病原菌基因組島的預(yù)測及相關(guān)基因的功能研究

陳 晨* 杜鵬程* 王海印 張 雯 張媛媛

（中國疾病預(yù)防控制中心傳染病預(yù)防控制所/傳染病預(yù)防控制國家重點實驗室，北京 102206）

病原菌基因組島的預(yù)測及相關(guān)基因的功能研究

陳 晨* 杜鵬程* 王海印 張 雯 張媛媛

（中國疾病預(yù)防控制中心傳染病預(yù)防控制所/傳染病預(yù)防控制國家重點實驗室，北京 102206）

目的通過對病原菌基因組進(jìn)行預(yù)測和對相關(guān)基因功能進(jìn)行研究，探討病原菌基因組島對其基因組結(jié)構(gòu)及功能的影響。方法通過生物信息學(xué)方法，根據(jù)GC含量異常預(yù)測基因組島，對相關(guān)基因進(jìn)行COG功能注釋，對基因組島的分布特點和相關(guān)基因功能進(jìn)行分析。結(jié)果在276株病原菌基因組上預(yù)測得到了2945個基因組島，相關(guān)基因9219個，以“細(xì)胞壁、細(xì)胞膜、包膜的生成”、“復(fù)制、重組和修復(fù)”、“預(yù)測的功能蛋白”及“轉(zhuǎn)錄”功能最多。結(jié)論病原菌基因組島與水平基因轉(zhuǎn)移密切相關(guān)，是病原菌獲得新功能特性的重要來源，通過對基因組島及其相關(guān)基因的功能特點進(jìn)行深入研究，能夠極大推動細(xì)菌致病性、耐藥性的機制研究，對疾病的治療和預(yù)防控制具有重要意義。

病原菌；基因組島；預(yù)測；水平轉(zhuǎn)移

細(xì)菌基因組島是位于細(xì)菌基因組上的具有一定結(jié)構(gòu)特點的區(qū)域。近年來應(yīng)用第二代高通量測序技術(shù)已經(jīng)獲得了大量細(xì)菌全基因組序列，通過比較基因組學(xué)分析，細(xì)菌基因組島的結(jié)構(gòu)和功能研究也得以逐步深入，發(fā)現(xiàn)其與水平基因轉(zhuǎn)移現(xiàn)象有著密切關(guān)系[1,2]，在細(xì)菌的進(jìn)化和新功能獲得中有著重要意義[3,4]。通過對眾多病原菌的研究表明，基因組島的水平轉(zhuǎn)移與病原菌新功能的獲得、新型病原菌的出現(xiàn)關(guān)系密切[5-7]，如霍亂弧菌的VPI島，1998年、2005年在我國出現(xiàn)的導(dǎo)致“鏈球菌中毒性休克綜合征”的豬鏈球菌血清2型的89K毒力島，近年來臨床中出現(xiàn)的強耐藥菌——耐甲氧西林金黃色葡萄球菌攜帶的耐藥島等[8-10]。

研究表明基因組島在結(jié)構(gòu)上常具有GC含量與基因組其他區(qū)域差異較大、三聯(lián)密碼子使用頻率與基因組有一定差異、兩側(cè)有特定的序列片段如正、反向重復(fù)序列等特點[4,11]，可作為預(yù)測基因組島的依據(jù)。通過對基因組島進(jìn)行預(yù)測并對其相關(guān)基因的功能進(jìn)行研究，能夠?qū)ζ浒l(fā)生水平轉(zhuǎn)移的機制和功能特點有所深入理解，對相關(guān)疾病的預(yù)防和治療具有重要意義。本研究中，根據(jù)已有的病原菌基因組數(shù)據(jù)，對其基因組島進(jìn)行了預(yù)測，對相關(guān)基因的功能進(jìn)行了注釋分析，對其功能分布特點進(jìn)行了研究。相關(guān)結(jié)果可為水平基因轉(zhuǎn)移的機制研究及相關(guān)疾病的預(yù)防和治療提供重要依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 致病菌的界定及其基因組序列的獲得

根據(jù)我國衛(wèi)生部2006年發(fā)布的《人間傳染的病原微生物名錄》[12]，選用了已有全基因組序列及基因預(yù)測數(shù)據(jù)的103種病原菌，共276株（表1）[13]，從美國國立生物技術(shù)信息中心的GenBank數(shù)據(jù)庫下載了全基因組序列及注釋文件。共有革蘭陽性菌119株，分布于2個門，4個綱，6個目，10個科，11個屬；革蘭陰性菌157株，分布于5個門，8個綱，16個目，22個科，31個屬。

