不讲了CHAP2微生物分子遗传

CHAP2 微生物分子遗传学基础 一、 微生物基因组 基因 (gene)： 可遗传的生物学功能单位； DNA功能片段 蛋白质或 RNA 基因组 (genome)： 生物遗传信息的总和 。 （ 一 个物种中所有基因的整体组成。） 基因组学 (genomics)： 系统研究生物基因 组的序列结构，并从序列结构水平来注释 (annotation)生命现象的科学。 微生物基因组学 (microbialgenomics)： 1 . 微生物基因组学研究的意义 1.1 大量未知功能新基因的发现 结构简单，生长、繁殖快，单基因控 制，单拷贝基因。 1.2 带来新的微生物分类和诊断方法： 16S rRNA 分类、诊断 rRNA分子具有高度保守性，在所有的细胞生物中都存在，在长期的进 化中， 16S rRNA的总碱基数有所不同，保守的部分使不同序列很容易相 互对齐进行比较。 16S rRNA基因序列分析技术是建立系统分类的主要技术， DNA相关性 70%， 16S rRNA序列差异 1%1.5%的细菌属于同一种，这使细菌的种 有一个稳定和统一的标准。 1.3 微生物基因组学与系统生物学： 一门新兴的学科。 系统生物学 ：基因组核苷酸序列包含着生命活动的几 乎所有信息，能帮助生命科学进入一个新的全面的研 究细胞活动过程及其相互关系的阶段。这一层次的研 究称系统生物学。 “基因组到生命（ Genomes to Life ， GTL ）” 计 划：美国能源部于 2002年 7月正式推出，为期五年、 资助强度为 1亿美元，其基础是在人类基因组计划和 1994年开始实施的美国微生物计划 1.4 宏基因组学 研究微生物群体，群落基因组学。 1.5 抗微生物新药和疫苗的发现： (1) 揭示出许多微生物生存所必需的基因 (2) 揭示出许多微生物致病和毒力相关的 的基因 (3) 有助于发展特异性很强的基因 开发高度特异的抗微生物药物 (4) 推动疫苗研究 2. 基因组测序研究概况 第一个被测定具细胞结构的生物是人类病原菌 流感嗜血杆菌（ 1995年） 噬菌体 X174的基因组 5.3kb（ 1977） 人类基因组计划中：大肠埃希菌、酵母菌（作 为模式生物，为人类基因组研究提供借鉴） 至 2006年 3月：已测定 321个微生物序列（细 菌 295个，古菌 26个）； 400个原核微生物基 因组测序正在进行中。 3.细菌基因组 3.1 细菌基因组基本特点 3.1.1 长的可译框架（ ORF） 从 mRNA 5端起始密码子 AUG到 3端终止密码 子之间的核苷酸序列，各个三联体密码连续排 列编码一个蛋白质多肽链，称为 开放阅读框架 (open reading frame, ORF)。 3.1.2 高密度基因 细菌、古细菌 85%-88%的核苷酸序列与基因 的编码直接相关。 3.1.3 简单的基因结构 编码区：能转录成相应的 mRNA，能编码蛋白质（结构基因） 非编码区：不能转录成相应的 mRNA，不能编码蛋白质。 （调控基因） 3.1.4 原核基因组中 GC的含量 不同的原核生物基因组的 GC含量 (GC content)变化很大 (25%-75%) 测量基因组 GC含量被证明是一种识别细菌种 类的特别有效的方法。 3.2 大肠埃希菌基因组 K-12 MG1655、 O157： H7 Sakai、 O157:H7 EDL933测序由美国和日本小组于 1977年完成。 E.coli K-12是实验室常用菌株，无致病性； O157： H7亚型大肠杆菌是食源性疾病的最主 要病因。美国“毒菠菜”风波 0157： H7亚型 大肠杆菌是祸首，能引起出血性肠炎 （ 2006 年） 。 美国加州大片菠菜长在地里无人问津 基因组对比分析（表 2.1）表明： 4.1Mb保守 主体序列；特异的基因序列聚集在多个区域， 构成“岛”；菌株特有基因，使菌株发生遗传 衍变；衍变中噬菌体起了重要作用。 (1) E.coli K-12 MG1655 的基因功能分布 环状基因组，双向复制起点和终点，全部基因 可分为 20多个功能群（表 2.2） (2) E.coli基因组序列的特征 重复序列（表 2.3） 转座单元 前噬菌体序列 菌株特异片段 转座子（ transponson， Tn）又称转座元 ，是 一种能够进行复制并将一个或多个拷贝插入到 新位点的 DNA序列单元。