靶向菌株已被其他不太常引起儿童疾病的菌株所取代。发表在“ 自然生态学与进化论 ”(Nature Ecology&Evolution)上的最新研究为如何发生这种情况提供了新的解释。

本研究使用了三个大型基因组，在Wellcome Trust Sanger研究所测序，以跟踪英国，美国和荷兰的疫苗接种效果。研究人员不是研究个体菌株本身的流行变化，而是研究高度多样化的肺炎链球菌群体中基因的频率。

虽然不同的肺炎链球菌菌株在不同的位置占主导地位，但是从全基因组测序获得的详细信息显示每个肺炎链球菌群体在基因频率方面是相似的。在将疫苗接种计划开始时的细菌种群与几年后的相同位置进行比较时也是这种情况。研究人员的计算模型显示，这种可能性很小。

为了准确探索基因频率的动态，研究人员呼吁最近收集的大量遗传数据和新的数学方法将计算机模拟与实际数据进行比较。由桑格研究所的感染基因组学团队的Jukka Corander开发的新算法实现了更精确的建模，并且可以使用此类模型估算速率结果，最高可达10,000倍。

结果表明了特定类型的自然选择的重要性，其中基因对于在稀有时发现它们的细菌更有利 - 因此称为“负频率依赖性选择”。这可能是由细菌菌株之间的竞争引起的，对基因组序列的详细分析表明了这种情况可能发生的多种方式。例如，肺炎链球菌细胞分泌化学物质以防止其他菌株的生长，易受不同病毒感染，采用多种获取营养物的策略，并且它们如何被人免疫系统识别。这些不同过程的相对重要性仍然没有得到很好的理解。

该模型有望揭示为什么一些细菌具有如此复杂的种群结构，使其难以通过疫苗接种完全消除。作者推测，在基因水平上发生的负频率依赖性选择是不同细菌种类之间的共同机制。随着全基因组测序用于流行病学监测变得越来越常规，这些研究将为设计更好的控制策略和更彻底地了解其后遗症提​​供有价值的基础。