检索结果-内蒙古大学图书馆

作者：李梦露安徽大学

学位级别：硕士

细菌在抗生素的大量使用过程中出现了耐药性,这已经成为全球范围内影响人类健康的重大问题。随着耐药性细菌的大量增加,使得抗生素的治疗效果不明显,人们需要采取一些突破性的方法来解决这一问题。噬菌体作为生物圈中最常见也是最多样... 详细信息

细菌在抗生素的大量使用过程中出现了耐药性,这已经成为全球范围内影响人类健康的重大问题。随着耐药性细菌的大量增加,使得抗生素的治疗效果不明显,人们需要采取一些突破性的方法来解决这一问题。噬菌体作为生物圈中最常见也是最多样的生物体之一,不仅能摧毁特定的细菌宿主,还可以成倍的复制,这些特性使得噬菌体疗法成为最有前途替代抗生素的方法之一。噬菌体疗法的关键是将目标细菌宿主与相应的治疗性噬菌体正确匹配。实验方法验证噬菌体与目标细菌宿主之间的相互作用耗时耗力,而且代价昂贵。因此有必要发展预测噬菌体和目标细菌宿主之间相互作用的计算方法。目前基于相似性的计算方法预测精度不高,基于机器学习的预测方法则由于负样本的随机选择从而导致模型的稳定性不佳。根据当前预测噬菌体-宿主相互作用方法的研究现状,本文基于PhagesDB和GenBank数据库中的噬菌体-宿主相互作用数据,开发了两种基于深度学习算法的噬菌体-宿主相互作用预测方法。本文的详细工作如下:(1)构建了基于随机选择负样本和深度学习的噬菌体-宿主相互作用预测方法。由于目前未知的噬菌体-宿主相互作用(负样本)数据较多,本文从负样本集合中随机选择一部分负样本与正样本(已知的噬菌体-宿主相互作用)构建一套数据集。同时基于噬菌体和宿主编码的蛋白质量化了多类特征(氨基酸组成,化学元素丰度以及分子量),然后使用深度卷积神经网络构建了一个预测模型PredPHI(Predicting phage host interactions)。实验结果表明,在预测噬菌体-宿主相互作用上,PredPHI比前人方法更具有优势。(2)构建了基于高质量负样本和深度学习的噬菌体-宿主相互作用预测方法。为了改善由于负样本随机选择导致的模型稳定性差的问题,本文设计了三种负样本选择方法来构建三组训练集,分别是随机选择、基于K均值聚类,以及基于噬菌体的相似性方法。在前一工作的数据集和特征基础上,本文使用更合理的标准对数据进行了更严苛的筛选(去除噬菌体和宿主编码的蛋白质中属于假设蛋白的部分)。本文比较了不同分类器在训练集上的性能,结果显示三套训练集上皆是深度学习模型效果最优。接着本文在独立测试集上比较三套训练集构建的模型性能。最终实验结果表明,基于K-Means聚类方法选择负样本构建的模型(PredPHI-V2)性能较优,且模型稳定性优于随机选择负样本方法构建的模型。最终,本文所构建的高性能的噬菌体-宿主相互作用预测方法可以针对所感染的细菌提供具有相互作用的噬菌体,为其个性化治疗提供潜在的噬菌体,也为研究人员的进一步实验提供便利。

关键词：生物信息学深度学习噬菌体-宿主相互作用负样本选择

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基于图神经网络的噬菌体和宿主相互作用预测研究

基于图神经网络的噬菌体和宿主相互作用预测研究

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作者：王文安徽农业大学

学位级别：硕士

噬菌体疗法被视为一种替代传统抗生素治疗的潜在有效手段。当前研究工作主要专注于噬菌体与宿主细菌之间的相互作用。其中,群体感应机制(quorum sensing,QS)作为噬菌体与宿主细菌间通讯的关键机制,在双方的互作关系起着至关重要的调控... 详细信息

