结核分枝杆菌细胞壁合成相关调节子基因组网络模块定位及基因功能分析

The cell wall of mycobacterium tuberculosis plays an important role in maintaining its morphological integrity, resisting the erosion of chemical substances and immune escape. Therefore, high-throughput screening of cell wall synthetic genes is a crucial step in the development of new anti-tb drugs. Regulon refers to the collection of genes or manipulators regulated by the same transcription factor in the pathogenic bacteria, and genome-wide screening and systematic study of the modulation is the basis for understanding the regulatory mechanism of pathogenic bacteria. However, trying to traverse all experimental conditions to make genome screening of regulons is not realistic. This project through computational biology technology: Bi-cluster double clustering and Pathway energy dynamic curve to achieve genome-wide screening and network regulation of tuberculosis related regulator of Mycobacterium tuberculosis, and the use of pre-laboratory construction Myco-MarT7 turn. The mutation of the retrotransposon system to verify the biological characteristics of the pathogenic bacteria before and after the mutation of the target gene, the ultrastructure and composition of the cell wall, and to realize the functional annotation of the related syntheses of the cell wall synthesis of the Mycobacterium tuberculosis. The research of this project is characterized by cross-disciplinary cooperation and complementarity, which can not be achieved by previous biological studies and computer operations, providing new ideas for similar studies on other pathogenic bacteria.

结核分枝杆菌细胞壁对维持其形态完整性、抵御化学物质的侵蚀、免疫逃逸等都起着重要的作用。因此，细胞壁合成基因的高通量筛选是研发新型抗结核药物至关重要的一步。调节子是指病原菌中被同一个转录因子调控的基因或者操纵子的集合，对调节子的全基因组筛选及系统研究是了解病原菌调控机制的基础，然而，尝试遍历所有实验条件来进行调节子的基因组筛选是不现实的。本项目通过计算生物学技术：Bi-cluster双聚类及Pathway能量动态曲线实现结核分枝杆菌细胞壁合成相关调节子的全基因组筛选及网络调控建模，并且采用实验室前期构建的Myco-MarT7转座子突变系统，验证靶基因突变前后病原菌的生物学性状、细胞壁超微结构及组分等变化，实现结核分枝杆菌细胞壁合成相关调节子的功能注释。本项目研究的特点是学科交叉合作与互补，这是已往生物学研究及计算机运算都无法实现的，为其它病原菌的同类研究提供新思路。

结核分枝杆菌引起的结核病从古至今一直是全球的健康挑战之一。20世纪50年代以来，异烟肼，利福平，乙胺丁醇等一线抗结核药物的不断发现，有效地提高了结核病患者的治愈率与存活率。但是多种形式的耐药菌株使结核病又成为了全球每年150万人死亡的主要原因。结核病难以攻克的重要原因在于结核分枝杆菌细胞壁与其他细菌大不相同。结核菌的细胞壁结构特殊，具有坚硬的细胞壁以及极低的渗透性，对结核菌在宿主体内侵袭，生存，繁殖极为重要，也是结核菌药物难以开发的主要原因。因此，结核菌的细胞壁是研发新型抗结核药物的重要靶点。本项目通过生物学功能富集，蛋白互作网络筛选细胞壁合成通路与细胞壁合成基因子网络构建，获得以ftsW基因为首的结核菌细胞壁合成过程中关键基因群。采用四环素tet-off调控系统，构建ftsW耻垢分枝杆菌敲低菌株与过表达菌株，并探索细胞壁合成关键基因ftsW改变对细菌细胞壁合成的生物学功能影响。通过MycoMarT7转座子盲敲系统，以牛分枝杆菌作为模式菌，运用卡那霉素抗性标志挽救法成功建立分枝杆菌随机突变文库。本项目整合分子生物学及生物信息学技术，成功构建细胞壁合成关键基因组网络模块与分枝杆菌随机突变文库并对关键细胞壁基因进行功能分析，为研发新型的抗结核药物提供重要分子靶点。