1.2 基因組島預(yù)測及基因功能注釋

病原菌基因組島的預(yù)測基于基因組上GC含量的分布情況進(jìn)行。通過生物信息學(xué)分析方法，以基因組上2kbp作為計算GC含量的窗口，各窗口間重疊1kbp，與基因組平均GC含量的差值大于所有計算窗口標(biāo)準(zhǔn)差3倍以上的窗口作為GC含量異常區(qū)域，相鄰的異常區(qū)域合并，作為基因組島[14]。通過PERL編程語言編寫相關(guān)程序，對全部病原菌基因組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并提取相關(guān)基因序列。通過與直系同源序列聚類分組（COG）數(shù)據(jù)庫進(jìn)行BLASTP比對[15]，比對臨界值為1×10-5，對相關(guān)基因進(jìn)行功能注釋，對基因功能分布特點進(jìn)行分析。

2 結(jié) 果

2.1 預(yù)測得到的基因組島的數(shù)量及分布

在全部病原菌基因組上，共預(yù)測得到基因組島2945個，平均每株菌有基因組島11個，基因組島在各菌株基因組上的所占比例為1.6～29.8kb/Mb。在梭桿菌門、厚壁菌門、變形桿菌門病原菌中預(yù)測到基因組島的占基因組的比例為高（圖1），平均分別為18.0 kb/Mb、14.2kb/Mb、13.3kb/Mb?；蚪M島的長度為2kb～69kb，其中2kb所占比例最高，為39.4%；2kb～10 kb占全部基因組島的95%以上（表2）。這些結(jié)果表明基因組島在病原菌基因組上占有一定比例，是病原菌基因組變異的重要來源。其中革蘭陽性菌菌基因組島的比例均較高，提示革蘭陽性菌普遍受水平基因轉(zhuǎn)移的影響。而在革蘭陰性菌中，梭桿菌門、變形桿菌門中有大量腸道病原菌，提示在腸道復(fù)雜菌群環(huán)境下發(fā)生水平基因轉(zhuǎn)移的概率更高。

表1 本研究中分析的病原菌分布

圖1 各門中基因組島所占比例

表2 預(yù)測得到的基因組島長度分布

2.2 基因組島相關(guān)基因的功能分布特點

圖2 基因組島相關(guān)基因COG功能預(yù)測

位于預(yù)測得到的基因組島上的基因共有9219個，平均基因長度為1398bp，平均每個基因組島上有3個基因，平均每個基因組上與基因組島相關(guān)的基因34個。其中4633個通過與COG數(shù)據(jù)庫比對得到功能注釋，占50.1%。其中以“細(xì)胞壁、細(xì)胞膜、包膜的生成”、“復(fù)制、重組和修復(fù)”、“預(yù)測的功能蛋白”及“轉(zhuǎn)錄”功能最多，分別為19.9%、12.2%、10.3%和9.0%（圖2）。提示這些功能相關(guān)的基因可能與基因組島的功能及其水平轉(zhuǎn)移具有密切關(guān)系。

3 討 論

研究表明，細(xì)菌基因組上有數(shù)目可觀的區(qū)域可能受到水平基因轉(zhuǎn)移的影響，本研究中針對病原菌進(jìn)行了基因組島的預(yù)測，且在所用參數(shù)對與全基因組GC含量差異要求較高的情況下，在病原菌基因組上最高仍有3%的區(qū)域GC含量異常，表明在病原菌基因組上基因組島所占的比例較高，這提示病原菌染色體上受到水平基因轉(zhuǎn)移的區(qū)域較其他細(xì)菌更加廣泛。而在不同環(huán)境下的病原菌所受水平基因轉(zhuǎn)移的影響也不相同。

在細(xì)菌基因組上，一般來說與其基礎(chǔ)生命活動相關(guān)的物質(zhì)轉(zhuǎn)運代謝、能量轉(zhuǎn)化等功能基因所占比例最高，而在本研究中預(yù)測得到的基因組島上的基因，與細(xì)胞壁、細(xì)胞膜功能相關(guān)和與復(fù)制、重組和修復(fù)相關(guān)的基因所占比例最高，提示這些區(qū)域與基因重組和水平轉(zhuǎn)移有著密切關(guān)系，進(jìn)一步證實了這些區(qū)域的移動性。本研究中通過生物信息學(xué)方法對病原菌基因組島的分布及相關(guān)基因的功能進(jìn)行了預(yù)測和分析，這些結(jié)果揭示了病原菌基因組上受水平基因轉(zhuǎn)移影響區(qū)域的廣泛性及相關(guān)基因的功能特點，將為病原菌相關(guān)研究提供基礎(chǔ)依據(jù)，具有指導(dǎo)意義。

基因組島在細(xì)菌尤其是病原菌新功能的獲得，如致病性、耐藥性等方面的起著重要作用。近年來在豬鏈球菌、超級細(xì)菌NDM1、等新型病原菌導(dǎo)致的疫情中，通過致病菌基因組進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)其致病性、耐藥性的新特點都和基因組島及其水平轉(zhuǎn)移密切相關(guān)。因此，通過對基因組島及其相關(guān)基因的功能特點進(jìn)行深入研究，能夠極大推動細(xì)菌致病性、耐藥性的機制研究，對疾病的治療和預(yù)防控制具有重要意義。

[1] Boucher Y,Douady CJ,Papke RT,et al.Lateral gene transfer and the origins of prokaryotic groups [J].Annu Rev Genet,2003,37:283-328.

