生物信息学下SXT R391元件核心基因的进化特性探析
生物信息学下 SXT/R391 元件核心基因的进化
特性探析
摘要：目的：SXT/R391 元件是革兰阴性菌中研究最充分、已知成员最多的整合性接合元件
家族，本研究的主要目的是探讨 SXT/R391 元件核心基因组的适应性进化规律。方法：收集数
据库中及文献报道的 SXT/R391 家族元件数据，并利用已测序的细菌基因组序列预测该家族元
件，分析元件核心基因的进化特性。结果：通过文献搜集和预测，共获得 83 个SXT/R391 元件
的基因组序列。在 52 个核心基因中，计算发现 22 个基因在进化过程中经历了重组，基因分布
于SXT/R391 元件的 4个必需模块。此外，在 7个基因中检测到了正选择信号。结论：分析了
SXT/R391 元件核心基因的进化机制，为了解该家族的进化和扩散奠定了基础。
Bioinformatics Analysis on the SXT/R391 ICEs Core Genome
ZHANG Qi ZHOU Jing ZHOU Jiang-Lin KONG Na HU Ming-Da PENG Xiao-Chuan LI Bei-Ping
LIANG Long JIN Yuan REN Hong-Guang YUE Jun-Jie
Beijing Institute of Biotechnology
Abstract：Objective: To conduct adaptive evolution analysis of core genome of SXT/R391, which is
one of the largest, diverse and well-studied family of integrating conjugative elements（ICEs ）
among Gram-negative bacteria.Methods: We used all available SXT/R391 ICEs genomes to expound
the genetic diversity at the genome level and then explore the evolutionary mechanisms contribute to
its genetic diversity. Results: 83 complete genome sequences of SXT/R391 ICEs from different
bacterial species and origins were collected. Among the 52 identified core genes, we found that 22
genes had recombination signals and 7 genes had significant evidence of positive selection. The results
demonstrated that recombination contributed most to the diversity of SXT/R391 ICEs. Conclusion:
We provide an overview of evolution in SXT/R391 ICEs, which will be helpful for understanding the
evolutionary dynamics of the SXT/R391 family.
原核生物的可移动遗传元件（mobile genetic element,MGEs）可通过接合、转化、转导等方式介
导遗传物质在不同种属细菌间的横向（水平）基因转移（lateral/horizontal gene
transfer,LGT/HGT）。Burrus 于2002 年首次对那些可以从染色体上剪切并整合进宿主染色体，
通过接合的方式在细菌细胞之间进行转移的遗传元件进行了归类，称之为整合性接合元件
（integrating conjugative elements,ICEs)[1]。ICEs 兼有质粒和噬菌体的特征，与接合性质粒相
似，它可通过接合的方式进行转移；与质粒不同的是，它们不能自主复制，其复制方式与温和
噬菌体相似，通过整合进宿主染色体，随宿主染色体一起复制[2]。ICEs 具有吸收和传播包括
毒力因子及耐药基因在内的多种特性基因进入细菌宿主细胞的功能。它们常赋予宿主细菌新的
性状，如耐药性和致病性等[3] 。
迄今，已在多种细菌中发现了 ICEs，但目前还没有公认的 ICEs 分类方法。欧�f宇提出了根据
整合酶序列相似性以及核心结构同线性的特征对 ICEs 进行分类的方法[4]，按照这种方法可以
把发现的大部分 ICEs 归为 28 个家族。SXT/R391 是目前已知的 ICEs 中研究最早和最详细的一
个家族[5] 。
SXT 元件最早发现于 1992 年在印度和孟加拉导致霍乱的 O139 群霍乱弧菌 MO10 的染色体上，
该元件能够以整合接合的方式进入宿主菌染色体。SXT 携带多种耐药基因，能够介导霍乱弧菌
对磺胺甲恶唑（sulfamethoxazole,Su）、甲氧苄氨嘧啶（trimethoprim,Tm）、链霉素
（streptomycin,Sm）和氯霉素（chloramphenicol,Cm）的耐药性。当时根据其携带的基因编码对
磺胺甲恶唑和甲氧苄胺嘧啶的抗性而命名为SXT[6]。R391 在上世纪 70 年代早期被鉴定为赋予
“抗卡那霉素的质粒，最初被认为是不相容性群质粒 IncJ”的原生代表。20 多年后，很多研究表
明R391 “和其他被称作R ”因子 的遗传元件具有与 SXT 高度类似的基因组骨架结构以及固定的
染色体插入/重组位点，它们与 SXT 实际上属于同一类型的整合接合元件，因此将这一类元件
划分为同一个 SXT/R391 家族。
