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)核等老傳染病仍嚴重威脅著人類的健康，而在與人類斗爭過程中，致病菌也不斷進化，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。細菌長期的進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。細菌基因組多態(tài)性產(chǎn)生的遺傳機制一般認為主要有以下幾種:以特定頻率產(chǎn)生點突變、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)境和宿主的斗爭中得以實現(xiàn)“適者生存”，因此掌握其遺傳變異規(guī)律，就會使得我們在與其斗爭中占據(jù)主動地位，能夠在新的致病性菌株出現(xiàn)之前進行預(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學研究的進展為細菌微

3、進化研究奠定了良好基礎(chǔ)。截至到2014年3月，國際上已經(jīng)完成了23038株細菌基因組序列的測定，幾乎涵蓋了所有致病菌物種。大量基因組測序工作的完成，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，針對一些重要的致病性細菌建立基因組多態(tài)性數(shù)據(jù)庫，對其進化研究、微生物法醫(yī)學溯源和分子流行病學分析有著重要作用。
　　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，為傳染病防控和致病菌的微進化研究提供數(shù)據(jù)支撐;

4、②編制在線分析平臺，用于致病性細菌的分型和系統(tǒng)發(fā)育分析研究，以及疾病爆發(fā)時病原體的來源追蹤。重要致病性細菌基因組多態(tài)性數(shù)據(jù)的收集與整合
　　針對鼠疫耶爾森氏菌、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菌物種，我們分別通過文獻檢索、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫挖掘和與合作實驗室數(shù)據(jù)共享等方式，收集其MLST(multilocussequence typing，多位點序列分型)、MLVA(mult

5、iple-locus VNTR analysis，多位點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)。
　　重要致病性細菌基因組多態(tài)性數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建及應(yīng)用
　　通過對重要致病性細菌基因組多態(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，包括分離時間、分離地點、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(MLVA，SNP，DFR，MLST，CRISPR，IS)的基因組位置、上下游序列，以及在總計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序菌株的DNA序列

7、和以基因為單位的注釋信息。為了使各部分數(shù)據(jù)規(guī)范化、模塊化，我們編寫了若干Perl腳本對其進行解析。之后按照關(guān)系性數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建步驟，設(shè)計了數(shù)據(jù)庫的ER（entity-relationship，實體關(guān)系）模型，選擇免費開源的DBMS(databasemanagement system，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng))MySQL作為后臺的管理系統(tǒng)并將這些數(shù)據(jù)實施入庫。
　　為了滿足對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)庫的基礎(chǔ)上，我們開發(fā)了基于web的分析平臺。平臺包含四個模塊:1）檢索模塊:在客戶端為普通用戶提供數(shù)據(jù)庫的檢索。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實驗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)比對功能，獲得待比對菌株的基因分型結(jié)果;3）溯源模塊:利用數(shù)據(jù)庫中已有的基因組多態(tài)性數(shù)據(jù)，以及計算相似性指數(shù)和構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育關(guān)

9、系等方法，用戶可以對引起疾病爆發(fā)的菌株進行來源追蹤。4）序列比對模塊:用戶可將新獲得的菌株基因組序列與數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)的致病菌參考序列(reference sequence)進行相似性比對，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)計構(gòu)建了囊括八種重要致病性細菌基因組多態(tài)性信息的數(shù)據(jù)庫和在線數(shù)據(jù)分析平臺。數(shù)據(jù)庫囊括了我國常見的8種重要致病性細菌，共收錄11123株致病菌菌株的背景信息、6類基