以鼠疫菌為模型的重要致病菌基因組多態(tài)性數據庫的構建及應用研究.pdf

1、傳染病肆虐人類的歷史不下數千年。近三十年來，全球范圍內面臨著“新傳染病不斷出現(xiàn)，舊傳染病死灰復燃”的嚴峻挑戰(zhàn)，傳染病仍然是世界范圍內引起人類死亡的首要原因，每年因傳染病死亡的人數超過1300萬。鼠疫和結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)出及極其復雜的多樣性。在致病菌中

2、，這種突變導致了新致病相關基因和耐藥基因的獲得，產生了新的致病和耐藥特性。細菌基因組多態(tài)性產生的遺傳機制一般認為主要有以下幾種:以特定頻率產生點突變、基因組重排、基因獲得和缺失、重復序列等。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主動地位，能夠在新的致病性菌株出現(xiàn)之前進行預警，提前做好防控，并根據其變異規(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。截至到2014年3月，國際上已經完成了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。在此基礎上，針對一些重要的致病性細菌建立基因組多態(tài)性數據庫，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)性數據，建立數據庫，為傳染病防控和致病菌的微進化研究提供數據支撐;

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)性數據的收集與整合
　　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、網絡數據庫挖掘和與合作實驗室數據共享等方式，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)及IS（insertion sequence，插入序列）共六類基因組多

6、態(tài)性數據。
　　重要致病性細菌基因組多態(tài)性數據庫的構建及應用
　　通過對重要致病性細菌基因組多態(tài)性數據的收集與整合，我們將相關數據分成三類: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)性數據，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。為了使各部分數據規(guī)范化、模塊化，我們編寫了若干Perl腳本對其進行解析。之后按照關系性數據庫的構建步驟，設計了數據庫的ER（entity-relationship，實體關系）模型，選擇免費開源的DBMS(databasemanagement system，數據庫管理系統(tǒng))MySQL作為后臺的管理系統(tǒng)并將這些數據實施入庫。
　　為了滿足對重要致病菌基因組多態(tài)性深入分析的需要，結合疾病防控、快速溯源和反生物恐

8、怖工作的需求，在已構建的基因組多態(tài)性數據庫的基礎上，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據庫的檢索。用戶可以通過設定的關鍵詞搜索，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)性數據后，可使用分型模塊提供的多態(tài)性數據比對功能，獲得待比對菌株的基因分型結果;3）溯源模塊:利用數據庫中已有的基因組多態(tài)性數據，以及計算相似性指數和構建系統(tǒng)發(fā)育關

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據庫中對應的致病菌參考序列(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。
　　結論與意義
　　本研究以鼠疫菌為模型，設計構建了囊括八種重要致病性細菌基因組多態(tài)性信息的數據庫和在線數據分析平臺。數據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