2型豬鏈球菌89K致病島進(jìn)化途徑分析.pdf

1、豬鏈球菌是引起人獸共患病的一類重要致病菌，共有35個血清型，其中2型豬鏈球菌(S.suis2)致病性最強(qiáng)。既往2型豬鏈球菌通常引起人的扁桃體炎、關(guān)節(jié)炎、敗血癥、腦膜炎等疾病，多呈散在發(fā)病，一般沒有流行趨向。但我國1998年在江蘇江陰、2005年在四川資陽分別出現(xiàn)了兩次2型豬鏈球菌病大流行，且表現(xiàn)出了罕見的“鏈球菌中毒性休克綜合征(streptococcal toxic shock syndrome，STSS)，該病發(fā)病急驟，來勢兇險(xiǎn)，病

2、死率高。
　　 研究表明，導(dǎo)致我國江蘇、四川大流行的菌株為高致病性強(qiáng)毒株。在對我國新出現(xiàn)的高致病性強(qiáng)毒株(S.suis98HAH12，S.suis05ZYH33)與歐洲參考株S.suis P1/7進(jìn)行比較基因組學(xué)及核苷酸組成分析時(shí)鑒定出了“89K致病島”(一段長約89 kb的基因組序列)。
　　 致病島是一類特定的基因組島，一般而言，細(xì)菌基因組島是指細(xì)菌染色體上一段特定的DNA大片段，該片段在G+C含量、密碼子使用偏嗜性

3、、蛋白質(zhì)的氨基酸頻率等方面與細(xì)菌全基因組存在差異，且基因組島往往攜帶有水平轉(zhuǎn)移、致病、耐藥、代謝途徑等相關(guān)基因，使得這一段DNA片段往往成為一段具有特定功能的元件，且由于其水平轉(zhuǎn)移的特性，使得其可以在細(xì)菌之間致病、耐藥因子廣泛傳播的載體。
　　 目前，關(guān)于基因組島的研究主要集中在一下一些方面：(1)基因組島的鑒定與結(jié)構(gòu)特征分析；(2)基因組島對宿主菌造成的功能改變，如致病、耐藥、耐重金屬離子；(3)基因組島的水平轉(zhuǎn)移機(jī)制；長期以

4、來，基因組島的起源與進(jìn)化歷程是人們感興趣的方向，但由于進(jìn)化歷程的復(fù)雜性，例如基因的重組，插入，丟失事件的發(fā)生，造成基因組島不斷變異，以及基因組島的進(jìn)化是一個長期的過程，觀察其形成過程極為困難，使得基因組島的來源問題撲朔迷離。然而，隨公共數(shù)據(jù)庫中細(xì)菌基因組序列的日益豐富，基因組島的同源序列不斷被人們發(fā)現(xiàn)，從而為推測基因組島的整合過程提供了豐富的數(shù)據(jù)資料。例如，在對鮑曼不動桿菌耐藥基因組島AbaRl的研究中，發(fā)現(xiàn)該基因組島的不同區(qū)域，其同源

5、序列分布在不同屬的細(xì)菌；在對銅綠假單胞菌基因組島PAIP-1的研究中也發(fā)現(xiàn)了該基因組島存在明顯的嵌合結(jié)構(gòu)特征，體現(xiàn)出模塊化的特征。
　　 為了推測89K致病島的進(jìn)化歷程，本研究主要利用了生物信息學(xué)的技術(shù)方法，對89K致病島的同源序列分布，基因簇功能特點(diǎn)，89K致病島堿基組成特征，主要研究內(nèi)容包括：
　　 (1)89K致病島的同源序列分析。將89K致病島全序列提交NCBI數(shù)
　　 據(jù)庫進(jìn)行BLASTn比對，初步獲得

6、其同源序列的大致分布范圍；再將89K致病島的80個ORF分別提交蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行BLASTp比對，獲取89K致病島在不同菌種(屬)中的同源蛋白，建立同源蛋白的數(shù)據(jù)庫。根據(jù)相似度最高的同源蛋白出現(xiàn)的菌種范圍不同，將89K致病島進(jìn)行分區(qū)，將89K致病島分為了保守區(qū)和非保守區(qū)。
　　 (2)89K致病島重組熱點(diǎn)分析。利用EMBOSS軟件繪制89K致病島G+C含量分布曲線圖，根據(jù)G+C含量的不同進(jìn)一步驗(yàn)證89K致病島的嵌合結(jié)構(gòu)特征。<

7、br>　　 (3)對89K致病島的各區(qū)域功能進(jìn)行分析。在對89K致病島進(jìn)行分區(qū)
　　 的基礎(chǔ)上，將每個分區(qū)的ORF分別提交蛋白質(zhì)序列數(shù)據(jù)庫Uniprot，及蛋白質(zhì)家族數(shù)據(jù)庫Pfam，根據(jù)同源比對結(jié)果，及蛋白質(zhì)中的保守結(jié)構(gòu)域分析，對89K致病島各ORF進(jìn)行功能預(yù)測，推測每一個分區(qū)的基因簇可能代表的功能。其意義在于，如果每一個分區(qū)內(nèi)，各基因功能相關(guān)，將進(jìn)一步證實(shí)分區(qū)的合理性，同時(shí)，對保守區(qū)和非保守區(qū)的功能推斷，有助于我們推測該致病

8、島家族可能的整合機(jī)制。
　　 (4)基因組島家族的鑒定：根據(jù)前面的分析結(jié)果，我們推測89K致病島是在四個保守區(qū)的基礎(chǔ)上逐步整合而來，四個保守區(qū)域是一大類基因組島家族的共同祖先序列，為了證實(shí)我們的假說，我們利用比較基因組法和堿基組成分析法對該基因組島家族進(jìn)行了鑒定，確認(rèn)這些假定的基因組島成員滿足基因組島的一些基本特征，為我們研究89K致病島及其他同源基因組島如何由一個共同祖先序列分化而來提供了線索。
　　 (5)系統(tǒng)發(fā)育及

9、基因組島比較分析。為了進(jìn)一步說明該家族成員如何由一個共同祖先進(jìn)化而來，我們首先對該家族成員進(jìn)行了系統(tǒng)發(fā)育分析。保守區(qū)作為該致病島家族進(jìn)化過程中的骨架基礎(chǔ)，因此我們利用保守區(qū)基因所構(gòu)建的系統(tǒng)發(fā)育樹來表示89K致病島進(jìn)化所經(jīng)歷的過程。從同源蛋白數(shù)據(jù)庫中分別挑選與每個ORFs相似度最高的蛋白質(zhì)序列(identity>50%)，對保守區(qū)的ORF構(gòu)建同源蛋白系統(tǒng)發(fā)育樹，比較系統(tǒng)發(fā)育樹的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將基因組島家族細(xì)分為多個亞家族。在劃分亞家族的基礎(chǔ)上

10、，我們對各亞家族內(nèi)部成員以及亞家族之間進(jìn)行比較分析，推測從共同祖先開始，該家族經(jīng)歷了哪些進(jìn)化途徑，最終形成了在鏈球菌中的多態(tài)性分布。通過對該基因組島家族的分析，不僅探索了該基因組島家族如何從共同祖先開始進(jìn)行分化，并對89K致病島的具體整合過程有了一個明確的認(rèn)識。
　　 綜上所述：本研究獲得了89K同源序列分布的大量信息，通過對同源蛋白數(shù)據(jù)庫的分析，為探索89K致病島各部分的來源找到了突破點(diǎn)。通過重組熱點(diǎn)分析，驗(yàn)證了89K致病島的