金黄色葡萄球菌中含丝氨酸—天冬氨酸重复序列的基因的分子研究

【摘要】很多重要的致病菌可以通过水平基因转移(Horizontalgenetransfer)获得毒力因子和抗生素抗性基因,因此水平基因转移被认为是细菌基因组进化的主要驱动力之一,而比较基因组学分析则是鉴定病原菌中水平基因转移的重要工具。丝氨酸-天冬氨酸二肽重复序列(sdr)基因是细菌细胞表面蛋白,预计和细菌侵染宿主有关,目前逐渐受到重视。然而相关报道还非常少。为了比较不同宿主来源的金黄色葡萄球菌基因组的序列差异性,在本论文第一部分第一章的研究中,我们比对分析了21株已公布的全基因组测序的金黄色葡萄球菌、以及218株加拿大奶牛乳腺炎相关的金黄色葡萄球菌中的4个sdr基因。结果表明奶牛乳腺炎来源的金黄色葡萄球菌(RF122及本研究中所用菌),绵羊乳腺炎来源的菌株(ED133),猪、牛、人多宿主来源菌株(ST398),患有BCO症的鸡来源的菌株(ED98),以及来源于人并具有甲氧西林抗性的菌株(TCH130、MRSA252、Mu3、Mu50、N315、04-02981、JH1、JH9)之间往往含有相同的adr基因。这提示着sdr基因可以在不同菌株之间进行水平转移,进而增强了金黄色葡萄球菌获得毒力因子的效率。其次,我们在多个sdr基因内发现一些插入突变和缺失突变,且鉴定获得一个新的插入序列,其插入到sdrC基因,可能和sdr基因在不同菌株之间的水平基因转移有关。第三,我们利用sdr基因对金黄色葡萄球菌进行了分型,分型结果可以清晰表现菌株之间的进化差异性和关联性,并且该分型方法比常规的MLST分型方法或者PFGE方法更精确、方便、花费少。第四,我们还发现sdr基因和致病菌或隐性菌有很强的关联性,比如绝大部分致病菌含有sdrD基因,而隐性菌则很少含有该基因。第五,传统的针对细胞粘附因子、侵染因子、以及毒素等毒力因子的分布研究往往只检查很短的基因保守区,而我们本次分布研究检测了这些因子的全长序列或者其全长功能区域,发现这些毒力因子内包含大量的突变,这些突变会深刻影响该毒力因子的功能。因此仅检查很短的保守区的传统基因分布研究方法是不精确、不可信的,本研究手段对于基因分布研究也有广泛的借鉴意义。总之,本研究最重要的发现是证实金黄色葡萄球菌之间可以通过水平基因转移从临近菌株获得致病基因。而当前人口流动加速、畜牧学迅速发展可能不经意间提高了细菌病原体之间的接触机会,加快了细菌病原体的进化速度。因此,本章研究对于细菌抗药性研究以及畜牧学发展等方面有重大指导意义。原核生物或者真核生物中的串联重复序列(包括微卫星DNA和小卫星DNA)是易突变DNA,而针对原核生物基因组的小卫星DNA的研究非常少。细菌(尤其是葡萄球菌)细胞表面的黏附因子通常包含丝氨酸-天冬氨酸二肽(SD)重复序列,这种SD重复序列由一种小卫星DNA编码,对SD重复序列的功能研究将加深对原核生物小卫星DNA的理解。在第二章研究中,我们通过生物信息学分析首先研究了SD重复序列在自然界所有已知蛋白中的分布状况,再利用基于质粒的测试方式检测了SD重复序列的稳定性。研究结果发现SD重复序列主要存在于细菌细胞表面蛋白。分析其拷贝数量变化方式,我们发现SD重复序列具有不稳定性和多态性。最重要的是,其拷贝数量的变化是可逆的,并且整个变化过程不会发生移码突变。此外,我们发现了一个新的序列重排热点,ATTC/AGRT位点,该位点和SD重复序列的不稳定性及可逆性有关。SD重复序列的这些特征使得细菌可以低成本、低风险、高效率快速应对外界环境变化,增加其在恶劣环境中生存的几率。因此,我们提出把SD重复序列作为细菌应急位点,它是细菌适应环境波动的重要方式之一,并且应该广受重视。在第二部分的研究中我们通过定向进化,提高了来自非培养瘤胃真菌Neocallimastigales的11家族木聚糖酶XynR8的热稳定性。通过高通量96孔扫描系统,我们对木聚糖酶突变子库进行了筛选。75℃热处理5分钟后,木聚糖酶XynR8野生型丧失80%酶活,而定向进化获得的三个突变子表现出了比野生型更高的热稳定性。三个突变子共含有五个氨基酸突变,分别为：I38V、A104T、F116L、D137G、G151D。随后,我们利用DNA改组技术和定点突变进一步鉴定这5个位点对于热稳定性提高的具体效应,发现突变位点I38V、D137G、G151D对于蛋白热稳定性提高是有积极作用的。我们又通过RosettaDesign软件进行饱和突变预测分析,按照分析结果,38、137、151三个位点被突变为其他5个代表性氨基酸,来筛选每个位点热稳定性最高的氨基酸。基于该筛选结果,我们通过DNA改组技术最终获得了热稳定性最高的突变子XynR8_VNE。该突变子包含3个突变I38V、D137N、G151E,Tm值比野生型增加了8.8度。在基于XynR8木聚糖酶蛋白三维结构分析的基础上,这三个位点的突变很可能减少了分子斥力、增强了疏水相互作用、新增了盐桥,提高了木聚糖酶的热稳定性。这三个位点位于11木聚糖酶家族三个柔软而灵活的区域,即N端区、线结构域、α螺旋结构域。这三个区域在高温下是最不稳定的,提高这三个区域的稳定性可能会有助于提高11家族木聚糖酶的热稳定性。
【作者】薛虎平；
【导师】吕红；
【作者基本信息】复旦大学，遗传学，2011，博士
【关键词】金黄色葡萄球菌；丝氨酸-天冬氨酸重复序列；水平基因转移；微进化；木聚糖酶；热稳定性；

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