一文详解细菌耐药性生信分析:从下机数据到耐药基因鉴定
细菌耐药性是指细菌对抗生素或其他抗菌药物的抵抗能力。这种现象在全球范围内对公共卫生构成了巨大威胁。随着抗生素的广泛使用，细菌逐渐发展出多种耐药机制，如基因突变、水平基因转移等。因此，研究细菌耐药性变得尤为重要。前面我们前后学习了细菌耐药性分析的相关工具，今天我们就来整理下细菌耐药性生信分析所涉及的常用数据库和工具。
数据库
1. CARD
- • 网址：https://card.mcmaster.ca。
- • 特点：它是一个综合性的抗生素耐药性数据库。这个数据库整合了来自多个来源的数据，像耐药基因、突变、耐药机制等相关信息都包含在内。而且数据更新比较及时，还提供了用于研究和监测抗生素耐药性的工具和算法。例如，在研究某种细菌对多种抗生素的耐药性机制时，可以在这里找到很多有用的信息。
- 2. ResFinder
- • 网址：https://cge.cbs.dtu.dk/services/resfinder/。
- • 特点：是在早期ardb数据库基础上发展而来的。这里收录了通过水平转移获得的耐药基因，有3097条耐药基因序列，分类很全面。目前版本已经更新到4.1了，这些耐药基因是从不同网站和发表的文献中收集来的。它还支持本地化查找分析已知耐药基因序列，并且可以用pointfinder识别染色体上靶基因的点突变，这对研究耐药突变机制和开发新型抗生素很有意义。
- 3. NCBI
- • 网址：https://www.ncbi.nlm.nih.gov/。
- • 特点：这是一个超大的综合性生物信息学数据库。其中包含了大量基因序列和相关信息，在研究细菌耐药性时，可以通过它的GenBank、RefSeq等不同数据库来查找和获取与耐药性相关的基因序列、注释信息等。就像是一个巨大的信息宝库，很多其他研究也会基于这个数据库的数据做进一步的分析。
- 4. MEGARES
- • 网址：https://www.meglab.org/
- • 特点：它主要关注耐药基因的结构信息。通过对基因序列的结构分析，能提供耐药基因的结构特征、变异情况等信息，有助于我们深入了解耐药基因是如何进化和传播的。
- 5. TBDREAMdb
- • 网址：https://www.mrsn.org/
- • 特点：专注于多重耐药细菌的监测和数据共享，提供详细的耐药基因和菌株信息。
- 6. MRSN
- • 网址：https://patricbrc.org/
- • 特点：一个综合性的生物信息学资源中心，提供细菌基因组数据、蛋白质组数据和耐药性信息。
- 7. PATRIC
- • 网址：http://www.genomicepidemiology.org/
- • 特点：专注于抗生素耐药基因的注释和分类，提供详细的基因信息和相关的元数据。
- 8. DRUM
- • 网址：https://www.drum-db.com/ • 特点：一个全面的数据库，涵盖了多种微生物的耐药机制，包括基因、突变和代谢 途径等信息。
- 9. BacMet
- • 网址：http://bacmet.biomedicine.gu.se/• 特点：BacMet专注于细菌金属抗性和生物杀灭剂耐药性基因的研究，是研究金属 抗性的重要资源。
- 10. OneBR
- • OneBR是一个巴西开发的多病原体基因组数据库，整合了人类、动物和环境样本的耐药性数据。它为研究人员提供了一个全面的平台，用于监测和分析抗生素耐药性。
- 11. UniProt
- • UniProt在细菌耐药性研究中可提供耐药相关蛋白质序列、注释其功能以阐释耐药机制和识别药物靶点，同时整合共享数据并支持对耐药蛋白的进化研究。
常用工具
上游：预处理与基因组组装
1. 数据预处理工具
在组装之前，数据预处理非常重要。常用的工具包括：
- • Trimmomatic：用于去除测序数据中的低质量片段和接头序列
- • Cutadapt：专门用于去除接头序列，提高数据质量
- • Trim Galore：专注于去除接头序列和低质量碱基
- 参考文章：生信软件，就是赢家通吃：最佳FASTQ质控软件
2. 基因组组装工具
在细菌耐药性研究中，基因组组装是第一步。常用的基因组组装工具有SPAdes、 Unicycler、Shovill和Flye等。
- SPAdes
- SPAdes是一款专为测序数据组装和分析而设计的多功能工具包。适用于短读测序数据，能够高效地组装复杂基因组。
- 参考文章：掌握这些工具，你也是生信大神
- BWA
- 用于将短读序列比对到参考基因组上，是组装后的必需步骤。
中游：功能注释与耐药基因识别
- 1. 变异检测 通过变异检查发现基因组中的变异情况，以便后续分析。常用工具有：