目前发现的 SXT/R391 元件基因组的大小为70～120 kb。SXT/R391 元件的基因组包括核心保守
区和可变区两部分[5,7,8]。SXT/R391 元件的保守区编码的基因介导 SXT 元件的整合/切除、接
合转移和 ICEs 生命周期所需的调控，另外一些保守基因的功能未知。SXT/R391 可变区基因的
编码产物主要负责宿主对抗生素的耐药性、重金属离子抗性、生物膜形成和细菌运动能力的调
节，另外也编码毒素-抗毒素系统、限制性修饰系统、解旋酶、核酸内切酶等[9] 。
作为多药耐药（multi-drug resistance,MDR）基因的载体，SXT 元件在菌株间播散可造成新的优
势菌型流行。SXT/R391 元件的进化是造成其扩散能力增强的驱动力。阐明 SXT/R391 家族元件
的进化特征有助于防止 SXT 元件扩散，将对致病菌防控研究起到重要的实践指导意义。
1 材料与方法
1.1 数据搜集
“首先以SXT/R391” “及ICE”为关键词在PubMed 中搜索获得含有报道 SXT/R391 元件的文献，通
过阅读文献获取SXT/R391 元件的序列信息。接着进行 SXT/R391 元件的预测，为了保证获得
完整的 SXT/R391 元件序列，我们从基因组序列完整度为完整基因组（Complete Genome）和染
色体（Chromosome）状态的9632 个细菌基因组序列中搜索SXT/R391 元件。通过 BLASTp 软
件进行比对，匹配结果中包含整合与剪切模块（integration/excision module）、DNA 分泌模块
（DNA secretion module）和调控模块（regulation module）等 3个必需模块的蛋白区域推断为
潜在的 ICE，如果在一段连续区域内（70～130 kb）出现编码 SXT/R391 家族元件的整合酶
Int Ⅳ、型分泌系统接合蛋白和调控蛋白 SetR 的基因，则预测该基因组存在一个完整的 SXT/
R391 元件。最终，我们通过文献和预测获得 83 个SXT/R391 家族元件。
1.2 研究方法
提取SXT/R391 元件的 52 个核心基因序列，对 83 个元件做Blast 分析，分析每个基因在 83 个
元件上的分布和复制情况。
1.2.1 重组分析
应用分子生物学软件包 RDP4[10]中的 RDP、GENECONV、BootScan、MaxChi、Chimaera 等5
种较为常见的方法，分别探测 83 个SXT/R391 元件的 52 个核心基因序列的重组事件和重组信
号。其中，GENECONV 的参数g-scale 设置为1，允许重组片段内部的错配；其他方法的参数
设置为默认值，不作修改。P≤0.01 为具有统计学显着性差异。
1.2.2 正选择分析
选择在线工具Datamonkey(http://datamonkey.org/）[11]进行 SXT/R391 元件核心基因的正选择压
力分析。首先使用MUSCLE 进行序列比对，提交序列及选择运算模型。我们选择了 4种模
型，即随机效应似然法（REL）、固定效应似然法（FEL）、单一祖先计数法（SLAC）及混合
效应进化模型方法（MEME）。依据ω值[ω=dN/dS（非同义置换率/同义置换率）]判断选择的
方向。当 ω>1 且差异显着时判断为正向选择，0<ω<1 时为净化选择，ω=1 时为中性选择。
2 结果
2.1 SXT/R391 元件的序列整理及菌属分布
通过文献收集和预测共获得 83 个SXT/R391 元件的基因组序列，包括从文献中提取的54 个和
细菌基因组序列中预测的 29 个，元件所在宿主基因组的分离时间为 1967～2014 年，地理分布
包括 21 个国家和地区，元件宿主跨越 25 个菌属。在预测的 29 个SXT/R391ICE 元件中，有 12
个曾经被报道，但未提取和报道元件的完整序列。SXT/R391 元件的宿主广泛（图1），但分布
存在较大偏性，在霍乱弧菌中发现的数量最多，奇异变形杆菌紧随其后。有趣的是，临床发现
的SXT/R391 元件也都集中在霍乱弧菌和奇异变形杆菌。在环境中发现的 SXT/R391 元件大多
来自水环境。SXT/R391 的菌种分布不均匀，说明元件能在宿主中存在和保藏可能需要满足一
定的遗传背景。
2.2 核心基因分析
摘要：
展开>>
收起<<
生物信息学下SXT/R391元件核心基因的进化特性探析 摘要：目的：SXT/R391元件是革兰阴性菌中研究最充分、已知成员最多的整合性接合元件家族，本研究的主要目的是探讨SXT/R391元件核心基因组的适应性进化规律。方法：收集数据库中及文献报道的SXT/R391家族元件数据，并利用已测序的细菌基因组序列预测该家族元件，分析元件核心基因的进化特性。结果：通过文献搜集和预测，共获得83个SXT/R391元件的基因组序列。在52个核心基因中，计算发现22个基因在进化过程中经历了重组，基因分布于SXT/R391元件的4个必需模块。此外，在7个基因中检测到了正选择信号。结论：分析了SXT/R391元件...
相关推荐
-
中华人民共和国气象法
2024-12-30 57 -
中国气象局关于修改《气象行政许可实施办法》的决定
2024-12-30 53 -
中国气象局关于修改《气象行政处罚办法》的决定
2024-12-30 96 -
中国气象局关于修改《防雷减灾管理办法》的决定
2024-12-30 163 -
中国气象局关于废止部分部门规章的决定
2024-12-30 45 -
通用航空飞行管制条例
2024-12-30 78 -
施放气球管理办法
2024-12-30 115 -
人工影响天气管理条例
2024-12-30 48 -
气象资料共享管理办法
2024-12-30 44 -
气象专用技术装备使用许可管理办法
2024-12-30 69
作者：闻远设计
分类：社科文学类资料
价格：免费
属性：5 页
大小：19.2KB
格式：DOCX
时间：2024-04-23
