肺炎克雷伯菌中毒素—抗毒素系统的生物信息学研究

发布时间：2017-03-16 10:02

  本文关键词：肺炎克雷伯菌中毒素—抗毒素系统的生物信息学研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：肺炎克雷伯菌(Klebsiella pneumonia)是医源性感染中最重要的革兰阴性条件致病菌之一。其携带的质粒和其他可移动遗传元件快速地介导了获得性耐药基因的播散,包括引起全球广泛关注的碳青霉烯类抗生素耐药基因。细菌耐药质粒常编码Rel BE等毒素-抗毒素系统(Toxin-antitoxin system,TA system),以维持其遗传稳定性。近期研究还发现,Hip BA等TA系统与细菌耐受抗生素的持留细胞的形成相关。至今已在不同细菌中发现了5种不同类型TA系统。其中,研究最为深入的II型TA系统常由一对毒素和抗毒素基因组成一个操纵子;当细菌在氨基酸缺乏和抗生素作用等胁迫条件下,抗毒素不稳定易被蛋白酶降解,毒素则可引发细胞进入程序性死亡程序。本论文推测肺炎克雷伯菌染色体和天然质粒中存在不同家族的II型TA系统,与肺炎克雷伯菌耐药性和自然生存等关键生物学特性相关。本论文利用了生物信息学方法对已测序肺炎克雷伯菌基因组的II型TA系统进行了预测和比较分析,以期辅助实验研究来解析这些II型TA系统的生物学功能。本论文首先更新了II型TA系统数据库TADB。在2011年开发的1.1版本基础上,重点开展了以下两个方面的工作:(i)技术更新,包括后台关系型数据库重设计、迁移及前端开发;(ii)数据更新,通过收集和整理新发表的417篇文献,经过人工校证后新增加了156对实验验证的II型TA系统,还将44对I型,2对III型,1对IV型和1对V型TA系统的实验数据加入了数据库。其次,本论文利用TADB 2.0的新数据集,开发了预测细菌II型TA系统的在线工具TAfinder。该工具的预测模块TAfinder-Predict捕捉了TA蛋白序列相似性、保守结构域组成、TA操纵子结构和TA基因长度等特征,提出了II型TA系统预测的新算法;模块TAfinder-Compare能够通过序列比对以及毒素和抗毒素的共定位查看TA系统在目标基因组内的分布;模块TAfinder-Context则提供了包括耐药基因、致病因子及可移动遗传元件相关基因的序列比对,可以快速查看TA系统上下游的基因组成。利用TAfinder工具,在来自于10个肺炎克雷伯菌株的33个染色体和质粒的全测序基因组序列中,识别到了共计212对II型TA系统;其中,在77对TA系统中发现了尚无实验报道的、含有GNAT(Gcn5-related acetyl transferase)功能域的毒素蛋白。比较分析显示,这些TA系统不仅在菌株间的分布存在差异,其在染色体和质粒间的分布也存在着差异。最后,本论文进一步考查了II型TA系统在已测序细菌基因组及可移动遗传元件中的分布。在来自2194个菌株的7523个全测序染色体和质粒的复制子序列中,TAfinder工具识别了38456对II型TA系统。这些数据支持了TA系统分布与复制子基因组大小无关的观点,并显示出TA系统在部分菌株中有明显的富集。此外,在原噬菌体、整合性接合元件和质粒等可移动遗传元件序列中,识别的大量不同家族TA系统,则支持了TA系统可维持这些元件在受体细胞中稳定遗传的假设。总之,本论文以肺炎克雷伯菌为切入点,对已测序细菌基因组中II型TA系统的分布进行了系统地考查。所构建的TADB2.0开放系统数据库和TAfinder识别工具,将有助于肺炎克雷伯菌及其他重要病原细菌TA系统功能的解析。
【关键词】：肺炎克雷伯菌 细菌毒素-抗毒素系统 分子生物学数据库 生物信息学工具
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R378
【目录】：

