接合转座子Tn916家族的重组位点及结构的生物信息学研究

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接合转座子(Conjugative Transposons,CTns)是一种常见的可移动基因岛,通过接合进行水平基因转移,并主要传播抗生素抗性。Tn916家族CTns是最典型的接合转座子家族,因其强转移性,及被作为基因工具的滥用,使得各种抗生素抗性基因对环境造成了严重污染。本文首次使用生物信息学方法,对存在于细菌基因组内的所有Tn916家族CTns进行精确定位,进而系统地重点分析及证明了其转座酶作用位点的关键碱基和模块化结构。用最初发现的Enterococcus faecalis DS16 Tn916的转座酶为基础,基于NCBI的BLAST建立方法,准确定位Tn916及其他家族CTns在细菌基因组内的位置与大小。实验发现了除Tn916之外的9类家族CTns。Tn916家族CTns包括Tn916和Tn916.1至Tn916.9共10个类型。共精确定位出344个Tn916,74个Tn916.1,80个Tn916.2,43个Tn916.3,4个Tn916.4,5个Tn916.5,5个Tn916.6,18个Tn916.7,8个Tn916.8,15个Tn916.9。共定位出596个Tn916家族CTns在细菌基因组内的精确位置与大小,除Tn916以外的家族CTns大小和结构多不保守。Tn916家族CTns主要分布于致病菌中,正在转移至条件致病菌和益生菌中。以某一类家族的全部CTns的前后端碱基序列分别做Clustal W比对并进行数据分析,得到其两端的固定反向重复序列。随后设计方法确定全部该类家族CTns在供体基因组中两端的茎环结构和在受体基因组中的插入位点,总结规律。Tn916家族CTns中转座酶的识别区域由两段AT丰富的反向重复序列夹约5~6bp的偶联序列组成,且偶联序列也为AT丰富区,其第一个碱基A,和最后一个碱基T为偶联序列的保守碱基。边界序列中的TA组合推测为Tn916家族CTns的转座酶作用位点的关键碱基。Tn916家族CTns中的转座酶对偶联序列的极低特异性,使Tn916家族CTns具有极强的转移能力。通过对比某一家族CTns全部所处细菌基因组的gb文件,选出该家族CTns的代表元件,并对其功能基因进行注释和模块结构及抗药性分析。Tn916家族CTns都由相似的重组模块、转录调节模块、辅助功能模块和接合转移模块组成,具有大量功能相同的模块基因。Tn916家族CTns携带的主要抗生素抗性有四环素抗性、万古霉素抗性和各种ABC机制的多药耐药性。在分布有Tn916家族CTns的细菌种中筛选出已有和未来可能的超级细菌进行分析,如具有4类CTns,52个整合位点的Clostridioides difficile DSM27639;具有1类CTns,22个整合位点的Enterococcus faecium E7237;具有2类CTns,11个整合位点的[Clostridium]innocuum I46(CP022722.1);具有1类CTns,10个整合位点的Enterococcus faecalis JY32。Tn916家族CTns还能够转移至其他可移动遗传元件内,使其携带抗生素抗性。综上所述,本文首次使用信息学方法对存在于细菌基因组内的所有Tn916家族CTns进行精确定位和分类,进而系统地分析及证明其内部转座酶的作用规律和模块化结构,并指出了已有的和未来可能出现的超级细菌。该研究有利于探索去除耐药菌中的Tn916家族CTns的有效方法,以提高抗生素的疗效及治疗某些超级细菌导致的强感染病症,同时提高Tn916家族CTns作为基因工具的效率与准确性。
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