O139群与O1群霍乱弧菌基因组尺度代谢网络构建及基因组特征性差异的研究

Cholera is the category A infectious disease. Before the 1990s, it was widely believed that cholera outbreak only can be caused by Vibrio cholerae O1 biotype, so researchers focused on the study of V. cholerae O1 strains. In 1992, there has been cholera outbreak caused by the V. cholerae O139 strains, which has been identified as emerging infectious diseases by WHO. V. cholerae O139 strains and V. cholerae O1 strains have something in common, but also have differences in several metabolic reactions and adaptation to external environment. In this project, we will use comparative genomics analysis to determine the serogroup (O139/O1)-specific genomic structure, core-genes and pan-genes, followed by PCR Scan verification in a large number of strains. Then, pMLST and phylogenetic tree will be used to explore whether the V. cholerae O139 strains evolve from the V. cholerae O1 strains. Meanwhile, to determine the serogroup-specific genetic mechanisms of biochemical metabolism, the genome-scale metabolic network reconstruction strategy will be used in this research. And the external environment adaptation–related candidate genes will be predicted by comparative genomics analysis, followed by gene deletion techniques and phenotype microarray to identified the genetic bases of serogroup-specific differences in the external environment adaptation.

霍乱是我国法定的甲类传染病。上世纪90年代前，普遍认为只有O1群霍乱弧菌才能引起爆发，研究者也均聚焦于霍乱O1群研究。1992年出现了由O139群霍乱弧菌引起的暴发流行，其已被世卫组织列为新发传染病。霍乱O139群与O1群菌株有其共性，但在代谢反应或外环境适应性上也存在着差异。本项目利用比较基因组学分析确定与血清群（O139/O1）分群相关的特异性基因组结构、共有基因及特有基因，并经大群PCR Scan验证。应用pMLST分析构建进化树探讨霍乱O139群产毒株的来源是否为霍乱O1群产毒株。同时，将基因组尺度代谢网络重构引入霍乱O139与O1群比较中，清晰描绘两种血清群在生化代谢中差异的遗传机制。并且利用生物信息学预测两种血清群在外环境适应性上存在差异的效应基因，并利用单基因缺失和高通量表型芯片对预测的效应基因进行功能验证，以确认O139群霍乱在外环境适应性上不同于O1群表型的分子遗传机制。

霍乱是我国法定的甲类传染病。上世纪90年代前，普遍认为只有O1血清群霍乱弧菌才能引起暴发，1992年出现了由O139群霍乱弧菌引起的暴发流行，其已被世卫组织列为新发传染病。霍乱弧菌O139群与O1群菌株有共性，但在代谢反应和外环境适应性上也存在差异。本项目利用测得的霍乱O139群产毒株和霍乱O1群产毒株完成图，测定的中国霍乱O139群产毒株和霍乱O1群产毒株精细图，以及公共数据库中已发布的世界霍乱O139群产毒株和霍乱O1群产毒株框架图信息，比较O1群和O139群霍乱弧菌新基因的增长模型的差异；统计O1群和O139群霍乱弧菌的pan基因和core基因数目，并分析O1群和O139群霍乱弧菌各自的特异基因；对O1群和O139群霍乱弧菌的core SNPs位点进行比较，分析其分布特征及功能分析；O1群和O139群霍乱弧菌的重组分析；针对O1群霍乱弧菌产毒株和O139群霍乱弧菌产毒株进行CTXΦ结构模式分析；比较O1群和O139群霍乱弧菌大片段插入序列；进行O1群霍乱弧菌产毒株和O139群霍乱弧菌产毒株的耐药基因谱分析比较。分析core-genome中的SNPs位点，利用BEAST软件构建进化树，揭示了霍乱O139群产毒株属于O1群产毒株的一个分枝。利用biolog表型芯片，测定两种血清群的霍乱弧菌产毒株在对碳源、氮源、磷源、硫源、渗透压和PH值底物中的生长情况，与菌株的序列信息进行联合分析，推测O139群霍乱弧菌产毒株不同于O1群霍乱产毒株的生化代谢表型所相应的差异基因。此外，通过构建生物发光的霍乱弧菌，并利用小动物成像方法对O139群和O1群霍乱弧菌在甲鱼体表及体内的定殖情况进行了探索。并通过分别构建O139群和O1群霍乱弧菌重要定殖因子（mshA，gbpA，tcpA）的基因缺失株、回补株，通过竞争定殖实验定量的对一些重要黏附因子在甲鱼体表和体内的定殖作用进行了探索，发现MSHA在霍乱在甲鱼体表定殖时起到重要作用，而TCP菌毛和GBPA蛋白是霍乱在甲鱼体内定殖时的重要因子。同时，进行O1群和O139群霍乱弧菌在甲鱼体表的竞争实验，比较O1群和O139群霍乱弧菌在甲鱼体表定殖能力的差异，发现O139群比O1群有着更强的甲鱼体表定殖能力。