• 摘要3-5
• abstract5-10
• 第一章 绪论10-28
• 1.1 肺炎克雷伯菌概述10-12
• 1.1.1 肺炎克雷伯菌简介10
• 1.1.2 肺炎克雷伯菌的致病性和耐药性10-12
• 1.2 细菌毒素-抗毒素系统概述12-21
• 1.2.1 毒素-抗毒素系统简介12-13
• 1.2.2 毒素-抗毒素系统的分类13-15
• 1.2.3 毒素-抗毒素系统毒素靶点的多样性15-17
• 1.2.4 毒素-抗毒素系统的功能17-18
• 1.2.5 毒素-抗毒素系统与持留细胞的形成18-21
• 1.3 细菌毒素-抗毒素系统的生物信息学研究21-26
• 1.3.1 微生物信息学技术21-22
• 1.3.2 毒素-抗毒素的预测工具22-23
• 1.3.3 毒素-抗毒素系统的二级数据库23-26
• 1.4 本研究的主要工作26-28
• 第二章 细菌毒素-抗毒素系统数据库TADB 2.0 的开发28-40
• 2.1 引言28-29
• 2.2 材料与方法29-37
• 2.2.1 TADB数据库后台重构及迁移29-32
• 2.2.2 TADB数据库前端功能迁移32-36
• 2.2.3 TADB数据库数据恢复36
• 2.2.4 文献挖掘与数据更新36-37
• 2.3 结果与讨论37-38
• 2.3.1 TADB 2.0 数据库技术的更新37-38
• 2.3.2 TADB 2.0 数据库数据更新38
• 2.4 小结和展望38-40
• 第三章 细菌II型毒素-抗毒素系统识别工具TAFINDER的开发40-54
• 3.1 引言40-41
• 3.2 材料与方法41-49
• 3.2.1 TAfinder开发环境以及架构41
• 3.2.2 数据集41-42
• 3.2.3 II型毒素-抗毒素系统的特征参数42-44
• 3.2.4 TAfinder工具的总体设计44-46
• 3.2.5 TAfinder的核心算法46-47
• 3.2.6 TAfinder的比较分析模块47-49
• 3.3 结果与讨论49-53
• 3.3.1 TAfinder网上服务49-52
• 3.3.2 TAfinder预测算法评价52-53
• 3.4 小结与展望53-54
• 第四章 肺炎克雷伯菌中II型毒素-抗毒素系统的分析54-67
• 4.1 引言54
• 4.2 材料与方法54-56
• 4.2.1 已测序的肺炎克雷伯菌基因组54-55
• 4.2.2 肺炎克雷伯菌中毒素-抗毒素系统的识别55
• 4.2.3 肺炎克雷伯菌中毒素-抗毒素系统的归类55
• 4.2.4 肺炎克雷伯菌中毒素-抗毒素系统的比较分析55-56
• 4.3 结果与讨论56-66
• 4.3.1 肺炎克雷伯菌中毒素-抗毒素系统概况56-59
• 4.3.2 肺炎克雷伯菌中TA系统的分布59-66
• 4.4 小结与展望66-67
• 第五章 II型毒素-抗毒素分布多样性的分析67-81
• 5.1 引言67
• 5.2 材料与方法67-70
• 5.2.1 数据集67-68
• 5.2.2 TAfinder批量预测毒素-抗毒素系统68-69
• 5.2.3 全测序细菌基因组中毒素-抗毒素系统的识别69-70
• 5.2.4 可移动遗传元件携带的II型毒素-抗毒素系统70
• 5.3 结果与讨论70-80
• 5.3.1 II型毒素-抗毒素系统在细菌物种间的分布70-74
• 5.3.2 II型毒素-抗毒素系统在可移动遗传元件中的分布74-80
• 5.4 小结与展望80-81
• 第六章 总结81-82
• 6.1 创新点81-82
• 附录182-87
• 参考文献87-93
• 致谢93-94
• 攻读硕士学位期间发表的论文94-96

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