肺炎克雷伯菌中毒素-抗毒素系統(tǒng)的生物信息學研究.pdf

1、肺炎克雷伯菌（Klebsiella pneumonia）是醫(yī)源性感染中最重要的革蘭陰性條件致病菌之一。其攜帶的質(zhì)粒和其他可移動遺傳元件快速地介導了獲得性耐藥基因的播散，包括引起全球廣泛關(guān)注的碳青霉烯類抗生素耐藥基因。細菌耐藥質(zhì)粒常編碼RelBE等毒素-抗毒素系統(tǒng)（Toxin-antitoxin system，TA system），以維持其遺傳穩(wěn)定性。近期研究還發(fā)現(xiàn)，HipBA等 TA系統(tǒng)與細菌耐受抗生素的持留細胞的形成相關(guān)。至今已在不同

2、細菌中發(fā)現(xiàn)了5種不同類型TA系統(tǒng)。其中，研究最為深入的II型TA系統(tǒng)常由一對毒素和抗毒素基因組成一個操縱子；當細菌在氨基酸缺乏和抗生素作用等脅迫條件下，抗毒素不穩(wěn)定易被蛋白酶降解，毒素則可引發(fā)細胞進入程序性死亡程序。本論文推測肺炎克雷伯菌染色體和天然質(zhì)粒中存在不同家族的II型TA系統(tǒng)，與肺炎克雷伯菌耐藥性和自然生存等關(guān)鍵生物學特性相關(guān)。本論文利用了生物信息學方法對已測序肺炎克雷伯菌基因組的II型TA系統(tǒng)進行了預測和比較分析，以期輔助實驗

3、研究來解析這些II型TA系統(tǒng)的生物學功能。
　　本論文首先更新了II型TA系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫TADB。在2011年開發(fā)的1.1版本基礎上，重點開展了以下兩個方面的工作：(i)技術(shù)更新，包括后臺關(guān)系型數(shù)據(jù)庫重設計、遷移及前端開發(fā)；(ii)數(shù)據(jù)更新，通過收集和整理新發(fā)表的417篇文獻，經(jīng)過人工校證后新增加了156對實驗驗證的II型TA系統(tǒng)，還將44對I型，2對III型，1對IV型和1對V型TA系統(tǒng)的實驗數(shù)據(jù)加入了數(shù)據(jù)庫。
　　其次，本論

4、文利用TADB2.0的新數(shù)據(jù)集，開發(fā)了預測細菌II型TA系統(tǒng)的在線工具TAfinder。該工具的預測模塊TAfinder-Predict捕捉了TA蛋白序列相似性、保守結(jié)構(gòu)域組成、TA操縱子結(jié)構(gòu)和TA基因長度等特征，提出了II型TA系統(tǒng)預測的新算法；模塊TAfinder-Compare能夠通過序列比對以及毒素和抗毒素的共定位查看TA系統(tǒng)在目標基因組內(nèi)的分布；模塊TAfinder-Context則提供了包括耐藥基因、致病因子及可移動遺傳元件

5、相關(guān)基因的序列比對，可以快速查看 TA系統(tǒng)上下游的基因組成。利用TAfinder工具，在來自于10個肺炎克雷伯菌株的33個染色體和質(zhì)粒的全測序基因組序列中，識別到了共計212對II型TA系統(tǒng)；其中，在77對 TA系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)了尚無實驗報道的、含有 GNAT(Gcn5-related acetyl transferase)功能域的毒素蛋白。比較分析顯示，這些 TA系統(tǒng)不僅在菌株間的分布存在差異，其在染色體和質(zhì)粒間的分布也存在著差異。

6、　　最后，本論文進一步考查了II型TA系統(tǒng)在已測序細菌基因組及可移動遺傳元件中的分布。在來自2194個菌株的7523個全測序染色體和質(zhì)粒的復制子序列中，TAfinder工具識別了38456對II型TA系統(tǒng)。這些數(shù)據(jù)支持了TA系統(tǒng)分布與復制子基因組大小無關(guān)的觀點，并顯示出 TA系統(tǒng)在部分菌株中有明顯的富集。此外，在原噬菌體、整合性接合元件和質(zhì)粒等可移動遺傳元件序列中，識別的大量不同家族TA系統(tǒng)，則支持了TA系統(tǒng)可維持這些元件在受體細胞中穩(wěn)