我国是全球22个结核高负担国家之一,结核病人数位居世界第二。我国的结核疫情主要由结核分枝杆菌北京家族菌株(简称北京菌株)所致。该菌株在东亚各国高度流行,并在全球广泛传播。在表型上,北京菌株通常被认为具有更强的致病性和耐药性,但不同实验或地区的结果并不一致；在基因型上,北京菌株被认为是一个遗传相似度极高的群体,但近期大量分型或测序数据提示该群体内部存在一定的遗传差异性。目前为止,北京菌株的遗传结构仍缺乏系统的研究；北京菌株的起源问题也存在争议。了解北京菌株的起源、进化和传播历史对进一步认识其在全球的广泛分布及其致病性和耐药性有重要意义。通过对从全球范围内收集的58株北京菌株的22个3R基因进行测序分析,我们首先建立了北京菌株高分辨率的系统发生树；根据该系统树,北京菌株可被进一步分为多个相互间具有一定遗传距离的亚型。随后通过对305株北京菌株进行单核苷酸多态性(SNP)分型,我们进一步研究了全球北京菌株的群体结构。分型结果提示,全球范围流行的北京菌株主要由一个近期进化出的Bmyc10亚型所致。为了进一步探索北京菌株的起源、进化及其与人类迁移的联系,我们对全国范围内11个省市收集的北京菌株进行了SNP分型。同时我们从上海市收集的北京菌株中挑选了各亚型的代表菌株(共计39株)进行全基因组测序。联合已发表的22个结核全基因组测序数据,我们构建了全基因组系统发生树；同时,通过贝叶斯进化分析我们推算了北京及其亚型菌株的起源年代。根据该系统发生树,我们发现前期在东南亚地区分离的“前北京”菌株代表了北京菌株祖先最早分化的一个分枝；而对全国范围内的菌株分型结果表明“前北京”菌株非常稀少且仅存在于我国南方地区(广西、福建、浙江和四川)。时间推算结果显示北京菌株的起源年代为距今2-3万年左右,该时间和东亚人口在东南亚起源的年代完全相符。综上我们推断北京菌株很可能起源于东南亚和我国南方交界的地区。北京家族各亚型菌株在11个省市的分布表明,早期分化的“古老”型菌株在全国广泛存在,且在西藏和日韩等地为主要流行菌株。联合东亚早期人口迁移路线,我们推测北京菌株在东南亚一带起源后,随着人群从南向北的迁移传播到我国大部分地区并到达日韩等地。“现代”型菌株是我国除西藏外其他地区的主要流行菌株,其在汉族人群中的比例显著高于在少数名族人群中的比例。而汉族人群中,北方人群中的比例显著高于南方。因此我们推测“现代”型菌株可能起源于北方汉族的祖先人群中。全基因组系统发生树显示“现代”型菌株在距今约6000年前发牛了次大规模的扩张,这与“新石器”时期农业产生后仰韶社会人群(北方汉族祖先)扩张的年代完全相符,从而进一步证明了“现代”菌株很可能起源于我国北方。北方汉族人群在近2000多年的时间在东亚发生了大规模扩张和迁移,我们推测“现代”型菌株在我国及东亚各地区广泛的分布很可能与汉族人群的迁移相关。在汉族人口较少的西藏和日韩等地,“现代”型菌株比例甚至低于“古老”型,从而进一步证明了这一假设。“现代”型北京菌株在早期北方人群中的扩张及后来在东亚及世界各地广泛流行都提示该亚型菌株很可能具有较强的致病性。我们相信通过更深入的比较基因组学研究很可能找出该亚型菌株菌株成为优势菌株的遗传学机制。另外,“现代”菌株在我国的高度流行提示结防部门需加大病例发现和早期诊断的力度,从而降低该菌株在人群中的传播和进一步扩张。“现代”型北京菌株在我国庞大群体数量及菌株间高度的遗传相似性使得研究该菌株的近期传播比较困难。目前欧美推行的15和24位点可变串联重复序列(VNTR)分型方法在运用于我国流行的北京菌株群体时往往存在簇病例间无流行病学联系的情况。通过对上海市崇明地区以人群为基础收集的191株北京菌株进行15位点VNTR和8位点SNP分型,我们发现5个15位点定义的簇菌株包含了两个或多个北京亚型的菌株。通过联合VNTR和SNP构建系统树,我们证明以上现象一方面是由于15位点VNTR对“现代”型菌株分辨力偏低所致；另一方面,“现代”型菌株间通过趋同或平行进化形成的VNTR基因型非同源相似性也会导致错误的定义簇菌株。所以,我们推荐联合SNP和VNTR分型在“现代”型北京菌株高度流行的地区进行分子流行病学研究。但目前为止,仍缺乏统一的VNTR分型方案用于我国结核分子流行病学研究。标准的15和24位点VNTR因其位点数较多且很多位点分辨力较低而不太适用于我国结核分型。通过对筛选的24个位点在全国范围6个地区以人群为基础收集的1375株菌株中进行分辨力及各种VNTR组合的HGI值进行研究,我们挑选了广泛适用的10个VNTR位点(MIRU10,26,31,40; QUB11b,18,26; Mtub04,21及ETR-A)作为研究我国结核分子流行病学的一线分型方案。这10个位点联合3个高变位点及QUB11a作为二线分型方案,可准确的定义不同地区菌株的近期传播。全基因组比对的结果表明,北京各亚型菌株间存在一定的遗传学差异。我们推测这些差异会导致不同亚型菌株间对抗生素适应性的异同。通过对上海市疾控中心2004-2008年收集的242个耐多药菌株进行SNP分型及一线药物耐药突变分析,我们发现高度流行的“现代”型北京菌株在rpoB531位点的突变频率较其在其它亚型菌株高(OR=1.8,P=0.04)；而在几个低度流行的“古老”亚型菌株中,利福平耐药突变主要分布在rpoB531和rpoB526位点以外(OR=3.16,P<0.01)。rpoB531和ropB526位点的突变由于对细菌适应力的损伤较低,被认为是导致利福平耐药的优势突变。“现代”型菌株可能具有更强的致病性使其在病人体内具有更高的菌载量,从而更易筛选出携带优势突变的耐药菌株。根据这242个耐多药菌株的突变特征,我们筛选出了11个位点用于预测一线药物耐药表型。该11位点可预测93.8%利福平耐药,89.3%异烟肼耐药及86.8%耐多药表型。基于这些突变位点,我们进一步研发了一种基于实时荧光PCR探针溶解曲线分析的新技术用于耐药结核的快速诊断。由于该方法只用了一种荧光标记的探针,所以成本较低且可广泛适用于各种荧光PCR检测平台。综上,本论文通过研究结核北京菌株的起源和进化进一步揭示了结核的传播与现代人类迁移、扩张之间密切的联系。我们的结论为进一步研究结核菌致病机制提供了重要线索。同时我们为我国结核分子流行病学研究提供了可靠的、广泛适用的分型方案；为耐药结核的快速诊断提供了可靠的分子生物学方法。