噬菌体疗法被视为一种替代传统抗生素治疗的潜在有效手段。当前研究工作主要专注于噬菌体与宿主细菌之间的相互作用。其中,群体感应机制(quorum sensing,QS)作为噬菌体与宿主细菌间通讯的关键机制,在双方的互作关系起着至关重要的调控作用。已有的生物信息学基于计算方法较多地关注数据中噬菌体与宿主直接的作用,而并未考虑到实际中群体感应机制对关联的影响。噬菌体和宿主间通过QS分别传递信号分子,实现对双方的互作影响,而这个交流过程是不对称的。此外,现有研究数据集规模有限,噬菌体-宿主相互作用数据稀疏,导致在进行相关预测任务时表现并不好。如何补充数据,并进一步对复杂的相互作用进行有效预测,成为目前噬菌体-宿主相互作用研究的重要挑战。本文新构建噬菌体和宿主相互作用数据集,通过图神经网络相关方法对潜在噬菌体和宿主相互作用进行预测,主要研究内容如下: (1)目前的研究中所收集的有效噬菌体-宿主作用数据较少,并且噬菌体和宿主对应的生物属性如DNA以及蛋白质序列等信息收集尚未全面。本文针对这一问题,构建了一个丰富的噬菌体-宿主相互作用数据集,收录了最新的噬菌体-宿主互动关系,并补充了相关的生物序列数据。数据集整合了来自七个专业数据库的最新信息,包括细菌和噬菌体的遗传物质及蛋白质数据,提供了更新更广泛的噬菌体-宿主作用目录。 (2)本文根据该机制设计了有向的嵌入编码器,提出一个基于微生物QS的噬菌体-宿主非对称关系预测模型DGAT-PHI(Directed graph attention networks for predicting asymmetric phage-host interaction)。并且为了解决数据稀疏性问题,模型引入了结构增强模块,对编码后嵌入进一步增广后进行预测。实验显示,基于QS的非对称关系预测模型性能较现有方法更为有效。 (3)面对噬菌体-宿主数据中属性缺失导致网络不平衡问题,提出一个基于多特征融合的噬菌体-宿主多关系预测模型PHI-SAS(Multi-relationship interaction prediction model of phage and host based on sequence and structural features)。模型采用网络结构与噬菌体和宿主的生物属性特征结合,补充缺失的关联。针对噬菌体-宿主多关系预测,本文进一步设计了多关系感知的结构提取模块,表示出噬菌体和宿主之间的不同关系,对网络的结构信息充分捕获。PHI-SAS在单一关系和多关系噬菌体-宿主数据上AUC分别为0.98和0.96,取得了比基线模型更好的性能。通过一系列细致的实验和对比分析,论文验证了所提出模型的有效性和优越性,展示了其在噬菌体-宿主相互作用预测领域的应用潜力。

关键词：噬菌体-宿主相互作用群体感应图神经网络生成对抗特征融合

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噬菌体PaP3与宿主基因组水平的相互作用及抑菌基因orf70.1的功能鉴定

噬菌体PaP3与宿主基因组水平的相互作用及抑菌基因orf70.1的功能...

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作者：赵霞第三军医大学

学位级别：博士

铜绿假单胞菌(PseudomonasaP3aeruginosa)是一种人类条件致病性的革兰氏阴性菌,该菌有非常强的适应能力,在自然界中广泛存在。铜绿假单胞菌的感染常见于呼吸道,烧伤和创伤等,是导致院内感染的主要病原体之一。近年来,由于抗生素的滥用,... 详细信息

