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鼠疫耶尔森氏菌比较和进化基因组学研究

周冬生

  鼠疫耶尔森氏菌是鼠疫的病原体,历史上曾引起三次世界鼠疫大流行。鼠疫耶尔森氏菌是在1500~20000年前由假结核耶尔森氏菌进化而来的,作为一个新生的病原体,正处于进化的活跃时期。本研究研制了鼠疫耶尔森氏菌全基因组DNA芯片(微点阵),以假结核耶尔森氏菌为参照,针对大量背景清楚的鼠疫耶尔森氏菌菌株,进行了比较和进化基因组学研究,较深入地认识了鼠疫耶尔森氏菌的起源进化,建立了鼠疫耶尔森氏菌基因组分型的策略和方法,据此进行了系统发育分析,认识了鼠疫耶尔森氏菌基因组进化和种内分化的基本规律,探究了鼠疫耶尔森氏菌在中国的传播和演化规律,从基因组进化的角度探究了鼠疫耶尔森氏菌演化与生态位适应的关系,为鼠疫防治工作提供了新思路。基于DNA芯片的鼠疫耶尔森氏菌比较基因组学分析整理鼠疫耶尔森氏菌全基因组数据,从中挑选出4005条基因,PCR扩增各基因,纯化的PCR产物点样制备全基因组DNA芯片。采用双色荧光杂交策略,进行芯片比较基因组杂交,设计了若干质控杂交组合,据此成功建立了基于DNA芯片的鼠疫耶尔森氏菌比较基因组学技术平台。中国鼠疫耶尔森氏菌的基因组分型针对36株鼠疫耶尔森氏菌中国分离株和7株假结核耶尔森氏菌,进行了DNA芯片比较基因组分析,在基因组上鉴定出22个差异区段(Different Region,DFR),它们在某些鼠疫耶尔森氏菌菌株中缺失,而在余下菌株中则没有缺失。通过大规模PCR,分析了这些DFR在260株鼠疫耶尔森氏菌中国分离株和7株假结核菌中的分布。该260株鼠疫耶尔森氏菌具有14种DFR图谱,据此将中国鼠疫耶尔森氏菌分成了14个基因组型。鼠疫耶尔森氏菌基因组的平行微进化DFR的获得或缺失反映了鼠疫耶尔森氏菌在自然界适应性演化的遗传基础,据此基本探明了鼠疫耶尔森氏菌基因组的起源进化和种内微进化的基本规律,揭示了基因获得和缺失在鼠疫耶尔森氏菌基因组进化中的作用。由假结核耶尔森氏菌进中文摘要化至鼠疫耶尔森氏菌,后者获得了两个新质粒和三个基因组岛。外源基因的获得直接导致叹疫耶尔森氏菌适应新的生态位,进化至现今的物种形态。鼠疫耶尔森氏菌种内正经历着典型的基因组平行微进化过程:通过基因水平获得,鼠疫耶尔森氏菌基因组在选择性扩张,导致了鼠疫耶尔森氏菌种内的剧烈分化(东方型菌株的起源);同时基因缺失在不断发生,推动了鼠疫耶尔森氏菌基因组的简约进化。基因缺失包括完整基因或DNA区段( DFR)的缺失,以及通过点突变单个基因丧失其功能或不能正常体现功能。鼠疫耶尔森氏菌在自然疫源地中的适应性演化鼠疫耶尔森氏菌的基因组型均局限于特定的地理区域,通常是完整的鼠疫自然疫源地或其部分地域,每个地理区域都有其独特的环境、宿主、鼠疫耶尔森氏菌组合。根据鼠疫耶尔森氏菌基因组型的进化特征,我们推定了鼠疫耶尔森氏菌在中国传播与演化的规律。中国鼠疫耶尔森氏菌由国外传入—中亚和苏联远东地区的古典型鼠疫耶尔森氏菌,分别传入中国的新疆西藏地区和东北地区,进一步形成三大演化分支,每个分支内均包括了若干个基因组型。在达尔文进化论的基本框架下,我们试图建立基因组遗传进化与鼠疫耶尔森氏菌表型适应性演化之间的内在联系。地理景观和自然生境决定了宿主和媒介的种类及其生态学特征,宿主、媒介、鼠疫耶尔森氏菌相互作用的复合体(称作宿主生态位)决定了鼠疫耶尔森氏菌的存在。一个特定的宿主生态位,不仅决定着鼠疫耶尔森氏菌在自然界的长期存在,而且决定着其型别。基因组的平行进化在表型上直接表现为:鼠疫耶尔森氏菌扩展至不同的地理区域中,分别适应不同类型的宿主生态位,最终在各个地理区域中形成稳定的自然疫源性,鼠疫耶尔森氏菌演化成名副其实的多宿主病原体。鼠疫耶尔森氏菌适应于不同宿主生态位本质上是个种内分化的过程,由此,鼠疫耶尔森氏菌在种以下形成不同的遗传型别,不同型别鼠疫耶尔森氏菌最终局限于特定地理区域,有效地避免了彼此间的生态位重叠。一个新的鼠疫耶尔森氏菌生物型—田鼠型根据糖醇代谢能力的异同,鼠疫耶尔森氏菌历史上被分成三个生物型:古典型(甘油酵解和脱氮均阳性)、中世纪型(甘油酵解阳性而脱氮阴性)和东方型(甘油酵解阴性而脱氮阳性)。人类历史上曾先后发生过的三次鼠疫世界大流行,上述生物型分别与前后三次大流行联系在一起。我国共有两块田鼠鼠疫自然疫源地,分中文摘要离出多株鼠疫耶尔森氏菌。按传统生物分型标准,田鼠菌株属于中世纪型。中世纪型菌株是与第二次鼠疫世界大流行联系在一起的。但是,我国鼠疫研究学者普遍认为我国田鼠鼠疫疫源地的鼠疫耶尔森氏菌不危害人类。田鼠菌株的许多基因(本研究证实了13条基因)由于点突变而失活或表达蛋白发生变异,另还缺失了5个DFR。田鼠菌株在遗传基础上与其它型别鼠疫耶尔森氏菌差别较大,在进化上属于一个独立的分支。田鼠鼠疫自然疫源地鼠疫耶尔森氏菌应独立为一个新的生物型—田鼠型(灿。rotus)。按照对甘油、硝酸盐、阿拉伯糖的代谢能力,鼠疫耶尔森氏菌被分成四个生物型:古典型……   
[关键词]:鼠疫耶尔森氏菌;DNA芯片;比较基因组学;进化基因组学
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:中国人民解放军军事医学科学院2004年