新城疫病毒生物信息分析系統(tǒng)的構(gòu)建及其全基因組的比較研究.pdf

1、隨著后基因組時(shí)代的到來(lái)，生物信息學(xué)的主要任務(wù)已經(jīng)從生物數(shù)據(jù)的積累發(fā)展到對(duì)生物數(shù)據(jù)的整合與處理階段。由于生物信息學(xué)分析資源多樣、生物數(shù)據(jù)海量、分析任務(wù)復(fù)雜，構(gòu)建針對(duì)不同需求的生物信息分析系統(tǒng)顯得非常重要。本研究根據(jù)禽類重要傳染病病原——新城疫病毒(Newcastle disease virus，NDV)基因組分析的需求，開(kāi)發(fā)針對(duì)NDV的生物信息分析系統(tǒng)，并利用生物信息學(xué)分析方法，開(kāi)展NDV全基因組的比較研究，在全基因組水平上闡明NDV遺傳

2、進(jìn)化規(guī)律，為防控新城疫(Newcastle disease，ND)的流行提供理論依據(jù)。
　　1.基于Z曲線理論的核酸序列可視化分析系統(tǒng)的構(gòu)建。Z曲線是我國(guó)科學(xué)家發(fā)展起來(lái)的一種用幾何學(xué)方法分析比較基因組核酸序列的有效工具，它將基因組字母序列記錄的信息轉(zhuǎn)換成三維坐標(biāo)的空間曲線，使研究者可以直觀地對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行分析比較。本研究根據(jù)Z曲線理論，在對(duì)系統(tǒng)需求進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，采用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的包圍盒抽稀算法思想，使用Visual C++編

3、程，開(kāi)發(fā)了具有DNA序列的座標(biāo)轉(zhuǎn)換、Z曲線顯示和比較、基本輸入輸出等功能的病毒基因組生物信息分析系統(tǒng)。通過(guò)以不同基因型NDV基因組核酸序列的顯示為例，證明該系統(tǒng)能夠被用于對(duì)病毒基因組序列進(jìn)行顯示和比較。
　　2.基于Web的新城疫病毒基因分型系統(tǒng)的構(gòu)建。人們根據(jù)新城疫病毒的分子生物學(xué)特性，建立了基于新城疫病毒F基因限制性酶切位點(diǎn)和F蛋白特定氨基酸位點(diǎn)的基因分型方法，由于分型過(guò)程中序列處理過(guò)程復(fù)雜、結(jié)果判定容易產(chǎn)生偏差，本研究根據(jù)N

4、DV基因型分析的規(guī)律，以瀏覽器為用戶界面，采用JSP技術(shù)，后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)采用SQL Server，以開(kāi)源軟件eclipse3.2為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，構(gòu)建了基于Web的新城疫病毒基因自動(dòng)分型系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)例檢驗(yàn)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了快速準(zhǔn)確地判別NDV毒株基因型的功能。
　　3.基于Web的新城疫病毒生物信息分析系統(tǒng)的構(gòu)建。針對(duì)新城疫病毒基因組生物信息分析的需要，以IBM服務(wù)器作為硬件平臺(tái)，以Microsoft Windows Service2003作為操

5、作系統(tǒng)、Microsoft SQL Service2005為數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)環(huán)境，采用VB+COM組件編程開(kāi)發(fā)了后臺(tái)NDV生物信息數(shù)據(jù)自動(dòng)獲取管理系統(tǒng)，采用ASP、JSP+COM組件編程開(kāi)發(fā)了前臺(tái)基于WEB的生物信息分析系統(tǒng)。設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過(guò)程包括系統(tǒng)多層結(jié)構(gòu)模型的設(shè)計(jì)、后臺(tái)數(shù)據(jù)更新系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、前臺(tái)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)NDV核酸和蛋白序列數(shù)據(jù)的提交和檢索、核酸序列的分析、蛋白質(zhì)序列的分析以及蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè)等功能。