它能够插入到细菌染 色体的许多位点上。如果插入的位点正在某细 菌基因内，该基因的线性连续性遭到破坏，导 致基因功能消失而发生突变。 常见的转座子有 Tn5、 Tn10等用于革兰氏阴性 菌， Tn551、 Tn917常用于革兰氏阳性菌。 前噬菌体： 整合到细菌基因组中的噬菌体 DNA 菌株特异片段 如 K、 O、 S岛（表 2.4），这些 片段大部分序列用于编码功能基因，包括毒力 决定基因、抗药基因、降解化合物基因 3.3.流感嗜血杆菌基因组 嗜血杆菌，属孤菌科嗜血杆菌属。是一种没有 运动力的革兰氏阴性杆菌。它是于 1892年由 费佛博士在 流行性感冒 的 瘟疫 中发现。它一般 都是 好氧生物 ，但可以成长为兼性厌氧生物。 流感嗜血杆菌最初被误认为是流行性感冒的病 因，但直至 1933年，当发现流行性感冒的病 毒性病原后，才消除了这种误解。 是第一个获得基因组全序列的细胞型生物 . 全长约 1.8Mb，含 6个 rRNA操纵子，一个 Mu前 噬菌体，每个 rRNA操纵子结构为： 16S-间区 -23S-5S 含有 1703个蛋白基因，特异的蛋白有免疫球蛋 白酶、糖基转移酶、毒力相关蛋白等。 基因组有 2个系统的功能基因：一个是 DNA 转 化系统，另一个是信号传递系统。 4 古菌基因组 古菌是最古老的生命体，如果将地 球约 46亿年的年龄比作一年，那么 古菌早在 3月 20日就出现了，而人 类诞生不过是 12月 31日的事。 古菌的分布 古菌常被发现生活于各种极端自然环境下， 如大洋底部的高压热溢口、热泉、盐碱湖等。 在我们这个星球上，古菌代表着生命的极限， 确定了生物圈的范围。 热网菌（ Pyrodictium）能够在高达 113 的温 度下生长。 古菌域 (Archaea)广古菌门 盐杆菌纲 (Halobacteria) 甲烷杆菌纲 (Methanobacteria) 甲烷球菌纲 (Methanococci) 甲烷微菌纲 (Methanomicrobia) 甲烷火菌纲 (Methanopyri) 古球状菌纲 (Archaeoglobi) 热原体纲 (Thermoplasmata) 热球菌纲 (Thermococci) 4.1嗜盐菌 这是一类生活在很高浓度甚至接近饱和浓度盐 环境中的古菌。 细胞形态为杆形、球形和三角形、多角形、方 形、盘形等多形态。革兰氏阴性，极生鞭毛。 好氧或兼性厌氧。 胞内含有 类胡萝卜素（菌红素），产红色、 粉红色、橙色或紫色等各不同色素。化能有机 营养型。 Halobacterium sp. 齐民要术 里面描述了在海滩上的盐田，发 现到一定的时候，这个盐池就会变红。按现在 我们的知识，就是我们现在认识的嗜盐菌。 在我国西部地区有相当数量的大盐湖。目前 为止，在这些盐湖中找到的 3个新的属， 12个 新的种。 基因组有 3个环状复制子： 染色体、质粒 pNRC200、质粒 pNRC100 质粒 pNRC200与质粒 pNRC100 特点： 76%序列相同，同源性高。 含较多特异基因，只有 32%或 26%能从已知基 因数据库找到同源基因 所含基因有 40%编码基本功能蛋白，不是可有 可无，宿主对他们依赖性强。也称微染色体。 嗜盐菌 rRNA操纵子结构也与真细菌相似： 5S rRNA-16SrRNA-tRNA 23S rRNA-5SrRNA-tRNA 有真核生物中发现的基因，如： Nop（核蛋 白）、 eIF1A (翻译起始因子 )等基因 。 4.2产甲烷古菌 产甲烷菌是一群迄今 为止所知的最严格厌氧 的、能形成甲烷的化能 自养或化能异养的古菌群。 产甲烷细菌是都能产生甲烷的一大类群， 因此包括了球形、杆形、螺旋形、长丝状 等不同形态。 甲烷菌只需二氧化碳和氢气就能生存，但只要 一遇到氧气就会死亡，它能适应摄氏 2度至 115度，和淡水到高盐环境，并且经过甲烷化 过程产生能量；有不少的高等的生物体内含有 甲烷古菌，还可以帮助高等生物分解废物后放 出气体，地球上的暖化现象地球暖化现象除二 氧化碳外，甲烷菌也是重要因素之一。 