（动物学专业论文）流感嗜血杆菌菌毛基因簇的生物信息学分析及分析软件测评.pdf

论文题目 专业 硕士生 指导老师 流感嗜血杆菌菌毛基因簇的生物信息学分析及分析软件测评 动物学 乇耨 何淼副教授 摘要 在生命科学领域，随着生物信息学的迅猛发展，从形态和生理屡面向更本质的蛋白质组 和基因组层面的研究是大势所趋，在基因组和蛋白质组的研究基础上来指导传统生命科学的 研究和发展跫符合科学发展规律的。流感嗜血杆菌r d 型是第一个被测序的细菌，其基因组 大小为1 ，8 3 0 ，1 3 8b p ，t i g r 确认了l ，4 7 3 个其有重要功能的基因。流感嗜血杆随r d 株为非致 病型育英膜实验菌株，虽然其基因缀测序已经完成帮梭涮不掇毒力基因；流感嗜血轩藩b 鍪 为致瘸型有荚膜菌株，其基因组序列中包禽使氯血球凝聚的蕴毛基嚣h i f a 、b 、c 、d 、e 等： 流感嘴血杆菌l k p 蓊株为致病型无荚膜菌株。因此，对于流感嗜血孛于菌菌毛毒力基因序列的 研究，必将对寻找疾病相关基因和抗原基因，筛选药物作用靶位，研制特异的诊断试剂、药 物和疫苗，以及研究h i 的起源和进化均具有十分重要的科学意义。本文利用当前世界上广泛 使用的生物信息学软件对三种流感嗜血杆菌菌株的菌毛毒力基因进行多方面的深入研究，目 的是眈对分析珏i 的b 型与u ( p 菌株中的h i f a 、b 、c 、d 、e ，h i b 幸 h i b y l 、y 2 、y 3 、h i b - p e p n p u r e 与h i f r d 的挟酸序列和蛋自质序列豹差异及其序列特蜒，星翻质结掏位点程功能结构域的圈 异，从面探究b 型和l k p 型菌毛基因致病性有关的基因组学和蛋白质组学的理论基础；利用 分析软件构建其系统发育树，从三种菌毛基因簇为切入点，分析流感嘈血杼菌的起源和进化。 经分析，本文初步阐明t h i b - p e p n p u r e 与h i f - r d - p e p n p u r e ，以及h i b h i f a b c d e 与 h i f - l k p h i f a b c d e 的嗣源性。并初步确定了位于h i b h i f y 上的一段2 4 b p 片断为特征片断， 推断其可能蹙由遗传复制的错误所致。 同时，文中利用统计学方法对数据分析中所使用的生物信息学软件进行了测评，测评依 据是标准差( s t d e v ) 、变异系数( c v ) 和相关系数( c c ) 的计算数据。通过对多种软件的准确 性、灵敏度、计算内容以及运算速度等方藤进行横向瓣比较和分析，结果表明b i o e d i t 、 d n a s t a r 和d n a f l a n 在综合测评中占优。 f p 关键词：流蒋嗜盔轩萤，菌毛基因，生物信息学，基因组骚白质组，分析软件测评 t i t l e ：b i o i n f o r m a t i c sa n a l y s i so fh a e m o p h i l u s i n f l u e n z a ef r i m b r i a lg e n ec l u s t e ra n dt e s to f a n a l y s i ss o f t w a r e m a j o r ：z o o l o g y n a m e ：w a n g x i n s u p e r v i s o r ：h cm a o ，p h d ， a b s t r a c t a l o n gw i t h t h e r a p i dd e v e l o p m e n to fb i o - i n f o r m a t i c s ，t h ee m p h a s i s i s t e n d i n g t o w a r d st ot h es t u d yo fp r o t e o m i c sa n dg e n o m i c , w h i c hi s m o r ee s s e n t i a lt h a n c o n f i g u r a t i o na n dp h y s i o l o g y i ta c c o r d s t ot h ed e v e l o p i n g r e g u l a rp a t t e r no f s c i e n c e t og u i d et h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft r a d i t i o n a lb i o l o g yb a s e do i lt h es t u d yo f p r o t e o m i e s a n d g e n o m i c 。 