6、　　4.新城疫病毒分離株全基因組序列測(cè)定與分子生物學(xué)特性鑒定。根據(jù)GenBank發(fā)布的NDV全基因組序列，設(shè)計(jì)了10對(duì)引物，對(duì)由本室分離鑒定的3個(gè)鴨源弱毒株和國(guó)內(nèi)相關(guān)研究單位提供的4個(gè)鴿源、2個(gè)雞源毒株進(jìn)行了全基因組序列測(cè)定，結(jié)果表明，3個(gè)鴨源毒株全基因組序列長(zhǎng)度為15186nt，基因組AT含量為53％，GC含量為47％，4個(gè)鴿源和2個(gè)雞源株全基因組的長(zhǎng)度為15192nt，基因組AT含量為54％，GC含量為46％。所測(cè)毒株各基岡的起始位

7、置與均已經(jīng)發(fā)表的毒株相一致。各毒株F蛋白裂解位點(diǎn)區(qū)域的序列符合其毒力強(qiáng)弱的特征，除鴨源毒株的HN蛋白長(zhǎng)度為616和577個(gè)氨基酸外，其它均為571個(gè)氨基酸。與GenBank進(jìn)行的同源比對(duì)以及與各基因型代表株的序列比對(duì)結(jié)果表明，所測(cè)毒株與已經(jīng)公布的毒株之間同源性最高的為95％左右，最低的為84％左右?；贔基因片段構(gòu)建的系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)顯示，3個(gè)鴨源毒株全部屬于基因I型，2個(gè)鴿源株(ND/05/028、ND/05/029)屬于基因VI型，另2個(gè)

8、鴿源株(ND/03/018、ND/03/044)屬于基因Ⅶ型，雞源株QH1和QH4屬于基因Ⅷ型。經(jīng)與GenBank檢索結(jié)果比較，本文首次測(cè)定了NDV基因Ⅷ型毒株的全基因序列，為開(kāi)展不同基因型NDV全基因組的比較研究提供了條件。
　　5.鵝源新城疫病毒基因組密碼子使用分析。鵝的新城疫流行是最近10多年才出現(xiàn)的新情況。為了進(jìn)一步研究鵝源NDV的分子生物學(xué)特性，本文以我國(guó)測(cè)序的兩株鵝源NDV全基因組序列(ZJ1、SF02)為材料，分析其

9、密碼子用法，并與鵝、雞的密碼子用法進(jìn)行比較，在密碼子使用水平上作初步探索。結(jié)果表明，雖然鵝源NDV毒株與疫苗株、雞源株、鴿源株在基因組水平上存在較大差異，但在編碼蛋白的密碼子用法上沒(méi)有顯著差異，在密碼子的優(yōu)先使用和高頻密碼子數(shù)、有效密碼子數(shù)、密碼子使用指數(shù)等指標(biāo)上基本一致。從與宿主密碼子使用頻率的比較上可以看出，鵝源NDV密碼子使用頻率與鵝、雞的密碼子使用頻率差異不大，僅有5-6個(gè)密碼子存在差異。
　　6.基于Z曲線的新城疫病毒基

10、因組生物信息學(xué)比較。利用從GenBank下載以及本室測(cè)序的NDV全基因組序列和本研究開(kāi)發(fā)的Z曲線分析系統(tǒng)，分別繪制了NDV全基因組的X-n、Y-n、Z-n和三維Z曲線，比較了不同基因型NDV基因組Z曲線的特征，結(jié)果顯示，NDV全基因組中嘌呤堿基(A、G)、氨基堿基(A、C)占優(yōu)勢(shì)，在基因組序列的前1/3至前1/2區(qū)域，強(qiáng)氫鍵堿基(G、C)占優(yōu)勢(shì)。不同基因型的NDV基因組Z曲線，從ClassI到ClassⅡ的基因1-8型，有向Z軸靠攏的趨

