不讲了CHAP2微生物分子遗传

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1、CHAP2 CHAP2 微生物分子遗传学基础微生物分子遗传学基础一一个物种中所有基因的整体组成。）个物种中所有基因的整体组成。）1.微生物基因组学研究的意义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，单基因控结构简单，生长、繁殖快，单基因控制，单拷贝基因。制，单拷贝基因。1.2 带来新的微生物分类和诊断方法：带来新的微生物分类和诊断方法：16S rRNA 分类、诊断分类、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，中，16S rRNA的总碱基数

2、有所不同，保守的部分使不同序列很容易相互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。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，基因序列分析技术是建立系统分类的主要技术，DNA相关性相关性70%，16S rRNA序列差异序列差异1%1.5%的细菌属于同一种，这使细菌的种的细菌属于同一种，这使细菌的种有一个稳定和统一的标准。有一个稳定和统一的标准。l1.3 微生物基因组学与系统生物学：微生物基因组学与系统生物学：l一门新兴的学科。一门新兴的学科。l系统生物学系统生物学：基因组核苷酸序列包含着生命活动的几：基因组核苷酸序列包含着生命活动的几乎所有信息

3、，能帮助生命科学进入一个新的全面的研乎所有信息，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。究称系统生物学。l“基因组到生命（基因组到生命（Genomes to Life，GTL ）”计计划：美国能源部于划：美国能源部于2002年年7月正式推出，为期五年、月正式推出，为期五年、资助强度为资助强度为1亿美元，其基础是在人类基因组计划和亿美元，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年开始实施的美国微生物计划 1.4 宏基因组学宏基因组学 研究微生物群体，群落基因组学。研究微生物群

4、体，群落基因组学。1.5 抗微生物新药和疫苗的发现：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揭示出许多微生物致病和毒力相关的的基因的基因(3)有助于发展特异性很强的基因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开发高度特异的抗微生物药物(4)推动疫苗研究推动疫苗研究2.基因组测序研究概况基因组测序研究概况l第一个被测定具细胞结构的生物是人类病原菌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（流感嗜血杆菌（1995年）年）l噬菌体噬菌体X174X174的基因组（的基因组（1977197

5、7）l人类基因组计划中：大肠埃希菌、酵母菌（作人类基因组计划中：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）为模式生物，为人类基因组研究提供借鉴）l至至2006年年3月：已测定月：已测定321个微生物序列（细个微生物序列（细菌菌295个，古菌个，古菌26个）；个）；400个原核微生物基个原核微生物基因组测序正在进行中。因组测序正在进行中。3.细菌基因组细菌基因组l3.1 细菌基因组基本特点细菌基因组基本特点l3.1.1 长的可译框架（长的可译框架（ORF）l从从mRNA 5 端起始密码子端起始密码子AUG到到3 端终止密码端终止密码子之间的核苷酸序列，各个三联体密码连续排子之间

6、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，称为列编码一个蛋白质多肽链，称为开放阅读框架开放阅读框架(open reading frame,ORF)。l3.1.2 高密度基因高密度基因l细菌、古细菌细菌、古细菌85%-88%的核苷酸序列与基因的核苷酸序列与基因的编码直接相关。的编码直接相关。3.1.3 简单的基因结构简单的基因结构编码区：能转录成相应的编码区：能转录成相应的mRNA，能编码蛋白质（结构基因），能编码蛋白质（结构基因）非编码区：不能转录成相应的非编码区：不能转录成相应的mRNA，不能编码蛋白质。，不能编码蛋白质。（调控基因）（调控基因）l3.1.4 原核基因组中原核

7、基因组中GC的含量的含量l不同的原核生物基因组的不同的原核生物基因组的GC含量含量(GC content)变化很大变化很大(25%-75%)测量基因组测量基因组GC含量被证明是一种识别细菌种含量被证明是一种识别细菌种类的特别有效的方法。类的特别有效的方法。l3.2 大肠埃希菌基因组大肠埃希菌基因组lK-12 MG1655、O157：H7 Sakai、O157:H7 EDL933测序由美国和日本小组于测序由美国和日本小组于1977年完成。年完成。l K-12是实验室常用菌株，无致病性；是实验室常用菌株，无致病性；lO157：H7亚型大肠杆菌是食源性疾病的最主亚型大肠杆菌是食源性疾病的最主要病因。

