结核分枝杆菌的DNA曾被发现于古埃及格兰维尔木乃伊体内。结核病（TB）是我们已知最古老且最致命的传染病之一，通常影响肺部，但也可能波及其他身体部位如脊柱、大脑或肾脏。事实上，考古发现的埃及木乃伊带有未经治疗的结核感染典型骨骼畸形，甚至出现在埃及艺术作品中。
由结核分枝杆菌引发的结核病在21世纪仍每年导致超过百万人死亡。然而，我们对其持续致命性的理解始终未能突破。抗生素最早于20世纪40年代用于治疗结核病，但细菌很快开始产生耐药性。部分菌株甚至发展出多重耐药性，使其更难治疗。
数十年来，我们通过研究细菌DNA来理解其耐药性演化机制，但依赖的工具始终未能发现故事的重要部分。在我们发表于《自然·通讯》的最新研究中，运用新技术识别出此前未知的结核分枝杆菌基因变异，构建了更完整的基因组图谱，解锁了潜在的治疗靶点。
结核病监测新突破
传统短读长DNA测序是全球病原体监测的基石，可识别驱动耐药性演化的微小基因突变并追踪疫情暴发。但短读长测序难以准确呈现结核基因组最复杂的区域——这些区域充满重复序列、移动元件和大型重排结构。
直到最近，大多数这类大型结构DNA变化（即结构变异体）实际上处于"隐形"状态。本研究采用前沿的长读长DNA测序结合基因组图谱分析技术，发现了先前被无意忽略的基因变异。
不同于传统单一参考基因组，新技术首次使我们能够表征和比较结核分枝杆菌物种内菌株的全部遗传多样性。这些遗传序列集合构成首个结核分枝杆菌泛基因组，可代表物种全部遗传变异，而非仅描述单一实例。
这至关重要，因为某种结核分枝杆菌菌株可能仅引发轻微疾病，而携带抗生素耐药突变或毒力差异的另一菌株可能导致更严重疾病或更难治疗。通过这种更灵活、更全面的框架，我们得以绘制和比较短读长方法始终遗漏的细菌基因组区域，进而观察到前所未有的现象。
DNA重排与抗生素耐药性
长读长数据揭示了基因组范围的大型结构变化——可重塑细菌生物学特性的缺失、重复、插入和倒位。许多重排由名为IS6110的小段DNA驱动，该元件可在基因组中移动并触发周围DNA的剧烈变化。
通过绘制这些基因变异图谱，我们追溯了其起源、发生频率及其对不同结核分枝杆菌菌株的影响。关键在于这些结构变异如何影响细菌适应、传播和抵抗抗生素的能力。
计算分析显示，特定重排与独特的耐药特征相关联。某些结构变异影响基因拷贝数量：例如，通过完全删除某个基因，部分菌株无法代谢药物从而完全逃避药物杀伤。其他变异则破坏调控元件——即控制基因活性时间、位置及强度的基因组区域。
这类基因组变化为结核分枝杆菌提供了生存药物治疗的替代途径，而仅观察微小DNA突变无法检测到此机制。这解释了为何仅基于已知微小突变预测时，某些结核分离株的表现会与预期不符，也表明结构变异在塑造耐药性长期演化中的作用比先前认知更为活跃。
研究最引人注目的发现之一，是此前被忽略的DNA区域隐藏着大量重要生物学信息。当研究仅聚焦单核苷酸变化时，其余基因组看似"沉默"；但长读长测序揭开这些困难区域后，我们发现它们始终充满进化活动。
解析"隐形"DNA变化
结核病仍是持久威胁，耐药菌株属于最难治疗且成本最高的感染类型之一。通过揭示与耐药性相关的结构变异，本研究为改进预测模型和完善诊断工具提供了新线索。
若能在临床样本中识别这些大型基因组变化，我们将更准确预判哪些菌株可能治疗失败或传播耐药菌株，这对为患者提供针对性药物组合至关重要。该研究对监测工作亦有重大意义：全球公共卫生项目依赖基因组数据监控结核传播与耐药趋势。将长读长测序和泛基因组方法整合至这些项目，可提供更清晰准确的细菌实时演化视图。随着长读长技术成本降低和可扩展性提升，这一目标正逐步可行。
尽管本研究基于计算和实验室分析，其影响终将延伸至临床。更精确的基因组解读可强化治疗决策，指导新型诊断工具开发，并帮助卫生系统应对新兴耐药菌株。在结核病领域，延迟诊断可能造成重大影响，而更高的基因组分辨率可直接转化为更优治疗效果。
疾病诊疗与追踪的新工具
本项目标志着结核病研究范式的转变：我们不再将基因组视为固定参考序列，而是开始将其视为动态景观——在选择压力下持续变化、重排和适应。长读长测序和泛基因组学使我们得以全景观察这一景观。
仍有诸多未知待探索：下一步需将结构变异整合至耐药预测模型，通过更多样化菌株扩展泛基因组图谱，并与合作者探究这些基因组变化如何影响传播与生存。目标是将结构变异分析纳入结核基因组学常规流程，而非仅限于专业研究工具。
这些发现揭示了此前隐形的结核病遗传变化，为检测和治疗耐药性结核病（乃至其他疾病）开辟了新路径。这种"可见性"至关重要——因为我们只能对抗我们能够看见的敌人。
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