铜绿假单胞菌(PseudomonasaP3aeruginosa)是一种人类条件致病性的革兰氏阴性菌,该菌有非常强的适应能力,在自然界中广泛存在。铜绿假单胞菌的感染常见于呼吸道,烧伤和创伤等,是导致院内感染的主要病原体之一。近年来,由于抗生素的滥用,加速了耐药菌的出现和扩散,使现有的抗生素失效。耐药菌对人类的威胁成为全球瞩目的健康问题,有研究将导致院内感染最常见的六种多重耐药细菌称为“ESKAPE”(EnterococcusaP3faecium,StaphylococcusaP3aureus,KlebsiellaaP3pneumoniae,AcinetobacteraP3baumanii,PseudomonasaP3aeruginosa,andaP3EnterobacteraP3species),这些细菌耐药情况非常严重,有的甚至是全耐药的。铜绿假单胞菌的基因组是最大的细菌基因组之一,含有多种药物抗性基因。由于新的抗生素的研究发展远远滞后于细菌的突变速度,这使得多重耐药的铜绿假单胞菌感染治疗相当困难。自从1915年首次发现噬菌体后不久,人们就成功地将噬菌体应用到铜绿假单胞菌感染的治疗中,并取得了很好的效果。自然界中,作为细菌的天敌,噬菌体的数目是细菌的十倍,是一个巨大的抗菌制剂的资源池。然而,目前已测序的噬菌体只有一千多种,人们对噬菌体-宿主之间的相互作用的了解更是冰山一角。这些知识的匮乏,阻碍了人们对噬菌体这一资源的利用。因此,为了充分利用噬菌体来对抗目前形势严峻的耐药细菌,我们迫切地需要对噬菌体-宿主相互作用及噬菌体基因功能有更深入地了解。本文根据噬菌体的一步生长曲线,利用表达谱芯片技术考察了铜绿假单胞菌噬菌体PaP3与其宿主-铜绿假单胞菌PA3在不同时期的全基因组表达情况,并绘制了噬菌体-宿主基因之间的相互作用网络。以此为基础并结合前期工作,我们从噬菌体PaP3早期基因中筛选到一个具有抑菌活性的基因—orf70.1。接着通过包括GSTaP3pullaP3down表达谱芯片技术,RT-qaP3PCR分析,核磁共振(NMR)质谱和表型分析等技术,我们对orf70.1的功能进行了综合的分析。以下为本文的主要研究内容及结果:铜绿假单胞菌噬菌体PaP3对宿主菌全基因组基因表达的影响:我们根据噬菌体PaP3的一步生长曲线,选择了覆盖整个噬菌体生长时期的五个时间点,利用表达谱芯片技术考察了噬菌体PaP3对宿主铜绿假单胞菌PA3的全基因组表达的影响。结果显示,噬菌体PaP3感染宿主最严重的时期为感染中期(10-30aP3min),能导致38%的宿主基因出现差异表达,其中98%的差异表达基因为下调表达基因。这些差异表达基因涉及了宿主细菌非常广泛的功能以及具有时间依赖性的代谢途径。铜绿假单胞菌噬菌体PaP3与宿主基因间相互作用网络的构建:根据芯片结果,我们利用Pearson相关系数计算了噬菌体和宿主基因之间的共表达关系,确定了噬菌体PaP3基因与宿主转录调控因子之间的相互作用,绘制了噬菌体PaP3感染早期,中期,晚期以及整个感染时期噬菌体-宿主的相互作用网络图。通过上述分析我们得到以下结论:1)噬菌体PaP3基因与宿主转录调控因子之间存在明显的负相关关系,说明噬菌体可能通过对宿主转录调控因子的抑制作用导致宿主的基因出现大规模下调表达;2)由于在同一个共表达网络中的基因可能具有相似的功能,通过亚网络的基因聚类,我们推测出几个噬菌体未知基因可能的生物学功能;3)宿主的氨基酸代谢和小分子转运功能相关基因是最容易受到噬菌体调控的基因。噬菌体PaP3基因的重新注释:综合利用六个基因预测平台对噬菌体PaP3的基因进行重新预测分析,并利用RNA-seq对预测出来的基因进行表达验证。最终将噬菌体PaP3的基因由原来预测的71个基因补充至126个基因。抑菌基因orf70.1及其靶蛋白的鉴定:根据前期工作,我们从两个能与宿主蛋白相互作用的噬菌体蛋白中,鉴定出一个能够编码抑菌蛋白的基因—orf70.1,其编码产物命名为gp70.1(geneaP3product,gp)。在gp70.1表达的情况下,宿主菌PA3在固体培养基上呈现针尖样小菌落,在液体培养基中生长周期被延迟。生物信息分析和BLASTP显示,gp70.1是一个新的未知功能的蛋白,预测小大为13kd左右,不存在保守结构域,在已知的蛋白数据库中没有检测到有意义的同源蛋白。我们纯化了gp70.1,其大小与生物信息预测相符。此外我们还制备了gp70.1的多克隆抗体,利用GST-pullaP3down实验,证实了gp70.1能在体外与RpoaP3S直接结合。Gp70.1对宿主菌RpoaP3S功能的影响:RpoaP3S是铜绿假单胞菌中重要的应激条件全局性转录调控因子,分析结果显示,RpoaP3S与gp70.1的相互作

关键词：噬菌体-宿主相互作用铜绿假单胞菌铜绿假单胞菌噬菌体抑菌蛋白核磁共振质谱表达谱芯片细菌双杂交

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海洋Citromicrobium bathyomarinum前噬菌体的多样性、生理生态特性及其与宿主的相互作用

海洋Citromicrobium bathyomarinum前噬菌体的多样性、生理生态特...

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作者：马瑞洁厦门大学

学位级别：硕士

病毒是海洋生态系统中超显微、丰度最高、遗传多样性最为丰富的生命实体,能够通过对宿主的裂解性侵染和溶原性侵染来调控海洋微型生物群落的结构和组成,同时影响宿主细菌的能量代谢和遗传进化,是全球尺度海洋生物地球化学循环过程的纳... 详细信息

