专性胞内菌复制链极端组成偏差的分析及其内在机制的研究

由于复制机制的不对称性,细菌的两条复制链通常具有偏差的核酸组成。1998年至今，国外研究者和申请人累计发现10个细菌基因组内复制链间的组成偏差极端强烈以致于两条链上的基因具有分离的密码子使用，这些细菌无一例外都属于专性胞内菌。以往的相关研究都是采用单一的方法即RSCU的对应分析作图，这就导致了分析的不深入、结果的不完整。本项目将联合多种方法（Z曲线、对应分析及PR2-plot）来分析已测序的上千种细菌（重点分析专性胞内菌）的密码子使用，找出其中具有分离密码子使用的具体物种。另外，本项目还要通过比较基因组学的方法，调查极端的链组成偏差与复制相关基因的获得（缺失）、染色体重组频率、必需基因的位置偏差以及翻译选择强度之间的关系。通过这些研究，将揭示具有分离密码子使用的专性胞内菌的基因组学共性，为细菌基因组内的组成不对称性、尤其是专性胞内菌的链组成不对成性的研究提供分析方法及科学解释。

无论是高等真核生物还是低等细菌的复制机制都存在着明显的不对称性，机制的不对称导致了两条复制链核酸组成的不对称。反过来，通过研究细菌、尤其是专性胞内菌前导链和滞后链整体以及对应基因的组成不对称的性质和程度，揭示不对称性发生的原因，有助于理解生物体染色体复制的详细机制。本项目开始前，已知的11种复制链间具有强烈链组成偏差的细菌大部分都属于专性胞内菌。本项目通过调查所有已知的83种专性胞内菌基因组内的链偏差程度，发现尽管专性胞内菌作为整体与其他细菌比较具有显著(p<0.05）增高的偏差，但是并不是每个专性胞内菌都具有极强的偏差以致于基因间的密码子使用可以产生分离。同时，观察到一些不是专性胞内菌的物种也同时具有密码子使用分离现象。因此，专性胞内菌并不是强烈链组成偏差的唯一决定因素。进一步，基于1111种细菌和古细菌调研了链组成偏差程度的影响因素。结果发现，系统发育、GC含量、染色体大小、基因位置偏差、染色体重组频率、功能类别及基因构成等作为单一因子都对组成偏差强度起作用（P<0.01)。翻译选择强度和倍增时间和组成偏差强度间的作用则不显著(p>0.05）。主成分回归分析表明，在所有因素中，基因位置偏差起的作用最强，暗示转录过程中的突变偏差对组成偏差有着不可忽视的作用。总体上来说：本项目从大规模数据上验证了本课题组提出的染色体长度及GC含量和偏差强度的关系，揭示链偏差程度确实受到组织分类及表性特征的影响。链组成偏差从根本上来说是由基因功能内的比例决定的，其中错误修复基因起着显著的作用。所有因素联合起来总贡献率揭示了超过链偏差强度变化的50%。因此链组成偏差是多因素共同作用的结果，本文中描述的因子对于偏差起着决定作用。本项目的研究将促进对于原核生物复制过程的细节理解。. 在本项目支持下，本项目组共发表SCI论文14篇，其中影响因子大于2的有10篇，另有著作章节1篇。接受邀请担任国际SCI期刊Current Genomics客座编辑，组织专辑，题目为“Replicating Strand Asymmetry in Bacterial and Eukaryotic Genomes”，已于2012年在该杂志第13卷的第1期正式发表。累计4次担任学术会议技术委员会成员或作邀请报告。获得两项省部级奖励，培养博士研究生3名，硕士研究生8名，其中一名博士及5名硕士已毕业或即将毕业。