t h e h a e m o p h i l u si n f l u e n z a er d i st h ef i r s tb a c i l l it ob eu s e di ns e q u e n c et e s t t h e g e n o m eo fh a e m o p h i l u si n f i u e n z a er d i s1 ，8 3 0 ，1 3 8 b p t 1 g rh a sc o n f i r m e dt h a ti t h a s1 , 4 7 3g e n e sw i t hv e r yi m p o r t a n tf u n c t i o n s 髓eh a e m o p h i l u si n f l u e n z a er d s t r a i ni s u s - p a t h o g e n i cc a p s u l a t e de x p e r i m e n t a t i o nb a c t e r i a ；v i r u l e n c eg e n e s s t i l l h a v n tn o tb et e s t e d + t h o u g ht h eg e n o m et e s th a sa k e a d yb e e n c o m p l e t e d 确e h a e m o p h i l u s i n f l u e n z a ebi s p a t h o g e n i ec a p s u l a t e d s t r a i n t h e g e n o m e s e q u e n c ei n c l u d e sc o d i n gb a c t e r i u mg e n e sh i f a ，b 、c ，d 、e t h a ta g g l o m e r a t et h e e r y t h r o c y t e ，a n d s oo n 。霹l eh a e m o p h i l u si n f l u e n z a el k ps t r a i ni s p a t h o g e n i c n o n e n c a p s u l a t e ds t r a i n t h es t u d yo fh a e m o p h i l u si n f l u e n z a ef i n a b r i a lv i r u l e n c eg e n e c l u s t e rs e q u e n c ed e f i n i t e l yh a sv e r yi m p o r t a n tm e a n i n gt od i s c o v e r i n gt h eg e n e st h a t c a u s e dd i s e a s e ，a n dt h ea n t i g e ng e n e s i tw i l la l s ov e r yi m p o r t a n tf o rf i l t e rt h e m e d i c i n e - e f f e c t i n gt a r g e t ，a n dd e v e l o p i n gd i a g n o s e sr e a g e n t ，m e d i c i n e ，a n db a c t e r i n t h i sm t i d es t u d i e st h r e ek i n d so fh a e m o p h i l u si n f l u e n z a eb a c t e r i u mv i r u l e n c eg e n e s t h r o u g ha p p l y i n gt h ep o p u l a rb i n i n f o r m a t i c ss o f t w a r e n oo b j e c t i v ei st oc o m p a r e a n da n a l y z et h ed i f f e r e n c eo fh i f a ，b ，c ，d 、eg e n e s e q u e n c e 、a n dp r o t e i d es e q u e n c e b e t w e e nh a e m o p h i l u si n f i u e n z a eba n dl k ps t r a i n ，a n dt h ed i f f e r e n c eo rc o m m o n b e t w e e np r o t e i ns t r u c t u r a ls i t ea n ds t r u c t u r e * f u n c t i o n a ld o m a i n ；t os t u d yt h eb a s eo f g a n o m i ca n dp r o t e o m i c ss e q u e n c e , a n ds e q u e n c ec h a r a c t e r o fh i ba n dh i f - 删s t r a i n t h a tc a u s e d p a t h o g e n i c ；t oa n a l y z e t h e o r i g i n a n de v o l u t i o no fh a e m o p h i l u s i n f l u e n z a eb a c t e r i u mf r o mt h es t u d yo fb a c t e r i u mv i r u l e n c eg e n e s ，a n dc o n s t r u c tt h e p h y l o g e n e t i ct r e e 。 