基于生物信息学分析MERS-CoV的起源、进化及其与宿主的关系

摘要

冠状病毒是一类广泛存在且对人类和家畜具有严重危害的RNA病毒，其基因组全长在30Kb左右，是所有RNA病毒中基因组最大的病毒。2012年首次发现于沙特的中东呼吸综合征冠状病毒(MERS-CoV)能使患者出现严重的呼吸道疾病，其临床表现为急性呼吸窘迫综合征，并可能导致肾功能衰竭甚至死亡，因此MERS已经成为严重危害人类健康和生命安全的新型冠状病毒，但迄今为止，对于MERS-CoV的起源、进化及其宿主还未研究清楚。本研究通过对MERS-CoV和其它冠状病毒的S、M、E、N四个结构蛋白构建进化树，来研究该病毒的系统发育关系;将190株MERS-CoV毒株按照分离地域分成39类，并挑选出代表性毒株并对其全基因组序列构建系统发育树来探究该病毒的起源及其进化;运用RDP软件包对MERS-CoV进行种间重组分析，并在此基础上分析该病毒结构蛋白基因的进化模式;对MERS-CoV原型株的9条基因进行密码子偏爱性分析，来探究病毒密码子使用模式及其与宿主的关系;比较MERS-CoV与冠状病毒属其它病毒密码子使用模式的差异，来研究冠状病毒属病毒密码子使用的变异情况。本文主要研究结果如下:
　　1.运用MEGA软件，对MERS-CoV和其他19种冠状病毒进行了系统发育分析。确定MERS-CoV是不同于已知冠状病毒的一种新型冠状病毒，它既不属于现有的三个类群，也不同于SARS冠状病毒，而独立成为一支，因此我们将MERS-CoV划分为第五组冠状病毒。同时对筛选出的39株MERS-CoV全基因组序列进行内部系统发育分析，结果表明:MERS-CoV的进化与该病毒爆发时间及其分布地域密切相关:爆发时间及分布地域距离越近病毒亲缘关系越近，相似程度越高，此外病毒进化与其宿主也有一定的关系。结合系统发育树和病人旅行史及一些文献资料，进一步推测得到病毒起初可能是从比沙堡传播到利雅得，然后由这两个地方开始散布到沙特其他的城市。中国流行的毒株很可能溯源于沙特的吉达地区。
　　2.使用RDP软件包对MERS-CoV病毒进行重组分析，结果发现:MERS-CoV与其近源蝙蝠毒株的S基因片段之间存在着重组信号，结合文献资料我们推测该病毒起源于蝙蝠，并通过单峰骆驼最终感染人类。通过对病毒结构蛋白基因的进化模式研究，结果表明S蛋白和N蛋白基因经历负选择作用，而E蛋白和M蛋白基因先经历正选择的进化后经历负选择的进化，我们推测这两个基因在病毒适应宿主的进化过程中起着重要作用。
　　3.对MERS-CoV进行密码子偏爱性分析，结果表明该病毒密码子偏爱性较弱且偏爱使用的密码子大多以A、U碱基结尾，最终确定了19个密码子为MERS-CoV的最优密码子。中性绘图和ENC绘图分析表明密码子的偏爱性主要受到自然选择作用的影响。通过和其它五种生物密码子使用频率进行比较，结果发现在其宿主系统中，该病毒的密码子使用频率与人的更为接近，这可能是该病毒容易感染人的一个原因。在其外源表达系统中，该病毒密码子使用模式与酵母相差最小，因此真核系统如酵母可能比较适合作为MERS-CoV外源表达载体。
　　4.将MERS-CoV密码子用法与冠状病毒属其它病毒密码子用法进行比较，结果发现冠状病毒属的病毒在密码子的使用上具有较强的特异性，进一步表明这一家族的病毒在长期进化过程中具有严格的保守性。通过聚类分析我们发现密码子的使用不能反映物种的真实进化系统，可能会追溯与物种进化方式不同的进化路径。

目录

声明

摘要

第一章文献综述

1 MERS-CoV的研究进展

1．1 MERS-CoV的起源

1．2 MERS-CoV的进化模式研究

2分子系统发育研究方法

2．1分子演化研究方法

3密码子偏爱性介绍

3．1衡量密码子偏爱性常用参数

3．2分析密码子使用模式的统计方法

第二章MERS-CoV的系统发育分析

1．1数据来源

1．2分析方法

2结果与分析

2．1 MERS-CoV的分类

2．2 MERS-CoV内部系统发育分析

3讨论

第三章MERS-CoV的重组分析

1．2分析方法

2结果与分析

2．1重组分析

2．2 MERS-CoV的基因选择模式

3讨论

第四章MERS-CoV密码子使用模式

1材料与方法

1．1数据来源

1．2分析方法

2结果与分析

2．2影响MERS-CoV密码子偏爱的主要因素

2．3 MERS-CoV最优密码子的确定

2．4对比分析

3讨论

第五章MERS-CoV和其它冠状病毒密码子使用比较分析

1材料与方法

1．1数据来源

1．2分析方法

2结果与分析

2．1冠状病毒属病毒中各属间的密码子使用变异

2．2冠状病毒属各病毒最优密码子

2．3影响冠状病毒属各病毒密码子使用变异的主要因素

2．4对应性分析

2．5基于密码子使用频率的聚类分析

3讨论

参考文献

致谢

附录

作者简历