病毒是海洋生态系统中超显微、丰度最高、遗传多样性最为丰富的生命实体,能够通过对宿主的裂解性侵染和溶原性侵染来调控海洋微型生物群落的结构和组成,同时影响宿主细菌的能量代谢和遗传进化,是全球尺度海洋生物地球化学循环过程的纳米尺度驱动者。此前溶原性噬菌体被认为是细菌体内危险的定时炸弹,近年来的研究却表明噬菌体的溶原性侵染能赋予宿主多方面的生存优势。然而目前对海洋溶原性噬菌体的相关研究还很局限。为了更加清楚地了解海洋溶原性噬菌体的特征和功能,探究其是如何通过影响宿主细菌进而影响到海洋微型生物生态,本论文以典型海洋细菌Citromicrobiumbathyomarinum作为研究对象,分析了地理因素对于溶原性噬菌体-宿主相互关系的影响,同时针对海洋溶原性噬菌体的形态和基因多样性、整合和切除特性、侵染特性及其与宿主相互作用等方面展开了大量的研究。主要的研究结果如下:(1)本文对分离自不同海洋环境和地理起源的38株可培养***分离株进行了梳理和统计,结果显示***细菌在横向和垂向上均有较广泛的分布,表明该细菌能够适应于不同的海洋环境。其中,深海及沉积物分离株具有较高的(60-100%)溶原性细菌比例,暗示着前噬菌体可能促进宿主在不利环境中的生存。同时,细菌比较基因组学分析结果显示16S rRNA基因序列100%一致的种内个体仍具有丰富的遗传多样性,而驱动细菌类群内部遗传分化的主要动力正是由于前噬菌体的整合。(2)通过诱导实验和比较基因组学分析,我们发现***前噬菌体具有丰富的诱导形态和遗传多样性。38株***共诱导出30株前噬菌体,可划分入A至E类群,共14个基因型。形态上,A、B、E类群为长尾噬菌体,C和D类群为肌尾噬菌体。本论文首次揭示了 A、B、C三个类群的Mu-like噬菌体因基因交换和重组而产生的不同头-尾镶嵌基因型。同时,D类群前噬菌体可能是第一例P2-like噬菌体存在于α-变形杆菌的报道。通过基因组分析,在***前噬菌体中发现了编码辅助代谢因子的若干基因,其与细菌染色体复制以及P/S的代谢密切相关,暗示前噬菌体的存在能调控宿主在限制性营养环境下的代谢。(3)通过比较整合态和衣壳包装下的前噬菌体基因组,我们发现***前噬菌体具有不同的整合和切除策略。A、B、C三个Mu-like前噬菌体类群是由自身编码的转座酶来介导插入和切除,D和E类群则是由自身编码的整合酶介导位点特异性整合和切除。前者中,Mu-like可转座噬菌体的5 bp整合位点以及切除时包裹的前5 bp宿主碱基均显示出了 NYSRN的碱基偏好性。有意思的是,A类群前噬菌体表现出明显的位点偏好性整合,而B类群则为随机性整合。生物信息学分析结果显示Mu-like噬菌体在切除时两端会随机包裹宿主序列,表现为不精确的切除。后者中,同源的整合酶和attP序列是使得不同噬菌体具有相似整合和切除规律的主因,因此本文中的D和E类群前噬菌体表现出位点特异性(tRNA-Phe-GAA)的整合以及精确的切除。(4)通过比较***溶原性噬菌体的宿主范围,我们验证了“超感染免疫性”和“杀死亲缘者”效应的存在,表明宿主细菌的前噬菌体在微型生物类群中扮演生物武器这一角色的潜在可能性。同时,我们通过整合突变株的构建、筛选和测序,验证了 Mu-like噬菌体的整合特性。突变株和野生株的SNP位点比较结果显示前噬菌体不同的整合位点会产生不同的SNP模式。通过比较突变株和野生株在不同营养条件下的生长曲线,我们发现整合有前噬菌体的突变株在营养缺乏的平台期前后以及衰亡期较野生株生长得更好,推测前噬菌体能赋予宿主菌生存优势以在不利环境下存活。

关键词：前噬菌体多样性比较基因组学噬菌体-宿主相互作用

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基于智能计算噬菌体的细菌宿主范围预测

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微生物学报 2024年第2期64卷 344-363页

作者：王博宇杨孜孜 SUN Fengzhu 王颖厦门大学自动化系福建厦门361000 厦门大学国家健康医疗大数据厦门研究院福建厦门361000 美国南加州大学量化与计算生物系加利福尼亚州洛杉矶CA900894 厦门市大数据智能分析与决策重点实验室福建厦门361000

针对噬菌体的细菌宿主范围预测对于深入理解噬菌体及将其作为抗生素替代用于生物疗法具有重要意义。传统生物实验方法确定噬菌体的细菌宿主范围受到极有限的噬菌体可培养性和严苛的培养条件限制,而高通量测序技术所提供的海量基因组或... 详细信息

