Long-read와 Short-read 시퀀싱을 통한 항생제 내성체 비교 분석

Abstract

The emergence and dissemination of antibiotic resistance genes (ARGs) have become a matter of public health in the world. Most studies on antibiotic resistance in the environment have revealed its risk through quantifying antibiotic resistance genes (ARGs) rather than whole genomes, suggesting the need for research on the mobility and transfer of ARGs. In this study, we investigated the diversity of microbial communities present in the environment using both short-read sequencing (HiSeq) and the recently developed long-read sequencing (MinION). We conducted a comparative analysis on the antibiotic resistome. As a result of investigating microbial communities, 911 and 841 genera were classified based on long-read sequencing and short-read sequencing data, respectively. In the long-read sequencing results, unclassified genera accounted for an average of 8.7%, while the short-read sequencing results showed that 63.3% of genera belonged to the unclassified group. The abundance of antibiotic resistance genes (ARGs) between the two platforms shows a similar trend (Spearman's rho = 0.655, p <0.05), and multidrug resistance (MDR) was found to be the most common type (62.13%, 43%). In MinION and HiSeq results, 69 and 25 types of ARG-mobile genetic element (MGE) pairs present within 5 kb in a read or a contig were detected, respectively, and 183 and 91 ARGs were detected in reads or contigs predicted to be plasmids. Therefore, in this study, the differences between long- and short-read sequencing were compared through microbial community diversity and antibiotic resistance analysis, and suggestions for the future direction of research on antibiotic resistance analysis were proposed.|항생제 내성 유전자의 출현과 전파는 전 세계적인 공중 보건 문제이다. 환경에 존재하는 항생제 내성체에 대한 대부분의 연구에서 whole genome이 아닌 항생제 내성 유전자(antibiotic resistance gene, ARG)의 정량 분석을 통해 그 위험성을 밝혀왔으며, ARG의 이동과 전파에 대한 연구는 아직 충분히 이루어지지 않았다. 이에 본 연구에서는 기존에 수행되고 있던 short-read sequencing (HiSeq)과 비교적 최근 개발된 long-read sequencing (MinION)을 통해 환경에 존재하는 미생물 군집의 다양성을 조사하고, 항생제 내성체에 대한 비교 분석을 실시하였다. 미생물 군집을 조사한 결과, long-read sequencing과 short-read sequencing의 데이터로 각각 911, 841개의 박테리아 속(Genus)을 분류하였다. Long-read sequencing의 결과에서는 분류되지 않은(unclassified) 속이 평균 8.7 %를 차지하는 것에 비해 short-read sequencing의 결과에서는 63.3 %의 속이 unclassified 그룹에 속하는 것으로 나타났다. 두 플랫폼 간의 ARG abundance는 비슷한 경향을 보였으며(Spearman’s rho = 0.655, p <0.05), multidrug resistance (MDR)를 가진 read가 가장 많은 것으로 나타났다. Read와 contig 내에서 5 kb 이내의 거리에 존재하는 ARG와 이동성 유전 인자(mobile genetic element, MGE) 쌍의 종류는 MinION과 HiSeq의 결과에서 각각 69, 25가지가 검출되었다. Plasmid로 예측되는 read와 contig가 가지고 있는 ARG는 MinION과 HiSeq의 결과에서 각각 183, 91개가 검출되었다. ARG를 가지고 있는 read와 contig 중에 sulfonamide/sulfone, aminoglycoside, tetracycline 계열에 내성을 가지고 있는 read와 contig가 대부분 plasmid인 것으로 나타났다. 따라서 본 연구에서는 미생물 군집의 다양성과 항생제 내성체 분석을 통해 long-read sequencing과 short-read sequencing의 차이점을 비교하고, 앞으로 ARG의 이동과 전파에 대한 연구의 방향성을 제시하고자 한다.