t h eb i o i n f o r m a t i c ss o f t w a r eu s e di nt h ed a t aa n a l y s i sh a sb e e nt e s t e db ys t a t i s t i c s m e t h o d s ，o nt h e b a s i so fs t a n d a r dd e v i a t i o n ，c o e f f i c i e n to fv a r i a t i o na n dc o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n t t h r o u g hc o m p a r i n g t h e v e r a c i t y ，d e l i c a c y ，a 棼do p e r a t i o ns p e e d , i t i n d i c a t e st h a tb i o e d i t ，d n a s t a r ，a n dd n a 【a na r em o r ep r a c t i c a lt h a nt h eo t h e r s o f t w a r e k e y w o r d s ：h a e m o p h i l u si n f l u e n z a e ，v i r u l e n c eg e n e , b i o i n f o r m a t i c s ，p r o t e o m i c s 。 g e n o m i c s ，a n a l y s i s s o f t w a r ee v a l u a t i o n 串出大学硬士学位论文 缩略词表 a a p a c i p b l a s t c c a m e r i c aa c a d e m y o f p r a c t i c e s 美国儿科学会 a d v i s o r yc o m m i t t e o ni m m u n i z a t i o np r a c t i c e s 美国免疫实施咨询豢员会 b a s c l o c a l a l i g n m e n t s e a r c h t o o l 基本本地序列援索工具 c o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n t c kp h o s p h o c a s e i nk i n a s ep h o s p h o r y l a t i o n c v d d b j e m b l h l h b h i f - f g c h 删 m l l 旺 n e b i o r f f m d e r s d s m a i r r 1 旺g r u s s s w h o c o e 茁c i e n to f v a r i a t i o n d n a d a t ab a n k o f j a p a n 相关系数 酪氨酸激酶磷酸纯 变异系数 基搴稳孩羧数据瘴 e u r o p e a nm o l e c u l a rb i o l o g yl a b o r a t o r y欧洲分子生物学实验嶷 h a e m o p h i t u si n f t u e n z a e流感囔盎杼蓥 流感嗜舡杆菌b 型 h a e m o p h i l u s i n f l u e n z a e 痨n b r i a i g e n e c l u s t e r流感嗜舰籽菌菌毛基因簇 琢d d e nm a r k o vm o d e l m a x i m u ml i k e l i h o o dm o d e l 隐马尔可夫模型 最大似然模型 n a t i o n a lc e n t e rf o r b i o t e e l m o l o g yi n f o r m a t i o n美国溜家生物技术情报中心 o p e n r e a df r a m ef i n d e r s t a n d a r dd e v i a f i o n 开发读码框搜索工具 标准菱 s i m p l em o d u l a r a r c h i t e c t u r er e s e a r c ht o o l简单模块构架搜索工具 t h ei n s t i t u t ef o rg e n o m i cr e s e a r c h 美霆蒸嚣缝霹究爨 u p t a k es i g n a ls e q u e n c e s w o r l dh e a l t ho r g a n i z a t i o n 3 摄取信母序列 世赛型生缍缓 流感嗜血杆菌苗毛基因的生物信息学分析及分析软件测评 第一章引言 1 1 关于流感嗜血杆菌( h i ) 1 1 1h i 概述 流感嗜血杆菌( h a e m o p h l u si n f u e n z a e ，彪) 是一类革兰氏阴性小杆菌， 大小为( o 3 o 5 ) ( 1 0 1 5 ) u m 。