针对噬菌体的细菌宿主范围预测对于深入理解噬菌体及将其作为抗生素替代用于生物疗法具有重要意义。传统生物实验方法确定噬菌体的细菌宿主范围受到极有限的噬菌体可培养性和严苛的培养条件限制,而高通量测序技术所提供的海量基因组或宏基因组序列提供了噬菌体及细菌重要的序列信息,因此智能计算为预测噬菌体的细菌宿主范围提供了可行方法。本文从智能计算的角度对噬菌体的细菌宿主范围预测研究进行系统梳理,从噬菌体感染细菌的过程入手,描述配对预测模型所依赖的特征及其生物合理性,归纳宿主范围预测的智能模型、建模原理及预测策略,总结建模训练和评估所依赖的参考数据集与真实数据及评价指标。本文特别注意挖掘和分析各信息手段、模型、方法其背后的生物合理性及其依赖的生物机理。本综述期望推动基于智能算法的噬菌体的细菌宿主范围预测研究发展,并探索将生物先验结合人工智能实现噬菌体侵袭细菌宿主的本质机理推断,同时也为基于噬菌体的临床应用提供参考与借鉴。

关键词：微生物组噬菌体-宿主相互作用预测模型智能算法机器学习神经网络

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噬菌体在烧伤泛耐药细菌感染治疗中的机制研究

噬菌体在烧伤泛耐药细菌感染治疗中的机制研究

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作者：杨子晨中国人民解放军陆军军医大学

学位级别：博士

感染是烧伤后的一种常见严重并发症,细菌是感染最常见的病原体。近年来抗生素的滥用使现有的抗生素失效,并加速了耐药菌的出现和扩散。根据耐受抗生素种类的数量,耐药菌分为耐药、多耐药(multi-drug resistant)、泛耐药(extensively-dru... 详细信息

感染是烧伤后的一种常见严重并发症,细菌是感染最常见的病原体。近年来抗生素的滥用使现有的抗生素失效,并加速了耐药菌的出现和扩散。根据耐受抗生素种类的数量,耐药菌分为耐药、多耐药(multi-drug resistant)、泛耐药(extensively-drug resistant)甚至是全耐药的(pan-drug resistant)。鲍曼不动杆菌(Acinetobacter baumannii)和铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)是目前烧伤分离率最高的致病菌,均有非常强的适应能力和广泛的抗生素耐药性。由于新型抗生素的研究发展速度远远滞后于细菌的突变速度,这使得泛耐药鲍曼不动杆菌和铜绿假单胞菌的感染治疗相当困难。自从1915年首次发现噬菌体后不久,人们就成功地将噬菌体应用到泛耐药菌感染的治疗中。自然界中作为细菌的天敌,噬菌体的数目是细菌的十倍以上。然而目前已测序的噬菌体只有一千多种,人们对噬菌体-宿主之间的相互作用及噬菌体基因功能和作用机制的了解更是冰山一角。这些知识的匮乏阻碍了人们对噬菌体这一巨大的抗菌资源的利用。因此,为了充分利用噬菌体对抗形势严峻的烧伤后泛耐药菌感染,我们迫切地需要对噬菌体-宿主相互作用及噬菌体基因的功能和作用机制有更深入地了解。以下为本文的主要研究内容及结果:第一部分鲍曼不动杆菌噬菌体-宿主相互作用研究:1.我们进行了鲍曼不动杆菌AB1噬菌体φAbp1感染后的转录组测序(RNA-seq),从转录组水平描述在宿主菌中φAbp1感染期间与宿主的相互作用。结果显示,φAbp1基因的表达与普通的裂解性噬菌体模式不同:在φAbp1进入宿主菌后的中期(10分钟),所有φAbp1中间基因的表达达到峰值,此时φAbp1通过调节越来越多的宿主差异表达基因(Differentially Expressed Genes,DEGs)开始劫持细胞资源。大多数宿主基因在整个感染过程中组成性表达,只有少部分(约六分之一)宿主基因受到了噬菌体调控,其中上调的宿主DEGs显著超过下调的DEGs,并且在不同阶段这些受调控的DEGs的功能分组是有明显区别的,这表明φAbp1是精确地控制而不是简单地禁止宿主基因。同时,从临床角度来看,噬菌体“治疗”宿主菌时,引起了宿主菌毒力和耐药基因的明显变化,这警示我们在未来使用噬菌体疗法时需要仔细考虑此方面可能产生的副作用。第二部分铜绿假单胞菌噬菌体φPaP3基因产物Gp68功能机制研究:2.课题组前期研究发现铜绿假单胞菌噬菌体φPaP3的orf67/orf68/orf69基因簇在噬菌体-宿主相互作用网络中处于核心调控位置。将铜绿假单胞菌PA3导入pHerdB20Torf67/orf68/orf69质粒后,我们发现orf67/orf68/orf69基因簇可以抑制宿主菌PA3的生长,其中orf68对生长的抑制效果最为明显,我们将orf68的基因产物命名为Gp68。进一步的研究发现表达Gp68的PA3宿主菌生长速度抑制主要是由于细胞分裂受抑制导致的。通过对单独过表达Gp68的PA3宿主菌进行RNA-seq发现这种分裂抑制作用与宿主菌中控制分裂的minD基因高度相关;且敲除和回补这个基因证明Gp68确实通过minD抑制细菌分裂。但作为一个核心控制基因,Gp68的功能显然不仅限于此。3.我们发现PA3菌体中表达Gp68后不再合成绿脓菌素(pyocyanin)。绿脓菌素是铜绿假单胞菌及其毒力的重要标志和重要原因,且绿脓菌素的生产是受到群体感应系统(Quorum-sensing System)复杂调控的。因此绿脓菌素合成的缺失,暗示Gp68还可以影响铜绿假单胞菌的群体感应系统,从而影响宿主菌的毒力和耐药性等能力。进一步的研究证实Gp68通过上调转录因子mvaT基因,抑制了宿主菌PA3全部群体感应系统基因的表达,从而抑制了宿主菌PA3绿脓菌素的合成,并抑制了PA3的毒力和耐药性。4.联用多种方法综合分析铜绿假单胞菌噬菌体φPaP3基因产物Gp68对宿主菌的影响:在第三、四章中联合RNA-seq、表型分析和CRISPR基因敲除的基础上,进一步利用CHIP-seq、基因报告系统等技术确定Gp68是一种转录增强子结合蛋白,在宿主基因组上具有广泛的结合位点。这种成套研究思路可以扩展应用于对其他噬菌体基因功能和机制的研究。综上所述,我们对鲍曼不动杆菌φAbp1治疗宿主菌AB1时全基因组转录水平的影响有了深入的了解,探讨了噬菌体治疗时对宿主菌毒力及抗生素耐药性的影响,这将有助于我们更好地了解噬菌体疗法对宿主菌产生的各方面影响。我们绘制的基因水平的噬菌体φAbp1-AB1宿主相互作用网络,为后续噬菌体抑菌蛋白的筛选以及噬菌体-宿主相互作用的深入解析提供了研究基础。此外我们对铜绿假单胞菌噬菌体φPaP3基因产