8、美国要病因。美国“毒菠菜毒菠菜”风波风波 0157：H7亚型亚型大肠杆菌是祸首，能引起出血性肠炎大肠杆菌是祸首，能引起出血性肠炎（2006年）年）l。美国加州大片菠菜长在地里无人问津l基因组对比分析（表）表明：基因组对比分析（表）表明：保守主体序列；保守主体序列；特异的基因序列聚集在多个区域，构成特异的基因序列聚集在多个区域，构成“岛岛”；菌株特有基因，使菌株发生遗传衍变；衍变中菌株特有基因，使菌株发生遗传衍变；衍变中噬菌体起了重要作用。噬菌体起了重要作用。l(1)K-12 MG1655 的基因功能分布的基因功能分布l环状基因组，双向复制起点和终点，全部基因环状基因组，双向复制起点和终点，全部

9、基因可分为可分为20多个功能群（表）多个功能群（表）l(2)基因组序列的特征基因组序列的特征l重复序列（表）重复序列（表）l转座单元转座单元l前噬菌体序列前噬菌体序列l菌株特异片段菌株特异片段l转座子（转座子（transponsontransponson，TnTn）又称转座元）又称转座元，是，是一种能够进行复制并将一个或多个拷贝插入到一种能够进行复制并将一个或多个拷贝插入到新位点的新位点的DNADNA序列单元。它能够插入到细菌染序列单元。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，导菌基因内，该基因的线

10、性连续性遭到破坏，导致基因功能消失而发生突变。致基因功能消失而发生突变。l常见的转座子有常见的转座子有Tn5Tn5、Tn10Tn10等用于革兰氏阴性等用于革兰氏阴性菌，菌，Tn551Tn551、Tn917Tn917常用于革兰氏阳性菌。常用于革兰氏阳性菌。l前噬菌体：前噬菌体：整合到细菌基因组中的噬菌体整合到细菌基因组中的噬菌体DNAl菌株特异片段菌株特异片段如如K、O、S岛（表），这些片岛（表），这些片段大部分序列用于编码功能基因，包括毒力决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、降解化合物基因定基因、抗药基因、降解化合物基因l3.3.流感嗜血杆菌基因组流感嗜血杆菌基因组l嗜

11、血杆菌，属孤菌科嗜血杆菌属。是一种没有嗜血杆菌，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。它是于运动力的革兰氏阴性杆菌。它是于1892年由年由费佛博士在费佛博士在流行性感冒流行性感冒的的瘟疫瘟疫中发现。它一般中发现。它一般都是都是好氧生物好氧生物，但可以成长为兼性厌氧生物。，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流感嗜血杆菌最初被误认为是流行性感冒的病因，但直至因，但直至1933年，当发现流行性感冒的病年，当发现流行性感冒的病毒性病原后，才消除了这种误解。毒性病原后，才消除了这种误解。l是第一个获得基因组全序列的细胞型生物是第一个获得基因组全序列的细胞型

12、生物.l全长约，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-5Sl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。l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。古菌的分布古菌的分布l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。l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。l热网菌（Pyrodict

13、ium）能够在高达113的温度下生长。古菌域古菌域(Archaea)(Archaea)广古菌门广古菌门l盐杆菌纲(Halobacteria)l甲烷杆菌纲(Methanobacteria)l甲烷球菌纲(Methanococci)l甲烷微菌纲(Methanomicrobia)l甲烷火菌纲(Methanopyri)l古球状菌纲(Archaeoglobi)l热原体纲(Thermoplasmata)l热球菌纲(Thermococci)嗜盐菌嗜盐菌l这是一类生活在很高浓度甚至接近饱和浓度盐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。环境中的古菌。l细胞形态为杆形、球形和三角形、多角形、方细胞形态

14、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。形、盘形等多形态。革兰氏阴性，极生鞭毛。好氧或兼性厌氧。好氧或兼性厌氧。l胞内含有胞内含有 类胡萝卜素（菌红素），产红色、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。化能有机粉红色、橙色或紫色等各不同色素。化能有机营养型。营养型。lHalobacterium sp.l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。l 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。l基因组有基因组有3个环状复制子：个

