肺炎克雷伯菌中毒素-抗毒素系統(tǒng)的生物信息學(xué)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(dòng)遺傳元件快速地介導(dǎo)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(xì)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(xì)菌耐受抗生素的持留細(xì)胞的形成相關(guān)。至今已在不同

2、細(xì)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(duì)毒素和抗毒素基因組成一個(gè)操縱子；當(dāng)細(xì)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(xì)胞進(jìn)入程序性死亡程序。本論文推測(cè)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(xué)特性相關(guān)。本論文利用了生物信息學(xué)方法對(duì)已測(cè)序肺炎克雷伯菌基因組的II型TA系統(tǒng)進(jìn)行了預(yù)測(cè)和比較分析，以期輔助實(shí)驗(yàn)

3、研究來(lái)解析這些II型TA系統(tǒng)的生物學(xué)功能。
　　本論文首先更新了II型TA系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)TADB。在2011年開(kāi)發(fā)的1.1版本基礎(chǔ)上，重點(diǎn)開(kāi)展了以下兩個(gè)方面的工作：(i)技術(shù)更新，包括后臺(tái)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)重設(shè)計(jì)、遷移及前端開(kāi)發(fā)；(ii)數(shù)據(jù)更新，通過(guò)收集和整理新發(fā)表的417篇文獻(xiàn)，經(jīng)過(guò)人工校證后新增加了156對(duì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的II型TA系統(tǒng)，還將44對(duì)I型，2對(duì)III型，1對(duì)IV型和1對(duì)V型TA系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)加入了數(shù)據(jù)庫(kù)。
　　其次，本論

4、文利用TADB2.0的新數(shù)據(jù)集，開(kāi)發(fā)了預(yù)測(cè)細(xì)菌II型TA系統(tǒng)的在線工具TAfinder。該工具的預(yù)測(cè)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(zhǎng)度等特征，提出了II型TA系統(tǒng)預(yù)測(cè)的新算法；模塊TAfinder-Compare能夠通過(guò)序列比對(duì)以及毒素和抗毒素的共定位查看TA系統(tǒng)在目標(biāo)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(dòng)遺傳元件

5、相關(guān)基因的序列比對(duì)，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(lái)自于10個(gè)肺炎克雷伯菌株的33個(gè)染色體和質(zhì)粒的全測(cè)序基因組序列中，識(shí)別到了共計(jì)212對(duì)II型TA系統(tǒng)；其中，在77對(duì) TA系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)了尚無(wú)實(shí)驗(yàn)報(bào)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(jìn)一步考查了II型TA系統(tǒng)在已測(cè)序細(xì)菌基因組及可移動(dòng)遺傳元件中的分布。在來(lái)自2194個(gè)菌株的7523個(gè)全測(cè)序染色體和質(zhì)粒的復(fù)制子序列中，TAfinder工具識(shí)別了38456對(duì)II型TA系統(tǒng)。這些數(shù)據(jù)支持了TA系統(tǒng)分布與復(fù)制子基因組大小無(wú)關(guān)的觀點(diǎn)，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(dòng)遺傳元件序列中，識(shí)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(xì)胞中穩(wěn)