流感嗜血杆菌属于巴斯德( 氏) 菌科 ( p a s t e u r e a c e a e ) ，嗜血杆菌属( h a e m o p h i l u s ) ，巴斯德( 氏) 菌科与弧菌 科( v i b r i o n a c e a e ) 和肠道杆菌( e n t e r o b a c t e r i a c e a e ) 属于同一分类等级，这 一家族还包括另外两个动物寄生虫的细菌属，巴斯德杆菌( p a s t e u r e a ) 和放 线杆菌( a ct i n o b a c i u s ) 。 表卜lt i g r 注释的流感嗜血杆菌r dk w 2 0 的分类 t a b l e1 1t a x o n o m yo fh a e m o p h i l u ss n f u e n z a ek w 2 0r df r o mt i g r k i n g d o m ： b a c t e r i a i n t e r m e d i a t er a n kl ：p r o t e o b a c t e r i a i n t e r m e d i a t er a n k2 ：g a m m a p r o t e o b a c t e r i a h t e r m e d i a t er a n k3 ：p a s t e u r e l l a l e s i n t e r n t e d i a t er a n k4 ：p a s t e u r e l l a c e a e i n t e r m e d i a t er a n k6 ：h a e m o p h i l u si n f l u e n z a e g e n u s ：h a e m o p h l l u s s p e c i e s ： i n f l u e n z a e s t r a i n r dk w 2 0 嗜血杆菌属( h a e m o p h i u s ) 为一群没有动力、无芽孢、菌体呈球杆状的革兰氏 阴性小杆菌，生长要求较高，在人工培养时需要新鲜血液才能生长( 新鲜血液中 含有丰富的x 和v 因子) ，投称嗜血杆菌。所有细菌均为寄生性，主要寄生于上呼 吸道，多数是致病菌。嗜血杆菌属中使人感染的细菌主要有：流感嗜血杆菌( 尼 i n f l u e n z a e ) 、副流感嗜血杆菌( 丘p a r a i n f u e n z a e ) 、杜克嗜血杆菌( 世 d u c r e y i ) 、嗜沫嗜血杆菌( 尼a p h r o p h i l u s ) 。 4 中出丈学壤j j 学位论空 流感嗜姐杆菌是该属中最常导致人类感染的致瘸菌之一。1 9 3 0 以前一直被谈 认为是流感的病原体，以麟才知道流感熄由病毒引起的，但流感嚼瓶杆菌的名稔 僚整 下来。获弦脊滚孛箍墩静滚蓥嚼纛释墓翡毒爽貘菌探是蘧耱薤，长菠麸 0 2 u m o s u m 都有，它们在形态学上与释致百日咳的酉臼咳博德特氏菌 ( b o r d e t e l l a p e r t u s s y s ) 相似；从唾液中提取的无英膜的样本是多晶体并通常 掇疆长夔线获袋丝凌。在热长瓣框絮中，葳睡滚孛据激翡流感爝巍释蓦呈理孳兰 氏两极染色，这种情况常常导致与肺炎链球菌属( s t r e p t o c o c c u sp n e u m o n a e ) 的错误的鉴别0 3 。 围卜1 痰液中提取的滚麟嬉盘抒蓥革兰援姓莲 f i g u r el lg r a ms t a i no fh a e m o p h i i u si n f l u e n z a e f r o ms p u t u m 流感嗜呶杼菌生长需求较高，在人工培养时需加入新鲜血液才能生长，故名 嚼斑释菌搿。入炎是流感嘻巍杆菌的理憋宿主，大约7 5 的健康j b 嚣和成人静爨 咽部都有h i 寄生。 根据葵袋豹糙多耱成分霹憋流感嗜巍耪莛分为a 、b 、d 、e 酾f 等6 个蠹 图卜2 流感嗜血杆菌b 型菌( 科学图片库，英国) f i g u r e1 - 2h a e m o p h i l u si n f l u e n z a et y p ebb a c t e d a ( s c i e n c ep h o t o i a b r a r y , u i c ) 5 流感嗜擞轩莲蓬毛蒸程豹生耱蓿惠掌分辑及势辑软释瓣谨 滤型，箕巾b 型( h a e m o p h i l u si n f l u e n z a , et y p eh ，h i b ) 致疲力最强，主要致 病物质为英膜、菌毛与内海素等。 