病原菌基因组岛的预测及相关基因的功能研究

陈 晨* 杜鹏程* 王海印 张 雯 张媛媛

（中国疾病预防控制中心传染病预防控制所/传染病预防控制国家重点实验室，北京 102206）

病原菌基因组岛的预测及相关基因的功能研究

陈 晨* 杜鹏程* 王海印 张 雯 张媛媛

（中国疾病预防控制中心传染病预防控制所/传染病预防控制国家重点实验室，北京 102206）

目的通过对病原菌基因组进行预测和对相关基因功能进行研究，探讨病原菌基因组岛对其基因组结构及功能的影响。方法通过生物信息学方法，根据GC含量异常预测基因组岛，对相关基因进行COG功能注释，对基因组岛的分布特点和相关基因功能进行分析。结果在276株病原菌基因组上预测得到了2945个基因组岛，相关基因9219个，以“细胞壁、细胞膜、包膜的生成”、“复制、重组和修复”、“预测的功能蛋白”及“转录”功能最多。结论病原菌基因组岛与水平基因转移密切相关，是病原菌获得新功能特性的重要来源，通过对基因组岛及其相关基因的功能特点进行深入研究，能够极大推动细菌致病性、耐药性的机制研究，对疾病的治疗和预防控制具有重要意义。

病原菌；基因组岛；预测；水平转移

细菌基因组岛是位于细菌基因组上的具有一定结构特点的区域。近年来应用第二代高通量测序技术已经获得了大量细菌全基因组序列，通过比较基因组学分析，细菌基因组岛的结构和功能研究也得以逐步深入，发现其与水平基因转移现象有着密切关系[1,2]，在细菌的进化和新功能获得中有着重要意义[3,4]。通过对众多病原菌的研究表明，基因组岛的水平转移与病原菌新功能的获得、新型病原菌的出现关系密切[5-7]，如霍乱弧菌的VPI岛，1998年、2005年在我国出现的导致“链球菌中毒性休克综合征”的猪链球菌血清2型的89K毒力岛，近年来临床中出现的强耐药菌——耐甲氧西林金黄色葡萄球菌携带的耐药岛等[8-10]。

研究表明基因组岛在结构上常具有GC含量与基因组其他区域差异较大、三联密码子使用频率与基因组有一定差异、两侧有特定的序列片段如正、反向重复序列等特点[4,11]，可作为预测基因组岛的依据。通过对基因组岛进行预测并对其相关基因的功能进行研究，能够对其发生水平转移的机制和功能特点有所深入理解，对相关疾病的预防和治疗具有重要意义。本研究中，根据已有的病原菌基因组数据，对其基因组岛进行了预测，对相关基因的功能进行了注释分析，对其功能分布特点进行了研究。相关结果可为水平基因转移的机制研究及相关疾病的预防和治疗提供重要依据。

1 材料与方法

1.1 致病菌的界定及其基因组序列的获得

根据我国卫生部2006年发布的《人间传染的病原微生物名录》[12]，选用了已有全基因组序列及基因预测数据的103种病原菌，共276株（表1）[13]，从美国国立生物技术信息中心的GenBank数据库下载了全基因组序列及注释文件。共有革兰阳性菌119株，分布于2个门，4个纲，6个目，10个科，11个属；革兰阴性菌157株，分布于5个门，8个纲，16个目，22个科，31个属。

1.2 基因组岛预测及基因功能注释

病原菌基因组岛的预测基于基因组上GC含量的分布情况进行。通过生物信息学分析方法，以基因组上2kbp作为计算GC含量的窗口，各窗口间重叠1kbp，与基因组平均GC含量的差值大于所有计算窗口标准差3倍以上的窗口作为GC含量异常区域，相邻的异常区域合并，作为基因组岛[14]。通过PERL编程语言编写相关程序，对全部病原菌基因组数据进行分析，并提取相关基因序列。通过与直系同源序列聚类分组（COG）数据库进行BLASTP比对[15]，比对临界值为1×10-5，对相关基因进行功能注释，对基因功能分布特点进行分析。

