如何挖掘微生物抗性基因？
抗生素药物的大规模使用促使大量新耐药菌株的产生。新型耐药微生物影响着人类健康，农业养殖等多个方面，并在水体、土壤、活性淤泥、动物体内都已被发现和报道。耐药菌株的发展令疾病治疗的难度和成本提高，因此对它们的研究也极受关注。
耐药微生物研究最为核心的部分就是耐药基因的鉴定与挖掘。通过对耐药基因的分析，我们可以了解其进化发展历史，也可以解开其耐药机制，为后续药物开发以及疾病治疗提供重要参考资料。
现阶段，通过抗性基因数据库对耐药基因的鉴定挖掘是常用手段。常用的抗性基因数据库有ARDB，AGRO，BacMet，APD3，CARD，ARG-ANNOT等。但由于AGRO只是有抗万古霉素和β-内酰胺两类抗生素的基因信息，BacMet则专注于杀菌剂和金属抗性基因，而APD3则关注抗菌多肽，因此我们今天主要讨论两个比较广泛的数据库：ARDB和CARD。
ARDB数据库[1]
在线网址：https://ardb.cbcb.umd.edu/
引用文章：从2009年开始已经有400多的引用文章，这对一个专业性数据库来说是个不错的数据。
数据库介绍
ARDB（Antibiotic Resistance Genes Database）数据库主要包含细菌病原菌的多种抗性基因数据。在08年刚建库时候只收集了13254条抗性基因序列，通过去除质粒、人工合成、冗余以及不完整序列之后，最后整理了4545条核心信息序列。到09年7月左右，数据库最终扩增到23137条序列（未筛选）。然后结合GO、KEGG等信息，通过该数据库的注释，可以找到耐药性相关基因的名称，所耐受的抗生素种类等信息。
ARDB数据库的核心功能主要分为：基因信息查询、序列比对注释以及同源序列对比。其中序列比对注释是通过BLAST来完成，具体操作见“使用说明”部分。
ARDB建库原理图
使用说明
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打开网址
https://ardb.cbcb.umd.edu/
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基因信息查询
如果疾病研究或克隆需要，要了解某类型微生物的抗性情况，可以选择在线搜索功能。打开网页，在下图中第一个条目选择要搜索的类别：如抗性类型、抗性物种等。然后在第二个条目中输入关键词信息，点击搜索，就可以找到对应抗性基因信息。如下图，第一列选择抗性类型，第二列则填写tetracycline这一类抗生素信息，就可以出来有关tetracycline的抗性基因（如tetR）。
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序列比对注释
如下图所示，点击BLAST，就会跳转出下面的画面。如果有已知蛋白或DNA序列，想知道此序列是否为抗性基因，则可以通过“Regular BLAST”比对获得序列抗性信息。如果通过基因组测序或宏基因组测序拼接获得基因组后，想知道基因组中是否有抗性基因，则可以选择“Genome Annotation”进行比对。
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同源序列对比
抗性基因的突变会影响抗性效果，因此很多研究需要研究抗性基因的变化情况，这可以通过序列之间的对比完成。如果需要了解某类基因的碱基变异情况，只要选择下图中的“mutation detection”，上传序列信息，选择数据库提供16S rRNA、23S rRNA、gyrA、gyrB、parC、parE、rpoB、katG、pncA、embB、folP、dfr等12类基因的参考序列，即可完成比较，挖据基因突变信息。同时，用户如果有新的测序物种，也可以选择下图的“Resistance Profiles Comparisons”，即在全基因水平与数据库的已知物种进行抗性基因比较，在物种水平完成抗性基因进化研究。
CARD数据库[2][3]
细心的朋友会发现，ARDB（Comprehensive Antibiotic Resistance Database）数据库虽然综合性强，引用率高，但它在2009年开始已经没有更新了。这对日新月异的抗性基因研究来说是一件极其受限制的事情。因此，有没有一个更好的耐药基因数据库呢？其实答案就在ARDB的官网当中，它们推荐了CARD这个数据库（见下图）。
数据库介绍
CARD数据库是加拿大的一个生信团队在2013年发布的抗性基因数据库，它包含了ARDB数据库中所有的抗性信息，同时还每月更新，保证数据有效性。
CARD以Antibiotic Resistance Ontology（ARO）为分类单位的形式所构建，其中ARO是数据库所构建term，用于关联抗生素模块及其目标、抗性机制、基因变异等信息。同时，数据库还针对ARO的功能，专门开发了一款名为Resistance Gene Identifier（RGI）的软件程序， 用于基因组数据的抗性基因预测。
ARO的作用描述
引用文章：引用306次，还不错。而且2017年还发表了一篇文章，更新了很多数据库内容和功能。
使用说明
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打开网址
https://card.mcmaster.ca/home
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基因预测
点击“Analyze”，有“BLAST”和”RGI“两种操作模式可以选择。其中RGI是CARD数据库团队开发的基于蛋白预测基因组抗性基因序列的软件，它通过蛋白同源（protein homolog）和蛋白变异（protein variant）两种模式能有更准确检测，同时还提供画图功能，非常高效实用。
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RGI结果可视化
RGI预测分为Perfect、Strict、和Loose几个参数，前者比后者的预测条件更为严格，因此Loose级别的预测结果更多。一般RGI默认Perfect和Strict两种条件。通过在线版的RGI软件，可以对数据进行可视化。
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参考文章：
[1] Liu B, Pop M. ARDB-Antibiotic Resistance Genes Database. Nucleic Acids Res. 2009 Jan;37(Database issue):D443-7
[2] McArthur AG, Waglechner N, Nizam F, Yan A, Azad MA, Baylay AJ et al. (2013). The comprehensive antibiotic resistance database. Antimicrob Agents Chemother 57: 3348–3357.
[3] Jia et al. 2017. CARD 2017: expansion and model-centric curation of the Comprehensive Antibiotic Resistance Database. Nucleic Acids Research, 45, D566-573.