关键词：烧伤感染铜绿假单胞菌鲍曼不动杆菌噬菌体噬菌体-宿主相互作用抑菌蛋白 CHIP-seq 基因报告系统

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MDR奇异变形杆菌噬菌体的生物学特性研究

MDR奇异变形杆菌噬菌体的生物学特性研究

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作者：董芷佑四川农业大学

学位级别：硕士

奇异变形杆菌(Proteus mirabilis)是尿路感染(Urinary Tract Infections,UTIs)的常见病原体,尤其在导尿管相关尿路感染(Catheter-Associated Urinary Tract Infections,CAUTIs)中,其形成的生物膜使治疗变得尤为棘手。鉴于多重耐药(MDR)菌株的不断涌现,全球范围内急需寻求超越传统抗生素的创新治疗策略。本研究引入噬菌体治疗,作为一种非抗生素的替代方案,以应对MDR ***感染。我们从犬类粪便样本中成功分离出12株烈性噬菌体,并通过宿主范围测定,筛选出P2-71和P3-72两株具有潜力的候选噬菌体。进一步的生物学特性分析显示,P2-71表现尤为突出。最后我们利用全基因组分析和小鼠UTIs模型,评估了P2-71在治疗MDR ***感染中的疗效与安全性,为其临床应用提供了坚实的实验依据。首先,从四川省启明流浪小动物保护中心采集的犬粪便样本中成功分离纯化出12株烈性噬菌体。利用双层平板法测定噬菌体的宿主范围。结果表明,P2-71具有最广泛的宿主适应性,而P3-72则是唯一与P2-71具有共同宿主的噬菌体。为了深入了解这两株噬菌体的生物学特性,进行了透射电镜形态观察、一步生长曲线测定、稳定性测试、杀伤曲线分析以及在模拟尿液环境中的稳定性等实验。实验结果表明,P2-71为烈性噬菌体,属Siphoviridae科,实验室条件下表现更优秀的抗菌活性,故被选定为后续研究的核心对象。通过第二代测序技术,获得P2-71的全基因组序列。借助RAST、Prokka等生物信息学工具,对P2-71全基因组测序结果进行了注释,利用MEGA11软件基于末端酶大亚基基因序列构建了系统进化树,从而确定了P2-71在噬菌体进化树中的确切位置。此外,还使用Easyfig 2.2.5软件将P2-71的基因组与进化上相近的Isf-Pm1和较远的Q29噬菌体进行了基因组比较,以揭示它们之间的遗传差异和特征。确认了P2-71基因组的安全性,即它不含有毒力基因、耐药性基因、t RNA基因以及CRISPR系统,包括Cas蛋白质及其相关数组的相关基因。从基因组角度证明了P2-71的安全性。最后,以***感染建立小鼠UTIs模型。通过腹腔注射(IP)和尿路导入(UC)两种方式评估P2-71的安全性和有效性。通过监测小鼠体内细菌和噬菌体的浓度变化、炎性因子水平以及组织病理学改变,验证了P2-71在治疗尿路感染中的有效性。安全性实验证实,噬菌体P2-71在24小时和7天的观察期内,均对小鼠无明显负面影响。治疗实验则显示,噬菌体P2-71显著降低了小鼠膀胱内细菌浓度,同时有效减轻了膀胱和肾脏的炎症反应及病理变化。综上所述,噬菌体P2-71属Siphoviridae科,为烈性噬菌体,在生物学特性上表现优秀。P2-71基因组不含有毒力基因、耐药性基因、t RNA基因以及CRISPR系统,包括Cas蛋白质及其相关数组的相关基因,从基因组层面上可以确定安全性。P2-71在小鼠UTIs模型中表现出安全性和有效性,为全球范围内MDR细菌尿路感染问题提供了潜在的解决思路。