[2] Philippe H,Douady CJ.Horizontal gene transfer and phylogenetics [J].Curr Opin Microbiol,2003,6(5):498-505.

[3] Popa O,Dagan T.Trends and barriers to lateral gene transfer in prokaryotes [J].Curr Opin Microbiol,2011,14(5):615-623.

[4] Juhas M,van der Meer JR,Gaillard M,et al.Genomic islands: tools of bacterial horizontal gene transfer and evolution [J]. FEMS Microbiol Rev,2009,33(2):376-393.

[5] Gogarten JP,Townsend JP.Horizontal gene transfer,genome innovation and evolution [J].Nat Rev Microbiol,2005,3(9):679-687.

[6] Wirth T,Falush D,Lan R,et al.Sex and virulence in Escherichia coli: an evolutionary perspective [J].Mol Microbiol,2006,60(5): 1136-1151.

[7] Dobrindt U,Hochhut B,Hentschel U,et al.Genomic islands in pathogenic and environmental microorganisms [J].Nat Rev Microbiol,2004,33(2):414-424.

[8] Jermyn WS,Boyd EF.Characterization of a novel Vibrio pathogenicity island (VPI-2) encoding neuraminidase (nanH) among toxigenic Vibrio cholerae isolates [J].Microbiology,2002,148 (Pt 11):3681-3693.

[9] Jermyn WS,Boyd EF.Molecular evolution of Vibrio pathogenicity island-2 (VPI-2): mosaic structure among Vibrio cholerae and Vibrio mimicus natural isolates [J].Microbiology,2005,151(Pt 1): 311-322.

[10] Chen C,Tang J,Dong W,et al.A glimpse of streptococcal toxic shock syndrome from comparative genomics of S. suis 2 Chinese isolates [J].PLoS One,2007,2(3):e315.

[11] Boyd EF,Almagro-Moreno S,Parent MA.Genomic islands are dynamic,ancient integrative elements in bacterial evolution [J]. Trends Microbiol,2009,17(2):47-53.

[12] 中華人民共和國衛(wèi)生部.人間傳染的病原微生物名錄[S].2006.

[13] 杜鵬程,張雯,劉翟,等.基于同源基因的病原菌鑒定和分型靶位點的功能基因組學(xué)研究[J].中國科學(xué),2011,41(8):640-648.

[14] Du P,Yang Y,Wang H,et al.A large scale comparative genomic analysis reveals insertion sites for newly acquired genomic islands in bacterial genomes[J].BMC Microbiol,2011(11):135.

[15] Tatusov RL,Galperin MY,Natale DA,et al.The COG database: a tool for genome-scale analysis of protein functions and evolution [J].Nucleic Acids Res,2000,28(1):33-36.

Genomic Islands Prediction of Pathogenic Bacteria and Functional Study of relative Genes

CHEN Chen, DU Peng-cheng, WANG Hai-yin, ZHANG Wen, ZHANG Yuan-yuan
(State Key Laboratory for Infectious Diseases Prevention and Control, National Institute for Communicable Disease Control and Prevention, Chinese Center for Disease Control and Prevention, Beijing 102206, China)

ObjectiveTo predict genomic islands, study the functional characters of relative genes and then investigate the impact of genomic islands to the genome of pathogenic bacteria.MethodsBioinformatic methods was used to predict genomic islands by GC content variation and the functions of relative genes were annotated based on the COG database, and then the distribution of genomic islands and gene functions were analyzed.Results2945 genomic islands were predicted in the genomes of 276 pathogenic bacteria strains and there were 9219 genes, in which the function of “Cell wall/membrane/envelope biogenesis”, “Replication, recombination and repair”, “General function prediction only”, and “Transcription” took the most part.ConclusionGenomic islands were closed to the horizontal gene transfer which was the important access of pathogenic bacteria to obtain new functional factors. It is meaningful to research the characters of genomic islands and speed the research of mechanism of pathogenicity and antibiotic resistance in infectious disease prevention and treatment.

Pathogenic bacteria; Genomic islands; Prediction; Horizontal transfer

R3

B

1671-8194（2013）12-0001-03

“艾滋病和病毒性肝炎等重大傳染病防治”十二五科技重大專項（2013ZX10004-221）；國家自然科學(xué)基金項目（81201322）；傳染病預(yù)防控制國家重點實驗室面上課題（2011SKLID206）

*通訊作者：E-mail：chenchen@icdc．cn

*通訊作者