可移動基因島的精確定位及結(jié)構(gòu)特征分析.pdf

1、基因島是基因水平轉(zhuǎn)移的產(chǎn)物之一，是研究生物進(jìn)化的非常好的材料?；驆u具有各種各樣的生物學(xué)功能，如致病性、異源物質(zhì)降解、抗生素抗性、離子攝取和分泌活性等。某些基因島可以達(dá)到自由地從染色體中環(huán)出并重新整合回染色體的動態(tài)平衡，這樣的基因島被定義為可移動基因島。有些可移動基因島可以通過轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)導(dǎo)或接合轉(zhuǎn)移到新的宿主中。通過精確定位可移動基因島，研究其結(jié)構(gòu)特征，有助于實現(xiàn)基因島在不同菌株間的轉(zhuǎn)移和構(gòu)建有特定生物學(xué)功能的工程菌。
　　現(xiàn)有的應(yīng)

2、用生物信息學(xué)確定基因島的方法主要可以分成四種類型:第一種類型是考慮基因島同核染色體序列組成上的差異，其代表是SIGI-HMM和Centroid等;第二種類型是考慮基因島的結(jié)構(gòu)特征，其代表是Islander和GIDetector等;第三種類型是考慮基因島的比較基因組學(xué)特征，其代表是IslandPick;第四種類型是將多個因素綜合考慮的方法，其代表是MobilomeFINDER和IslandViewer?；驆u的可移動性要求基因島有清晰的邊

3、界正向重復(fù)序列和可移動基因的存在。而上述的很多方法并沒有考慮上面兩個因素成為確定基因島的必需要素。
　　我們分別建立了兩種精確定位可移動基因島的方法，首先將其應(yīng)用在假單胞菌（Pseudomonas）中，取得了良好的結(jié)果。并將第二種方法應(yīng)用到大腸桿菌（Escherichia coli）和沙門氏菌（Salmonella enterica）中，進(jìn)一步驗證了方法的可靠性。第一種方法考慮基因島同核染色體序列組成上的差異和其結(jié)構(gòu)特征;而第二種

4、方法將基因島的三種顯著特點有機結(jié)合，即特有的結(jié)構(gòu)特點中選取于基因島可移動性相關(guān)的重要基因即整合酶、轉(zhuǎn)座酶或重組酶的存在，比較基因組學(xué)的特點即基因島只在某個菌株中存在而與其相近的菌株中不存在，水平基因轉(zhuǎn)移的特點即異常的GC含量、二核苷酸偏向性和基因密度等，對基因島進(jìn)行了精確定位。對假單胞菌中所確定的部分基因島進(jìn)行了功能分析，并對大腸桿菌和沙門氏菌中的邊界序列和整合酶的匹配關(guān)系進(jìn)行分析，進(jìn)一步確定第二種方法的可靠性。發(fā)現(xiàn)基因島不僅可以整合在

5、tRNA基因的3'末端，也可以整合在其5'末端。
　　在腸菌科中分析以tmRNA基因為整合位點的基因島時發(fā)現(xiàn)了串聯(lián)基因島的存在，并且在25個大腸桿菌和17個沙門氏菌中串聯(lián)基因島不僅以tRNA基因和RyeB RNA基因為整合位點，還發(fā)現(xiàn)以外膜蛋白W基因和間隔序列為整合位點。并通過分析整合酶是否假基因化，邊界正向重復(fù)序列的完整性以及殘余可變區(qū)的存在而確定了基因島串聯(lián)的時序性，即最遠(yuǎn)離tmRNA基因的基因島最先整合入染色體中，而最靠近t

6、mRNA基因的基因島最后整合入染色體中。串聯(lián)基因島中整合酶的作用位點從tmRNA基因的3'末端到5'末端移動，也就是越靠近tmRNA基因的基因島的正向重復(fù)序列越長。如果串聯(lián)基因島中每個基因島中整合酶都有活性，就可以形成更大片段的基因轉(zhuǎn)移。
　　對整合位點為GMP合酶基因的34個基因島的結(jié)構(gòu)分析中發(fā)現(xiàn)，該類基因島中的整合酶以P4整合酶為主，并確定了該類整合酶有共同的轉(zhuǎn)錄激活因子AlpA。通過對大腸桿菌和沙門氏菌中基因島的分析發(fā)現(xiàn)P4