关键词：多重耐药奇异变形杆菌噬菌体治疗全基因组分析噬菌体-宿主相互作用

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前噬菌体WX-Y对铜绿假单胞菌PA-5生物学特性的影响

前噬菌体WX-Y对铜绿假单胞菌PA-5生物学特性的影响

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作者：杨舒大连理工大学

学位级别：硕士

铜绿假单胞菌是一种常见的革兰氏阴性致病菌,也是医院感染的主要病原菌之一,在免疫系统受损患者中引发40%的致死率,同时对多种抗生素产生耐药性。2017年,铜绿假单胞菌被世界卫生组织认定为最危急生命安全的细菌之一。随着高通量测序技... 详细信息

铜绿假单胞菌是一种常见的革兰氏阴性致病菌,也是医院感染的主要病原菌之一,在免疫系统受损患者中引发40%的致死率,同时对多种抗生素产生耐药性。2017年,铜绿假单胞菌被世界卫生组织认定为最危急生命安全的细菌之一。随着高通量测序技术不断发展,铜绿假单胞菌的基因组中被报导存在大量噬菌体序列,而噬菌体作为一种重要的移动遗传元件,与宿主细菌的毒力、耐药性和进化等密切相关。本研究主要探究一定范围的铜绿假单胞菌中前噬菌体的分布及特点,并将医院分离获得的一株铜绿假单胞菌PA-5作为目标菌株,预测分离其中一个前噬菌体,探究其对宿主生物学表型特征的影响,主要分为以下三个部分。第一部分:收集不同国家、不同样本来源的83株铜绿假单胞菌的全基因组数据,预测前噬菌体的携带情况和分布情况,对预测获得的所有前噬菌体序列再进行抗生素耐药基因、毒力基因鉴定。结果共检测出601条前噬菌体序列,其中完整型304条,不完整型161条,可疑型136条。平均每株铜绿假单胞菌中携带的总前噬菌体占基因组比例为2%-4%。共预测到125个耐药基因,分别来自23个不同家族,产生7种耐药机制。共编码545个毒力基因,归类为119种毒力基因,编码78种相关毒力因子,百日咳杆菌、微黄分枝杆菌、鸟分枝杆菌及其亚种等是其毒力因子的重要宿主来源。第二部分:对野生株PA-5的全基因组进行前噬菌体预测,预测出12个前噬菌体。选择其中一个前噬菌体命名WX-Y,其基因组是7205 bp大小的线状DNA,编码的12个开放阅读框(ORFs),分别进行功能注释,结果显示除编码噬菌体复制、结构、组装相关蛋白外,还编码Zot毒素蛋白。与WX-Y相似的病毒序列仅有两条,相似度分别为96.23%和87.95%。最后利用同源重组技术成功构建前噬菌体WX-Y的缺失株ΔWX-Y。第三部分:体外表型实验探究前噬菌体WX-Y对宿主PA-5生物学表型特征影响,结果显示:缺失株对比野生株,前噬菌体WX-Y的缺失使细菌生长速度和形成菌落数显著下降。结晶染色法测定生物被膜显示,前噬菌体WX-Y的缺失使生物被膜形成能力下降56%。分别测定野生株和缺失株的蹭行、泳动、丛动三种细菌运动的区域直径,前噬菌体WX-Y的缺失使直径范围分别减小了36.3%、34.5%以及17.1%。对绿脓素和胞外蛋白酶的释放量测定结果显示,野生株和缺失株没有差异。与大肠杆菌的竞争实验表明,野生株的细胞存活数高于缺失株。药敏试验结果表明,野生株对十种抗生素的耐药性强于缺失株。综上,本研究主要以83株的铜绿假单胞菌基因组、野生株PA-5以及构建的缺失株ΔWX-Y作为研究对象,探究铜绿假单胞菌中前噬菌体的分布特点以及其耐药基因、毒力基因携带情况,并通过PA-5和ΔWX-Y的各项生物学表型对比,来了解前噬菌体W X-Y对宿主产生的影响,结果表明,83株铜绿假单胞菌普遍携带前噬菌体,前噬菌体占基因组比例约为2.5%-3.5%,前噬菌体WX-Y对宿主PA-5的运动性、耐药性产生较大影响,两者间存在显著“互惠共利”关系。