b i b 猩l 隘床上可弓f 超严重感絷，可致d , j l 肺炎、脑膜炎、骨髓炎、黢血症等 痰病，严熬影响赘儿童的健康成长：其中，肺炎是我国婴幼儿死亡豹第一位病因。 h i b 是细菌性肺炎鞍为常见的病因，仅次子肺炎链球菌。 h i f l k p 在糨寐土在屁童孛主簧弓l 超蠡奉炎、会获炎、孛耳灸簿疾病：在成人 中引起下呼吸道感染，特别是老年人的慢性、反复发作的支气管炎。 1 8 9 2 华，波兰科学家p f e i f f e r 从流感患者的彝粘膜中首次分离出流感嗜血杆 藏。一直爨寒发逸爨家一豢在致力手珏i 豹磷究工锋。1 9 3 2 年s m i t h 等迂实羚嚣为 流行性感冒的病原菌，但谯流感发生时常弓i 起继发性感染，亦可引起其他化脓性 黪絷。1 9 7 1 年r o d r i g u e s 等系统掇锋了h i b 葵骥多耱萤蕾鹣提取、缝纯及耪瑾亿学 性质，并选择其为小儿免疫菌苗在人体上进行试用研究。近十多年来，众多学者 成功的研涮出了第二代h i b 蛋自结合菌苗，并进行了大量试用研究。取褥了良好 效果。1 9 9 5 年，荧国基阏组研究所( t h ei n s t i t u t ef o rg e n o m i cr e s e a r c h ， t i g r ) 的f l e i s c h m a n n 等采用了鸟枪法( s h o tg u n ) 的测序策略，酋次对流感嗜血 轷蕴r d 型k w 2 0 拣瓣基因缀进行了测旁，势发表了滚感嗜搬耪蓥全蒺嚣组d 黻序列 ”1 。1 9 9 5 年世界卫生组织( w o r l dh e a l t ho r g a n i z a t i o n ，w h o ) 已将此h i b 缮白结 合麓萤刭入扩大兔疫诗翔( e x p a n d e dp r o g r a m m e o i li m m u n i z a t i o n ，秘玲幸，起 个国家已列入本尉计划免疫内容0 3 。 1 1 2h i 的分墅 良好的分型是避行 l i 致病往及流行病学研究的基础。l i 通常商；l 下风种分鼙 方法：血清分型，多位点酶电泳分型，外膜蛋白分型，其巾以血潢分型蠛床应用 最广泛，艇操作简便h i 可根据荚膜的有光可分为有荚膜溅和无荚膜型，前孝根 据荚貘多辣撬骧性豹不弱义可分为a 、b 、c 、d 、e 、f 六个盘滚型瑚。1 9 3 t 每 p i t t m a n 就报道了流感嗜血杆菌的溅特异性抗原是簇膜多糖，并根据其荚膜多糖 熬抗缀性蓑异分蔻6 令不嗣熬盘涛黧，不施分鍪誊定戈不愆型( n t h i ) ，箕孛b 6 中山大学硕士学位论文 型致病力最强。主要致病物质为菌毛、荚膜与内毒素等。 圈卜一3 有荚膜和无荚膜的流感嗜血杆菌 f i g u r e1 - 3c a p s u l a t e da n dn o n c a p s u l a t e dhi n f l u e n z a e 细菌的结构决定细菌的毒力大小，有荚膜细菌可以抵御噬菌作用，毒力较大， 无荚膜的h i 为不定型，毒力小。 1 1 3 流感嗜血杆菌b 型的流行病学 1 1 _ 3 1h i b 病原学 b 型流感嗜血杆菌( h a e m o p h y u si n f u e n z a et y p eb ，h i b ) 侵袭力最强， 是引起小儿严重细菌感染的主要致病菌，其感染对象主要是5 岁以下婴幼儿，占 所有h i 侵袭性感染的9 5 。h i b 菌株有三个不同的遗传品系，每个系产生的i g a l 蛋白酶在抗原性和遗传特征方面虽不同，但其相应的i g a l 蛋白酶抗体能与这些酶 发生交叉反应“3 。h i b 的强致病力与以下几个因素有关： ( 1 ) b 型菌的多聚糖基核糖醇磷酸盐( p r p ) 具有抗吞噬、抗补体的作用； ( 2 b 型菌株荚膜中p r p 抗体与某些肺炎球菌和肠道细菌荚膜多糖抗原有交 叉反应； ( 3 ) 该菌产生的三种特异性的i g a l 蛋白酶能裂解i g a 分子内的肽键，增 7 耩蓦壤蠹抒蘩蔫鼍藻鞭救生秘藩惑掌分彝器磐薪较襻彝浮 强感染瓣膜的姥两： h i 对上皮细胞的黏附遵循种群内的鬟樊的法则，第一步就是邋过菌嘏感染生 锈体。菌毛，是释大爨多态熬褒蘑蛋蠢。它魏麦要律爝是使辩i 随着农入类睁 吸道的表屡细胞上。早期的实验谜明，h i 菌毛的主要抗艨决定罄是高度枣鼋象和 匏疫异质的，而它们的豫单位菌蔼蛋白麓免疫同质的“1 。 1 9 9 3 年f o t h e r g i l l 耧w r i g h t 鼹凄了h 强薤鼷炎静爱瘸率帮巍淆篆萤虢俸求 平密切相哭。婴儿出生时融胎盘从母体获褥血清承菌抗体来保护其不受感染。但 醚聪不久繇开始下降，至2 3 胃酲降至饕常低，壤，l 不稀受嚣保护，菇辩脑膜炎 的发病率好始升崧。约2 3 岁开始，杀菌抗髂永平翔滴发丹毫，儿童自身的免疫 为有所摄高，至6 岁左右开始建赢了杀菌抗体，因此h i b 在5 岁以上儿童巾弓f 起的 全赛感絷擞少见o 。 1 1 3 2h i b 豹流特病学特点 h i b 燕通过飞沫赢接f 警播的，缩菌进入入体盾主要群熊在彝嚼部，通常不会 弓l 发严萋鹣疾病，警痪发蹲进入敷滚覆环系统势繁殖，弓 起致盘症，蠡照导致毖 膜炎、肺搬、会厌炎、关节炎、蜂窝组织炎、心包炎、中耳炎等。 