2 结 果

2.1 预测得到的基因组岛的数量及分布

在全部病原菌基因组上，共预测得到基因组岛2945个，平均每株菌有基因组岛11个，基因组岛在各菌株基因组上的所占比例为1.6～29.8kb/Mb。在梭杆菌门、厚壁菌门、变形杆菌门病原菌中预测到基因组岛的占基因组的比例为高（图1），平均分别为18.0 kb/Mb、14.2kb/Mb、13.3kb/Mb。基因组岛的长度为2kb～69kb，其中2kb所占比例最高，为39.4%；2kb～10 kb占全部基因组岛的95%以上（表2）。这些结果表明基因组岛在病原菌基因组上占有一定比例，是病原菌基因组变异的重要来源。其中革兰阳性菌菌基因组岛的比例均较高，提示革兰阳性菌普遍受水平基因转移的影响。而在革兰阴性菌中，梭杆菌门、变形杆菌门中有大量肠道病原菌，提示在肠道复杂菌群环境下发生水平基因转移的概率更高。

表1 本研究中分析的病原菌分布

图1 各门中基因组岛所占比例

表2 预测得到的基因组岛长度分布

2.2 基因组岛相关基因的功能分布特点

图2 基因组岛相关基因COG功能预测

位于预测得到的基因组岛上的基因共有9219个，平均基因长度为1398bp，平均每个基因组岛上有3个基因，平均每个基因组上与基因组岛相关的基因34个。其中4633个通过与COG数据库比对得到功能注释，占50.1%。其中以“细胞壁、细胞膜、包膜的生成”、“复制、重组和修复”、“预测的功能蛋白”及“转录”功能最多，分别为19.9%、12.2%、10.3%和9.0%（图2）。提示这些功能相关的基因可能与基因组岛的功能及其水平转移具有密切关系。

3 讨 论

研究表明，细菌基因组上有数目可观的区域可能受到水平基因转移的影响，本研究中针对病原菌进行了基因组岛的预测，且在所用参数对与全基因组GC含量差异要求较高的情况下，在病原菌基因组上最高仍有3%的区域GC含量异常，表明在病原菌基因组上基因组岛所占的比例较高，这提示病原菌染色体上受到水平基因转移的区域较其他细菌更加广泛。而在不同环境下的病原菌所受水平基因转移的影响也不相同。

在细菌基因组上，一般来说与其基础生命活动相关的物质转运代谢、能量转化等功能基因所占比例最高，而在本研究中预测得到的基因组岛上的基因，与细胞壁、细胞膜功能相关和与复制、重组和修复相关的基因所占比例最高，提示这些区域与基因重组和水平转移有着密切关系，进一步证实了这些区域的移动性。本研究中通过生物信息学方法对病原菌基因组岛的分布及相关基因的功能进行了预测和分析，这些结果揭示了病原菌基因组上受水平基因转移影响区域的广泛性及相关基因的功能特点，将为病原菌相关研究提供基础依据，具有指导意义。

基因组岛在细菌尤其是病原菌新功能的获得，如致病性、耐药性等方面的起着重要作用。近年来在猪链球菌、超级细菌NDM1、等新型病原菌导致的疫情中，通过致病菌基因组进行研究，发现其致病性、耐药性的新特点都和基因组岛及其水平转移密切相关。因此，通过对基因组岛及其相关基因的功能特点进行深入研究，能够极大推动细菌致病性、耐药性的机制研究，对疾病的治疗和预防控制具有重要意义。

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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传染病防治”十二五科技重大专项（2013ZX10004-221）；国家自然科学基金项目（81201322）；传染病预防控制国家重点实验室面上课题（2011SKLID206）

*通讯作者：E-mail：chenchen@icdc．cn

*通讯作者