- Snippy
- Snippy是一款用于快速检测和比对基因组序列变异（如单核苷酸多态性等）的工具，它能高效处理大量数据并以直观的方式呈现变异结果，常用于微生物基因组研究和进化分析等领域。
- 参考文章：Snippy：微生物变异检测，又一款来自生信大神的力作
- Snipit
- Snipit是一款专注于微生物基因组变异检测的工具，特别适用于病原体基因组变异分析。通过比较不同样本之间的单核苷酸多态性（SNPs），Snipit 可以帮助我们追踪病原体的传播路径，识别可能的传播链。
- 参考文章：如何简单快捷进行SNP分析与可视化
- 2. 功能注释
功能注释是理解基因组功能的关键步骤。常用的工具包括：
- Prokka
- Prokka自动完成基因注释，生成基因功能信息。Prokka仅适用于细菌、古菌和病毒基因组的注释，不支持真核生物基因组的多外显子基因模型注释。
- 参考文章：昨日重现：一个软件，让我想起了生物信息学的黄金时代
- Bakta
- Bakta使用Diamond进行快速比对，特别适合大规模基因组数据。
- 参考文章：Bakta：快速 & 标准化的细菌基因组和质粒注释工具
- RGI
- RGI是CARD开发的软件，利用多种模型预测抗性基因。它可以处理DNA/蛋白质序列和宏基因组reads，输出详细的注释信息。
- MGEfinder
- MGEfinder是一个用于检测“跳跃基因”的工具，这些基因在抗生素耐药性的发展中起关键作用。它能够识别新出现的跳跃基因，帮助研究人员理解耐药机制。
3. 耐药基因识别工具
识别耐药基因是细菌耐药性研究的核心。常用的工具包括：
AMRFinderPlus
AMRFinderPlus是一款由美国国立生物技术信息中心（NCBI）开发的开源软件工具。它不仅能识别细菌基因组中的AMR基因和点突变，还能找出一些特定生物的应激、热应激和生物杀灭剂抗性基因。这些功能让它成为研究细菌耐药性不可或缺的工具。
AbriTAMR
AbriTAMR是一个专门用于检测和分析抗生素耐药性基因的工具。它能够从基因组数据中识别出多种耐药基因，并提供详细的分析报告。这对于研究细菌耐药性机制、监测耐药性传播以及开发新的抗菌药物具有重要意义。
ABRicate
ABRicate是由tseemann开发的一款非常方便的工具，主要用于扫描细菌基因组fasta数据，识别其中的毒力基因和耐药基因。它的优点在于整合了多个功能基因数据库，让你无需额外下载和构建数据库，就能进行全面的基因组分析。
参考文章：ABRicate：轻松快速帮你完成细菌耐药基因及毒力基因鉴定
Kleborate
Kleborate是一个专门为克雷伯菌（Klebsiella pneumoniae）及其相关物种复合群设计的基因分型工具。它能够从基因组组装中直接整合检测和基因分型关键的毒力和抗性基因位点，同时还包括物种（菌种鉴定）、谱系（MLST分型）和K/O抗原血清型预测（血清分型）。
下游：数据分析与可视化
1. 数据分析工具
数据分析是理解耐药性机制的重要环节。常用的工具包括：
- • Diamond：快速比对工具，适用于蛋白序列或翻译后的核苷酸序列。
- 参考文章：为了加快蛋白质序列比对，研究人员开发了这一款比BLAST快10,000x的软件
- • BLAST+：经典的序列比对工具，广泛应用于耐药基因的识别。
2. 可视化工具
将复杂的数据转化为直观的图表是科学研究的重要部分。常用的可视化工具包括：
- • Plascad：用于分类细菌质粒、共定位抗菌素耐药基因（AMR）并可视化质粒信息。 • ResistoXplorer：基于Web的耐药基因组数据可视化、统计和探索工具。 • oriTfinder：在线工具，用于识别质粒和整合性接合元件（ICE）序列中的oriT、松弛酶、T4CP和T4SS等接合转移功能模块，并进行可视化显示 • nanook rt package：用于实时分析nanopore测序数据进行菌种分类和抗生素抗性鉴定的工具，并提供可视化分析。
总结
细菌耐药性研究是一个复杂但至关重要的领域。这些数据库和工具各有特色，能够满足不同研究需求。通过结合使用这些资源，研究人员可以更高效地识别和分析耐药基因，可以更全面地了解细菌耐药性的机制和传播途径，从而为公共卫生和临床治疗提供有力支持。如果你不想安装本地软件和配置数据库等，或者希望随时随地进行细菌耐药性分析，则可以在Galaxy生信云平台（usegalaxy.cn）上完成大部分分析。希望这篇文章能够帮助你更好地了解细菌耐药性分析，如果你有任何问题和建议，欢迎在评论区留言讨论哦！
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