副猪嗜血杆菌泛基因组的构建与解析

来源 :张鹏飞 | 被引量 : 0次 | 上传用户:guoke3zhang
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由副猪嗜血杆菌(Glaesserella parasuis)引起的以纤维性多发性浆膜炎和关节炎为特征的格拉泽氏病(Gl?sser’s disease)是世界养猪业现代化的日龄隔离式生产系统下的一种重要疾病,给各国养猪业带来巨大的经济损失。临床实践表明,对该病的抗生素治疗往往达不到预期效果,并且现有G.parasuis商品化疫苗交叉保护作用较差。因此,对于G.parasuis的防制需在对遗传背景深入了解的基础上,探究G.parasuis耐药机制的形成与免疫异质性的原因。本研究拟利用纳米孔测序技术对多株副猪嗜血杆菌临床分离株进行全基因组测序,进一步构建G.parasuis泛基因组并对其主要特征进行分析,识别核心与非必需基因并探究两类基因的功能与参与的生物学过程;以核心基因组为对象设计构建多表位疫苗,探究多表位疫苗的交叉保护潜力。此外,针对G.parasuis毒力、生态环境、生物被膜形成能力三种生物学性状开展泛基因组关联研究,以正向遗传策略识别自然状态下性状变异的关联基因。主要结果如下:(1)使用牛津纳米孔测序技术(Oxford Nanopore Technology,ONT)对16株G.parasuis临床分离株进行了全基因组测序,通过对不同组装与纠错策略获得基因组质量的比较,确立了针对G.parasuis的纳米孔测序组装流程。结果显示,各菌株组装基因组序列长度中位数为2369871 bp(IQR:2341178~2392938bp),GC%中位数为40.02%;各基因组与变形菌门直系同源基因集比对,显示完整基因占比中位数为97.28%,16株G.parasuis基因组序列已收录在中国基因库序列归档系统,组装编号分别为:CNA0038229、CNA0038230、CNA0038231、CNA0038232、CNA0038233、CNA0038234、CNA0038235、CNA0038236、CNA0038237、CNA0038238、CNA0038239、CNA0038240、CNA0038241、CNA0038242、CNA0038243、CNA0038244。通过G.parasuis m RNA转录本与组装基因组的BLAT比对以及与编码区的BLAST比对,明确插入缺失是ONT的主要系统错误并会直接影响编码区的正确预测,必须纠错以提高基因组质量。随后比较了使用不同测序平台(Illumina、Pac Bio、ONT)组装细菌基因组的优劣,结果表明,仅ONT数据可直接组装出连续无空位的基因组,配合Homopolish纠错算法可达到与使用Illumina高准确性短读长数据纠错相同的精度,能在短时间内获得完整连续且高精度的基因组。(2)利用121株G.parasuis自然种群分离株完成泛基因组的构建,发现G.parasuis泛基因组由8885个基因组成(其中核心基因组由1133个基因组成,非必需基因组由7752个基因组成),属于开放型泛基因组,具有不断获取外源基因以适应环境的能力,其丰富的遗传多样性是导致现有疫苗缺乏交叉保护的主要原因。基于泛基因组与反向疫苗学,从G.parasuis核心基因组的外膜蛋白中鉴定筛选出5个B细胞表位、6个辅助性T细胞表位与3个细胞毒性T细胞表位,融合多表位设计构建的疫苗蛋白理化性质稳定且三维模型可靠,并与Toll样受体2分子存在多个强氢键相互作用。通过原核表达获得的疫苗蛋白约33k D,小鼠免疫试验显示,免疫产生的多克隆抗体能与不同血清型以及不可分型的G.parasuis菌株结合,表明该疫苗构建体是一种有潜力的通用型G.parasuis疫苗。(3)在G.parasuis泛基因组构建的基础上,研究分析了核心基因组与非必需基因组的生物学功能。结果表明核心基因组全面地参与到G.parasuis的生命过程,包括新陈代谢、转录翻译、信号转导等,是基因组其余部分的组成骨架。而非必需基因组也具有一定的生物本质性,参与到基本的生物学过程,并主要富集在移动元件、防御机制、碳水化合物运输与代谢等,赋予了G.parasuis更强的环境适应力(如在宿主体内病理状态下的低氧环境中)。核心基因组中分布有各类毒力因子,非必需基因组中的毒力因子是对核心基因组的补充,主要富集在生物被膜形成、粘附、免疫调节、侵袭等类别,为G.parasuis复杂的致病机制提供了遗传基础,也提高了菌体的生存机会。耐药基因大量地分布在非必需基因组中,表明基因的水平转移是G.parasuis获得耐药性的主要方式。基于泛基因组关联研究深入分析了与G.parasuis毒力、生态环境、生物被膜形成能力三种重要性状关联或因果关系的主要基因,及其相关作用机制:与强毒力关联的基因涉及新陈代谢、遗传信息处理、环境信息处理等信号通路,有利于G.parasuis在宿主体内的定植以及抵抗生存压力;与强生物被膜形成关联的基因多与反硝化过程关联,有利于生物被膜内部菌体在低溶解氧环境下维持自身生存等。本研究采用纳米孔测序技术成功测序组装出16株G.parasuis临床分离株的全基因组序列,结合已公布的基因组序列构建了G.parasuis泛基因组。在此基础之上设计构建了通用型G.parasuis多表位疫苗;并研究分析了G.parasuis主要生物学性状的分子遗传基础。为基于G.parasuis泛基因组的新型疫苗研发与治疗药物开发提供了试验材料和科学参考。
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