h i b _ 妻簧感染s 梦璐下静j l 童。究其是2 岁懿下静娶幼，l ，其中2 3 酶惑染发生 在1 8 个月以下的婴幼j l ，5 0 发生雀1 2 个月以下的婴幼儿，1 3 发生农1 8 个月以后。 h i b 感染弓f 起多器宙、组织的侵袭憔感染，其中占第一位而且危寄最大的鼹脑膜 炎。黝缝谤* 5 箩p a t ) l 囊4 , 咒缭莲性藏袋炎癌铡孛彝黝囊秘i b 菌感染，拣染 鬻卜4 被b 型和不定型流撩嘈盎释菌感染辩组织 f i g u r e l - 4 t s s u s s i n f e a e d b y t y p e b a n d m m t y p a b l e h a e m o p k i 酝i n f l u e a z a e 8 中山大学硕士学位论文 2 0 0 4 6 率远高于脑膜炎球菌，死亡率达5 - - 1 0 ，后遗症发生率高达3 0 9 6 4 0 9 6 ，后遗症 有视觉障碍、智力迟钝、偏瘫、脑病、运动功能异常、癫痫及听觉障碍等。h i b 引起的另一个高发疾病是肺炎，且在发展中国家尤为显著，1 3 位作者1 ，0 2 9 例肺 穿刺培养结果显示，h i b 阳性率高达2 7 ，与肺炎链球菌样为首位细菌抗原，4 月4 岁儿童的细菌性肺炎有1 3 是h i b 弓l 起的。 1 1 3 3h i h 感染所致疾病 细菌性脑膜炎一一覆盖和保护脊髓和脑的薄膜发生炎症。儿童细菌性脑膜炎 通常是由h i b 弓l 起的。在工业化国家，病死率为3 一5 ，而在发展中国家，可高达 4 0 。在患h i b 脑膜炎后的幸存儿童中，1 5 3 5 有永久性神经系统残障，如精神 迟滞和失聪。 肺炎一一肺部发生炎症。在发展中国家，h i b 是引起儿童肺炎( 或急性下呼 吸道感染，a l r i ) 的主要原因。非洲的一项研究表明，在x 线胸片中看到病变的 重症细菌性肺炎病例中，2 0 是由h i b 弓l 起的。 h i b 感染性疾病除最常见的脑膜炎和肺炎外，还表现为蜂窝组织炎、会厌炎、 心包炎、骨髓炎、败血症、败血症关节炎等。有资料显示，1 3 1 4 的 f i b 感染 表现为蜂窝组织炎和骨关节感染，常见的是感染性关节炎和骨髓炎。1 。 1 1 3 4 传播方式 受感染的儿童咳嗽或打喷嚏时，h i b 细菌通过喷出的唾液飞沫在儿童问传播。 另外，h i b 也可以通过共用放入过嘴里的玩具或其他物品传播。如果许多儿童在 同一场所如幼儿园或托儿所共处很长时问，就会增加细菌传播的机会。 1 1 3 5 发病率和年龄分布 在未实施h i b 疫苗免疫接种前，发达国家5 岁以下儿童h i b 感染所致疾病年发 病率为2 0 1 0 万1 0 0 1 0 万，大约4 0 病例发生在l 周岁以内，1 0 发生在6 月龄以 内；发展中国家5 岁以内儿童年发病率为6 0 1 0 万1 3 0 1 0 万，7 5 病例发生在l 周岁以内，4 5 发生在6 月龄以内。亚洲一些国家监测资料表明：以色列0 4 岁儿 9 流感嘻蠹群蘸蘸毛萋蠢的生秘僖塞学分耪及势辑软缔涮资 璧每年h i b 感染性疾病熬发病率约必3 4 1 0 万5 l l o 万，卡塔尔为2 6 1 0 万，菲德 寰为2 8 1 0 万，日本在1 0 1 0 万左姑，中国眷港3 1 0 万，商人估计旺洲h i b 疾病总 发薅率毒缝在4 0 1 0 万麦豢，鞭骧熬令堑潮在这个蔓# 羚段每年约鸯l s 万入发癌“”。 a 尊 m o n t h s 图卜51 9 8 5 年前由流感嗜血杼菌、奈瑟氏脑膜炎菌和肺炎链球菌引发的 细菌住脑膜炎的年龄分布 f 秘1 - 5 a g e - s p e c i f i c i n c i d e n c e b a 蜣e 疽羹m e n i n g i t i s c a u s e d b y h a e m o p h i l u s i n f l u e n z a e ， n e i s s e r i am e n i n g i t i d i sa n ds t r e p t o c o c c u s p n e u m o n i a ep r i o rt o1 9 8 5 1 。1 。4 鏊内强h i b 疫萤磅究瑷狡 1 1 ，4 。ib 燮滚感瞪盘抒蘩疫蓥懿骥裁及发震 世界b 研制出的第一种h i b 菌荫含有细菌荚膜多糖多核酸盐( p o l y s a c c h a r i d ep o l y r 掩o s y l r i b i t o lp h o s p h a t e ，p r ，嗣予预防1 8 月龄骧土j l 童 感染h i b ，但对1 8 月龄以下豹婴幼儿无效。所以将p r p 和免疫原蚀载体蛋囱结合 研制出的偶联菌菌免疫原髋蹙强，可以诱鼯| r 细胞兔疫反成，重复注射可以强亿 抗体反应 。 i o 豢薯葛窘a oo瓴oo：嚣蓦峙 中山大学硕士学位论文 图卜6 受荚膜和0 抗原的抗体特异性调节的噬菌细胞吞噬流感嗜血杆菌 p r o t e i n 。