以鼠疫菌為模型的重要致病菌基因組多態(tài)性數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建及應(yīng)用研究.pdf

1、傳染病肆虐人類的歷史不下數(shù)千年。近三十年來，全球范圍內(nèi)面臨著“新傳染病不斷出現(xiàn)，舊傳染病死灰復(fù)燃”的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，傳染病仍然是世界范圍內(nèi)引起人類死亡的首要原因，每年因傳染病死亡的人數(shù)超過1300萬。鼠疫和結(jié)核等老傳染病仍嚴(yán)重威脅著人類的健康，而在與人類斗爭(zhēng)過程中，致病菌也不斷進(jìn)化，已演化出諸如O157∶H7大腸桿菌和多重耐藥結(jié)核桿菌等新基因型和耐藥的致病菌株。細(xì)菌長(zhǎng)期的進(jìn)化過程中積累了大量突變，而使基因組呈現(xiàn)出及極其復(fù)雜的多樣性。在致病菌中

2、，這種突變導(dǎo)致了新致病相關(guān)基因和耐藥基因的獲得，產(chǎn)生了新的致病和耐藥特性。細(xì)菌基因組多態(tài)性產(chǎn)生的遺傳機(jī)制一般認(rèn)為主要有以下幾種:以特定頻率產(chǎn)生點(diǎn)突變、基因組重排、基因獲得和缺失、重復(fù)序列等。致病菌獲得的這些遺傳變異使之與環(huán)境和宿主的斗爭(zhēng)中得以實(shí)現(xiàn)“適者生存”，因此掌握其遺傳變異規(guī)律，就會(huì)使得我們?cè)谂c其斗爭(zhēng)中占據(jù)主動(dòng)地位，能夠在新的致病性菌株出現(xiàn)之前進(jìn)行預(yù)警，提前做好防控，并根據(jù)其變異規(guī)律制訂有效的防治研究策略?；蚪M學(xué)研究的進(jìn)展為細(xì)菌微

3、進(jìn)化研究奠定了良好基礎(chǔ)。截至到2014年3月，國(guó)際上已經(jīng)完成了23038株細(xì)菌基因組序列的測(cè)定，幾乎涵蓋了所有致病菌物種。大量基因組測(cè)序工作的完成，為比較基因組和基因組多態(tài)性研究提供了可能。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)一些重要的致病性細(xì)菌建立基因組多態(tài)性數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)其進(jìn)化研究、微生物法醫(yī)學(xué)溯源和分子流行病學(xué)分析有著重要作用。
　　本研究的目的在于:①收集并整合重要致病菌基因組多態(tài)性數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)庫(kù)，為傳染病防控和致病菌的微進(jìn)化研究提供數(shù)據(jù)支撐;

4、②編制在線分析平臺(tái)，用于致病性細(xì)菌的分型和系統(tǒng)發(fā)育分析研究，以及疾病爆發(fā)時(shí)病原體的來源追蹤。重要致病性細(xì)菌基因組多態(tài)性數(shù)據(jù)的收集與整合
　　針對(duì)鼠疫耶爾森氏菌、布魯氏菌、大腸桿菌O157∶H7、結(jié)核分枝桿菌、志賀氏菌、副溶血弧菌和沙門氏菌等八種重要致病性細(xì)菌物種，我們分別通過文獻(xiàn)檢索、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)挖掘和與合作實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)共享等方式，收集其MLST(multilocussequence typing，多位點(diǎn)序列分型)、MLVA(mult

5、iple-locus VNTR analysis，多位點(diǎn)VNTR分析)、SNP（single nucleotide polymorphism，單核苷酸多態(tài)性）、DFR（different region，差異區(qū)段）、CRISPRs(clustered regularly interspaced shortpalindromic repeats，規(guī)律成簇的間隔短回文重復(fù))及IS（insertion sequence，插入序列）共六類基因組多

6、態(tài)性數(shù)據(jù)。
　　重要致病性細(xì)菌基因組多態(tài)性數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建及應(yīng)用
　　通過對(duì)重要致病性細(xì)菌基因組多態(tài)性數(shù)據(jù)的收集與整合，我們將相關(guān)數(shù)據(jù)分成三類:1）菌株背景信息，包括分離時(shí)間、分離地點(diǎn)、生化表型等;2）基因組多態(tài)性數(shù)據(jù)，包括各物種六類多態(tài)性位點(diǎn)(MLVA，SNP，DFR，MLST，CRISPR，IS)的基因組位置、上下游序列，以及在總計(jì)11123株分離株中的狀態(tài)等;3）全基因組序列及注釋信息，包含完成全基因組測(cè)序菌株的DNA序列

7、和以基因?yàn)閱挝坏淖⑨屝畔ⅰ榱耸垢鞑糠謹(jǐn)?shù)據(jù)規(guī)范化、模塊化，我們編寫了若干Perl腳本對(duì)其進(jìn)行解析。之后按照關(guān)系性數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建步驟，設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)庫(kù)的ER（entity-relationship，實(shí)體關(guān)系）模型，選擇免費(fèi)開源的DBMS(databasemanagement system，數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng))MySQL作為后臺(tái)的管理系統(tǒng)并將這些數(shù)據(jù)實(shí)施入庫(kù)。
　　為了滿足對(duì)重要致病菌基因組多態(tài)性深入分析的需要，結(jié)合疾病防控、快速溯源和反生物恐

8、怖工作的需求，在已構(gòu)建的基因組多態(tài)性數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上，我們開發(fā)了基于web的分析平臺(tái)。平臺(tái)包含四個(gè)模塊:1）檢索模塊:在客戶端為普通用戶提供數(shù)據(jù)庫(kù)的檢索。用戶可以通過設(shè)定的關(guān)鍵詞搜索，也可以通過字段索引來瀏覽;2）分型模塊:用戶通過分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)獲得病原菌分離株的某類基因組多態(tài)性數(shù)據(jù)后，可使用分型模塊提供的多態(tài)性數(shù)據(jù)比對(duì)功能，獲得待比對(duì)菌株的基因分型結(jié)果;3）溯源模塊:利用數(shù)據(jù)庫(kù)中已有的基因組多態(tài)性數(shù)據(jù)，以及計(jì)算相似性指數(shù)和構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育關(guān)

9、系等方法，用戶可以對(duì)引起疾病爆發(fā)的菌株進(jìn)行來源追蹤。4）序列比對(duì)模塊:用戶可將新獲得的菌株基因組序列與數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)應(yīng)的致病菌參考序列(reference sequence)進(jìn)行相似性比對(duì)，快速獲得新菌株基因組的多樣性信息。
　　結(jié)論與意義
　　本研究以鼠疫菌為模型，設(shè)計(jì)構(gòu)建了囊括八種重要致病性細(xì)菌基因組多態(tài)性信息的數(shù)據(jù)庫(kù)和在線數(shù)據(jù)分析平臺(tái)。數(shù)據(jù)庫(kù)囊括了我國(guó)常見的8種重要致病性細(xì)菌，共收錄11123株致病菌菌株的背景信息、6類基