嗜热自养甲烷杆菌 Methanobacterium thermoautotrophicum 0.2 - 1.0 mm x 1.2 - 120 mm Optimum temperature ranges from 35 - 70oC Cells stain Gram negative 嗜热甲烷杆菌 1997年测序完成，基因组总长 1751377bp，约 92% 用于编码产物， 1855个可译框架 (ORF)，这些 ORF中 有 786个（ 42%）与细菌相似，有 241（ 13%）与真 核生物相似。 合成甲烷 7步反应中也包含了三个操纵子： mcr、 mtr、 mrt 基因组中很少发现可移动单元；无前噬菌体或质粒； 有一个整合素基因；有 409基因组成 111个家族；基 因组有传感子激酶 应答调控子组成的系统。 嗜热甲烷杆菌与甲烷球菌的基因组差别很大 嗜热甲烷杆菌 甲烷球菌 传感子激酶基因（个） 应答子调控基因（个） 质粒 前噬菌体 插入序列（ IS） 整合因子 14 9 无 无 无 1 无 无 2 无 11 19 5 酵母基因组 5.1 酿酒酵母是真核生物研究的良好模型 酿酒酵母与同为真核生物的动物和植物细胞具有很多 相同的结构，又容易培养，酵母被用作研究真核生物 的 模式生物（“万能模式生物” ） ，也是目前被人 们了解最多的生物之一。 在人体中重要的蛋白质很多都是在酵母中先被发现其 同源物的，其中包括有关细胞周期的蛋白、信号蛋白 和蛋白质加工酶。 酿酒酵母也是制作 培养基 中常用成分酵母提取物的 主要原料。 酵母在单倍体和二倍体的状态下均能生长，并 能在实验条件下相互转换，对其基因功能的研 究十分有利。如通过基因敲除及时研究某一个 基因对细胞的生存是否必需。 5.2 酵母基因组全序列测定和酵母 基因组概况 酿酒酵母是第一个完成基因组测序的 真核生物 ， 测序工作于 1996年完成。 酿酒酵母的基因组包含大约 1200万碱基对，分 成 16组染色体，共有 6275个基因，其中可能 约有 5800个真正具有功能。据估计其基因约有 23%与人类同源。酵母基因组数据库包含有酵 母基因组的详细注释 (annotation)，是研究真 核细胞遗传学和生理学的重要工具。 5.3酵母基因组特点 开发阅读框大小从 100到大于 4000个密码子都有 染色体上基因分布密度高 12068kb的全基因组序列中有 5885个编码专一性蛋白质的 开放阅读框。这意味着在酵母基因组中平均每隔 2kb就存 在一个编码蛋白质的基因，即整个基因组有 72的核苷酸 顺序由开放阅读框组成。这说明酵母基因比其它高等真核 生物基因排列紧密。 线虫基因组中：平均每隔 6kb存在一个编码蛋白质的基因； 人类基因组中：平均每隔 30kb或更多的碱基才能发现一 个编码蛋白质的基因。 酵母基因组的紧密性是因为基因间隔区较短与基因中内 含子稀少。 所有染色体上基因密度都是相似。 酵母的 ORFs均匀地分布在染色体的两条链上。 酵母基因组织图有 3种可能的方向排列： 头 -尾方向 ：两个相邻基因的头尾方向相同，转录 方向相同，间隔序列含有前一个基因的终止序列和后 一个基因的启动子序列。 头 -头方向 ：两个转录方向相反的基因共用同一的 “启动子” 尾 -尾方向 ：两个基因共用相同的“终止”序列 5.4 酵母比较基因组学 生物是从共同祖先演化而来的，所以对生命活动有重要功能的基 因在进化上是保守的，也就是说，这些基因的结构和功能，在低 等生物和高等生物中是相似的。因此，可以用比较容易研究的生 物作为模型来研究其基因的结构和生物学功能，由此获得的信息 可以使用于其他比较难以研究的生物，特别是推测相似的人体基 因的功能。模式生物中很多基因与人类具有很高的同源性，通过 对模式生物基因结构和功能的研究可以推测人类相应基因的功能。 模式生物基因组研究最直接的应用体现在生物信息学领域。当人 们发现了一个功能未知的人类新基因时，可以迅速地在模式生物 基因组数据库中， 检索得到与之同源且功能已知的模式生物基因， 并获得其功能方面的相关信息，从而加快对该人类基因的功能研 究。 本章结束