l f 幢u r e1 - 6p h a g o c y t i ce n g u l f m e n to f i n f l u e n z a eb a c t e r i u mo p s o n i z e db ya n t i b o d i e ss p e c i f i c f o rt h ec a p s u l ea n ds o m a t i ca n t i g e n h i b 荚膜多糖菌苗一一早期的研究显示，b 型流感嗜血杆菌荚膜的主要成分 ( p r p ) 与此菌的吸附功能及毒力有关。它无毒并能诱导宿主产生抗体。1 9 8 5 年美国和芬兰首次将此疫苗用于儿童免疫，结果显示，1 8 月龄以上儿童有抗 体反应，但维持时间较短，对1 8 月龄以下的儿童免疫原性很弱，或根本不反 应。 h i b 结合菌苗一一由于h i b 多糖菌苗无法保护1 8 个月龄以下的婴儿免遭h i b 的侵袭，因此必须寻找更有效的h i b 菌苗。7 0 年代以来，美国n i h 的r o b b i n s 等首先将p r p 与一种蛋白结合，产生多糖2 蛋白结合菌苗，对婴幼儿预防h i b 的侵袭取得了理想的效果。这表明p r p 结合某一类蛋白可改变其免疫原性， 成为t 细胞依赖抗原，t 淋巴细胞通过可溶性因子媒介作用激活b 淋巴细 胞，导致早期p r p 抗体产生( 从2 个月始) ，且大部分抗体属特异性i g g 抗体， 当重复注射疫苗时可产生明显的免疫增强效果，标志着免疫记忆反应的建立。 现已进行免疫接种的结合菌苗有以下四种：h b o c 结合菌苗( p r p c r m l 9 7 ) 、 p r p 2 d 结合菌苗、p r p t 结合菌苗和p r p - o m p 结合菌苗。 1 1 藏感嗜纛符蓥莲毛纂因懿生物穗患学势拱及癸辑载锌溅详 l 。1 4 2h i b 免痰现状 美国免疫实施咨询委员会( a d v i s o r yc o m m i t t eo ni m m u n i z a t i o n p r a e t i c e s ，a c i p ) 彝美潜踅辩学会( a m e r i c aa c a d e m yo fp r a e t i c e s ，焘矗秘建 议h i b 菌荫的基础免疫程序应在2 月龄开始。p r p 一0 m p 在2 月龄和4 周龄各接种1 针， 蓑它偶联耱蕾瑙辫在6 露龄辩再淀雳| l 锌，掰有偶联菡苗稳嚣在1 2 1 5 蔗龄辩热强 注射1 针悖砌。 有关资料表明，在人群中接种率只要达到5 0 以上，则可使该人群中9 0 以上 黪簇裁漤失。这爱爨爻嚣强蘩蓥哥辫低接耱者 强谯戆罄饔磐稷道皆繁殖，减少痍 原体向易感婴幼儿传播，消除了传染源中的病原体，可以犬大降低人群的发病率。 圈1 7 在搜用h 浊疫楚荔，世赛范重内o 妁 ，l 鏖每1 0 万入患珏i b 援脑貘炎鹣数量。翻影区域 为1 9 9 9 开始使用疫苗的地区 h g u r e1 - 7w o r l d w i d ei n c i d e n c ep e r1 0 0 ，0 0 0p e ry e a ro f h a e m o p h u u si n f l u e n z a et y p eb 徂哟 m e n i n g i t i sf o rc h i l d r e na g e d0t o4y e a r sb e f o r et h ec o n j u g a t eh i bv a c c i n ee r a h a t c h e da r e a sh a d s i g n i f i c a n tv a c c i n a t i o na c t i v i t yi n1 9 9 9 1 2 应用黛物信意学研究h l 毒力基因 1 。2 。l 生物信意学发震鹜豢 全球援靛售怠健浪赣滚滚纛来，歪蔽莲丈貔力量改嶷著夭类享会。在这个 知识经济的时代t 科学技术日新月异，生命科学成就令人瞩目。2 1 世纪是生 命荦季学的时代，也楚信惠科学的时代。 1 2 中山大学硕士学位论文 随着人类基因组计划的实施，有关核酸、蛋白质的序列和结构数据呈指数增 长。面对巨大而复杂的数据，运用计算机管理数据、控制误差、加速分析过程势 在必行。人类基因组研究的迅猛发展造成了生物学数据的迅速膨胀；对数据搜集、 管理、处理、分析、释读能力的要求迅速提升。这一切的处理完成，靠的是信息 科学，靠日益先进的计算机技术。计算机数字处理速度的日新月异，使处理“海 量”的人类基因组研究产出的数据及相关的大量生物信息成为可能：并直接推动 生物学向深度和广度进军“1 。这同时便产生了生命科学和信息科学的重大交叉 前沿学科：生物信息学( b i o i n f o r m a t i c s ) ，它正在迅速发展成为当今自然科学 领域最重要的课题之一，是当今生命科学和自然科学的重大前沿领域之一，同时 也将是2 1 世纪自然科学的核心领域之一。 诺贝尔奖获得者w g i i b e r t 在1 9 9 1 年曾经指出：“传统生物学解决问题的 方式是实验的。现在，基于全部基因都将知晓，并以电子可操作的方式驻留在数 据库中，新的生物学研究模式的出发点应是理论的。一个科学家将从理论推测出 发，然后再回到实验中去，追踪或验证这些理论假设。” 