11、勢(shì)，在基因組組成中表現(xiàn)為GC含量有降低的趨勢(shì)，這一進(jìn)化規(guī)律的生物學(xué)意義值得進(jìn)一步研究。通過(guò)對(duì)副粘病毒亞科小同屬病毒代表株全基因組序列Z曲線的比較，證明近年來(lái)將NDV與APMV2-9型劃為新的Avulavirus屬是正確的，從全基因組Z曲線上可以看出，它們與原副粘病毒屬的病毒有較大的區(qū)別。
　　7.不同基因型新城疫病毒全基因組的比較研究。
　　選擇53個(gè)NDV全基因組序列，包括ClassⅠ和ClassⅡ中基因Ⅰ-Ⅸ型毒株，利用

12、生物信息學(xué)分析方法在核酸水平和蛋白質(zhì)水平開(kāi)展比較研究，結(jié)果表明:NDV毒株中基因組長(zhǎng)度有3種類型，即15186nt、15192nt、15198nt;基因組核酸序列中的堿基組成存在少許差異，且與病毒的基因型相關(guān);3’端非編碼區(qū)RNA二級(jí)結(jié)構(gòu)存在3種類型，其中有2個(gè)保守的莖.環(huán)結(jié)構(gòu)，可能是與病毒復(fù)制與轉(zhuǎn)錄相關(guān)的重要功能區(qū);基因組編碼區(qū)序列和編碼蛋白序列的遺傳進(jìn)化分析表明，NDV各基因的進(jìn)化基本保持同步，核酸序列的同源性小于蛋白序列的同源性;

13、經(jīng)對(duì)F和HN蛋白功能位點(diǎn)預(yù)測(cè)和比較，發(fā)現(xiàn)不同基因型毒株存在一些特定的氨基酸位點(diǎn);利用Insight II軟件模擬了雞源、鴿源和鵝源毒株的F、HN蛋白三級(jí)結(jié)構(gòu)，對(duì)鵝源株三維結(jié)構(gòu)中特征性位點(diǎn)及與周圍結(jié)構(gòu)的關(guān)系進(jìn)行了分析。
　　8.結(jié)論
　　(1)根據(jù)Z曲線理論，構(gòu)建了基于Z曲線的基因組核酸序列可視化分析系統(tǒng)，提供了直觀地分析比較和研究基因組核酸序列的幾何學(xué)工具。
　　(2)根據(jù)新城疫病毒基因型分析的原理，利用JSP和數(shù)據(jù)庫(kù)

14、技術(shù)，構(gòu)建了基于Web的新城疫病毒基因分型系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)NDV快速分型的目標(biāo)。
　　(3)根據(jù)新城疫病毒基因組分析的需要，開(kāi)發(fā)了基于Web的NDV生物信息分析系統(tǒng)，可以提供對(duì)NDV核酸和蛋白序列的提交、檢索查詢、核酸序列分析、蛋白質(zhì)序列分析等功能。
　　(4)測(cè)定了9個(gè)NDV分離株的全基因組序列，其中基因Ⅷ型毒株為首次測(cè)序，并提交到GenBank核酸序列庫(kù)中，為開(kāi)展不同基因型NDV全基因組的比較研究提供了條件。
　　(

15、5)對(duì)鵝源株NDV全基因組的密碼子使用情況進(jìn)行了分析，確定了NDV基因組中優(yōu)先使用的密碼子情況，計(jì)算了密碼子使用的相關(guān)指數(shù)，并與鵝、雞的密碼子使用進(jìn)行了比較。
　　(6)利用研究開(kāi)發(fā)的Z曲線分析系統(tǒng)，對(duì)不同基因型NDV全基因組進(jìn)行了幾何學(xué)的比較，探明了NDV基因組中堿基分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在Z曲線表示上，從基因Ⅰ型到基因Ⅷ型有向Z軸靠攏的趨勢(shì)。
　　(7)對(duì)53株不同基因型的NDV全基因組序列進(jìn)行了系統(tǒng)的比較研究，分別從基因組核酸