关键词：铜绿假单胞菌前噬菌体溶原性转化噬菌体-宿主相互作用

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DiffXGPBI:基于差值特征向量和XGBoost的噬菌体细菌互作预测模型

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河南科学 2024年第11期42卷 1578-1588页

作者：未同庆复旦大学生命科学学院上海200438

抗生素的滥用导致细菌出现耐药性并严重阻碍了细菌感染治疗的发展,然而噬菌体的出现使得细菌耐药性的肆虐得到了缓解,噬菌体疗法逐步成为治疗细菌感染的重要手段.为了更高效地筛选用于治疗的噬菌体,需要采用比传统湿实验更快捷有效的筛... 详细信息

抗生素的滥用导致细菌出现耐药性并严重阻碍了细菌感染治疗的发展,然而噬菌体的出现使得细菌耐药性的肆虐得到了缓解,噬菌体疗法逐步成为治疗细菌感染的重要手段.为了更高效地筛选用于治疗的噬菌体,需要采用比传统湿实验更快捷有效的筛选方法 .传统的计算方法往往以宿主作为预测标签,忽视了两者序列间相互作用的本质.此外,现有的方法通常仅限于种和属的水平,种内预测方法非常少见.由于物种的完整基因组信息往往难以获取,现有数据库中大多数菌株仅包含部分基因组信息.在此背景下,提出一种新的噬菌体-宿主互作预测方法,通过K-means负采样,构建差值特征向量,用于筛选代表性的负样本进行模型训练,最终本研究开发了基于差值特征向量和XGBoost的预测工具DiffXGPBI.实验结果显示,各菌种的平均预测AUC(Area Under the Curve)达到0.92,外部验证集的总体预测AUC和AUPR(Area Under the Precision-Recall curve)达到0.91和0.88,优于其他预测工具.关于特征和模型的消融实验表明,DiffXGPBI的每个模块是必要的,并且的确对预测性能起到提升作用,证实了模型的合理性.此外,基于新的未知PHI(phage host interaction)和种内案例的预测实验,验证了DiffXGPBI的泛化性和种内预测的潜力.综上,本研究提出的特征工程和预测思路提高了互作预测的鲁棒性和稳定性,具有较高的泛化性,为噬菌体治疗的快速筛选提供了新方向和见解.

关键词：噬菌体疗法噬菌体-宿主相互作用机器学习负样本选择

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噬菌体编码的抑菌蛋白

引用

生命的化学 2020年第1期40卷 86-94页

作者：张应春杨子晨谭银玲陆军军医大学基础医学院三大队十中队重庆400038 陆军军医大学基础医学院微生物学教研室重庆400038 陆军军医大学西南医院烧伤科重庆400038

噬菌体是细菌的天敌,它利用宿主的细胞机制完成自身的复制。在感染过程中噬菌体基因组进入细菌细胞后立即产生调节或重新定向宿主特定功能的蛋白质(即抑菌蛋白),以逃避多种细菌的防御机制或改变宿主的分子代谢机制。研究发现,这些噬菌... 详细信息

噬菌体是细菌的天敌,它利用宿主的细胞机制完成自身的复制。在感染过程中噬菌体基因组进入细菌细胞后立即产生调节或重新定向宿主特定功能的蛋白质(即抑菌蛋白),以逃避多种细菌的防御机制或改变宿主的分子代谢机制。研究发现,这些噬菌体编码的抑菌蛋白可抑制细菌分裂,干扰细菌遗传物质的复制、转录及降解,影响CRISPR介导的细菌免疫以及代谢。明确噬菌体编码的抑菌蛋白如何影响这些宿主的防御或分子代谢机制可以优化目前基于噬菌体的抗菌策略,找出控制细菌感染的新途径,为抑菌药物的发现和设计打开新的大门。本文就近年来发现的噬菌体编码的抑菌蛋白及其抑菌机制的研究进展进行综述。

关键词：噬菌体抑菌蛋白抑菌机制噬菌体-宿主相互作用

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