1 2 1 1 生物信息学概述 生物信息学不仅对认识生物体和生物信息的起源、遗传、发育与进化的本质 有重要意义，而且将为人类疾病的诊治开辟全新的途径，还可为动植物的物种改 良提供坚实的理论基础。其研究重点主要体现在基因组学( g e n o m i c s ) 和蛋白组学 ( p r o t e o m i c s ) 两方面，具体说就是从核酸和蛋白质序列出发，分析序列中表达的 结构功能的生物信息。近年来，计算机和因特网的发展更是为生物信息的传递提 供了硬件基础和便利。 广义地说，生物信息学是用数理和信息科学的观点、理论和方法去研究生 命现象、组织和分析呈现指数增长的生物学数据的一门学科。生物信息学是在生 命科学的研究中，以计算机为工具对生物信息进行储存、检索和分析的科学，它 以核酸、蛋白质等生物大分子数据库为主要对象，以数学、信息学、计算机科学 为主要手段，以计算机硬件、软件和计算机网络为主要工具，对浩如烟海的原始 数据进行存储、管理、注释、加工，使之成为具有明确生物意义的生物信息。并 1 3 流感嗜血括麓麓毛基因的生物信息学分析及分析软件测译 通过对生物信息的查询、搜索、比较、分析，从中获取基因编码、麓因调控、核 酸和蛋白质结构功能及其棚艇关系等理性知识。在大嫩信息和知识的基础上，探 索囊鑫超源、擞携送纯殴及缨貔、器窘翻个体戆发生、发育、痰交、衰亡等生念 科学中重大问蹶，搞清它们的基本规律和时空联系，建立4 生物学周期表呱2 ”。 生物信息激的长远任务是非编码区信息结构分析芹遗传密码起源与生物进 能豹研究。读馕入类基因缀，发现久类瀵健语言静稷零溪律，获蔼溺裙若干生懿 学中的重大自然哲学问题，像生命的起源与进化等。下图是揭示在不同水平( 层 次) 上若干生物信息间的联系。 止7 、土 蛋白艨_群体_ 生物体 二级结构 三缓结构 多态性 浚簿瘸赉辩 表达图谱 生理学赍辩 核酸染色体绸骢 序列 细纛蓉鬻_ 蓄谱看萼 e 、 竺墨竺兰一一刁 爨l 咭在不瓣永乎( 层凌) 上l l 孽若干生魏臻纛羯瓣联系 f i g u r e1 - 8t h er e l a t i o no fb i o i n f o r m a t i o na td i f i e r e n tl e v e l 1 2 1 4 生物信息学研究方j 焱 生物信息学的研究方法主要有：数据库以及若干数据库工具；测序需要的软 羚发电子网终等远程逶禳王嶷；理论分援方法( 包摇：统谤方法、穰式诶鞠方法、 隐马尔科夫过獠方法、分维肖法、 神经网络方法、复杂性分析方法、密码学方 法、多序列比较方法等) ；基因组信息分析的新方法、新技术。 1 2 1 4 1 基本方法 现阶段生物信息学研究中的基本方法有： 1 建立生羲数攥痒 1 4 ! 坐查堂堡主慧缝兰塞! ! 竺：! 已蠢大爨的公共数据疼系统( 懿g e n b a n k 秘p d 8 等) 霹供毽赛蕊鬻雨熬磺究 者使用。然而，有时这些公欺数据库在内容或数据综合与检索途径上不一定能满 足实际研究的需要。因而，对特定的生物信息学研究与开发工作，必须建立自己 的数据库绒数据获取界面。 2 数据黪检索 越来越多的数据库检索工舆已投入实际应藤。其中，净列相似髓稔索软件( 如 b l a s t 系列) 应用最为广泛。开发和使用这些检索工具时，必须明了检索目的、 数据结构、结果显示等要素，同时应考虑检索效率等实际问题。 3 。序列分耩 分予膨麓分辑是生秘绩惑学豹棱心方法，惫旗麸孝歹| l 对链撵襄( s e q u e n c e a l i g n m e n t ) ，到序列同源比较和进化分析，直至熬因组分析和蛋自质缀分析等。 4 统计模型 越来越多的统计模型已用于生物信息学研究。例如，隐马尔可夫模溅( h i d d e n m a r k o vm o d e l ， 攒) 在基嚣谈麓窝药凌设诗孛爨蠢霪要夔痤爱徐篷；爱大钕然 模型( m a x i m u ml i k e l i h o o dm o d e l ，m l m ) 己成为序列进化分析中的种常规方 法。 5 数学和计算机算法 在生貔谤怠学实际工侮中穗建立了太量算法，磐自动彦歹g 攒接、终疆予羲溺 帮霹添比较算法等。算法敏感健、特冥往蠢复杂赣镪是必须考虑斡蠢索。男一方 面，生物举中的特殊问题也促进了计算机算法的发展，如遗传算法( g e n e t i c a l g o r i t h m ) 和人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ) 的建立与发展嘲。 1 。3 珏i 蒸羧缝磺突进曩 1 3 1h i 蕊因组的基本信恩 1 8 9 2 年，p f e i f f e r 首次分离出流感嗜血杆菌( h a e m o p h i l u si n f l u e n z a e ，m ) 。 ，。 镳感嗜建孛手蘩戆基强组测序谤划予1 9 9 5 年竞成，怒“第一令”完藏躲测黪玺物。 1 9 9 5 年，荚戮基因缀研究所( t h ei n s t i t u t ef o r g e n o m i cr e s e a r c h ，t i g r ) 的 f l e i s c h m a n