15、环状复制子：染色体、质粒染色体、质粒pNRC200、质粒、质粒pNRC100 l质粒质粒pNRC200与质粒与质粒pNRC100 特点：特点：l76%序列相同，同源性高。序列相同，同源性高。l含较多特异基因，只有含较多特异基因，只有32%或或26%能从已知基能从已知基因数据库找到同源基因因数据库找到同源基因l所含基因有所含基因有40%编码基本功能蛋白，不是可有编码基本功能蛋白，不是可有可无，宿主对他们依赖性强。也称微染色体。可无，宿主对他们依赖性强。也称微染色体。l嗜盐菌嗜盐菌rRNA操纵子结构也与真细菌相似：操纵子结构也与真细菌相似：5S rRNA-16SrRNA-tRNA 23S rRNA

16、-5SrRNA-tRNAl 有真核生物中发现的基因，如：有真核生物中发现的基因，如：Nop（核蛋（核蛋白）、白）、eIF1A(翻译起始因子翻译起始因子)等基因等基因。产甲烷古菌产甲烷古菌l产甲烷菌是一群迄今产甲烷菌是一群迄今为止所知的最严格厌氧为止所知的最严格厌氧的、能形成甲烷的化能的、能形成甲烷的化能自养或化能异养的古菌群。自养或化能异养的古菌群。l产甲烷细菌是都能产生甲烷的一大类群，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、长丝状因此包括了球形、杆形、螺旋形、长丝状等不同形态。等不同形态。l甲烷菌只需二氧化碳和氢气就能生存，但只要甲烷菌只需二氧化碳和氢气就能生存，但

17、只要一遇到氧气就会死亡，它能适应摄氏一遇到氧气就会死亡，它能适应摄氏2度至度至115度，和淡水到高盐环境，并且经过甲烷化度，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。氧化碳外，甲烷菌也是重要因素之一。嗜热自养甲烷杆菌嗜热自养甲烷杆菌Methanobacterium thermoautotrophicum l0.2-1.0 mm x 1

18、.2-120 mmlOptimum temperature ranges from 35-70oClCells stain Gram negative嗜热甲烷杆菌嗜热甲烷杆菌l1997年测序完成，基因组总长年测序完成，基因组总长1751377bp，约，约92%用于编码产物，用于编码产物，1855个可译框架个可译框架(ORF)，这些，这些ORF中中有有786个（个（42%）与细菌相似，有）与细菌相似，有241（13%）与真）与真核生物相似。核生物相似。l合成甲烷合成甲烷7步反应中也包含了三个操纵子：步反应中也包含了三个操纵子：mcr、mtr、mrtl基因组中很少发现可移动单元；无前噬菌体或质粒；

19、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；有有一个整合素基因；有409基因组成基因组成111个家族；基个家族；基因组有传感子激酶因组有传感子激酶应答调控子组成的系统。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与甲烷球菌的基因组差别很大嗜热甲烷杆菌嗜热甲烷杆菌 甲烷球菌甲烷球菌传感子激酶基因（个）传感子激酶基因（个）应答子调控基因（个）应答子调控基因（个）质粒质粒前噬菌体前噬菌体插入序列（插入序列（IS）整合因子整合因子149无无无无无无1无无无无2无无11195 酵母基因组酵母基因组l5.1 酿酒酵母是真核生物研究的良好模型酿酒酵母是真核生物

20、研究的良好模型l酿酒酵母与同为真核生物的动物和植物细胞具有很多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相同的结构，又容易培养，酵母被用作研究真核生物的的模式生物（模式生物（“万能模式生物万能模式生物”），也是目前被人，也是目前被人们了解最多的生物之一。们了解最多的生物之一。l在人体中重要的蛋白质很多都是在酵母中先被发现其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。和蛋白质加工酶。l酿酒酵母也是制作酿酒酵母也是制作培养基培养基中常用成分

21、酵母提取物的中常用成分酵母提取物的主要原料。主要原料。l酵母在单倍体和二倍体的状态下均能生长，并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。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酵母基因组全序列测定和酵母基因组概况基因组概况l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。l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

22、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。酵母基因组特点酵母基因组特点l开发阅读框大小从开发阅读框大小从100到大于到大于4000个密码子都有个密码子都有l染色体上基因分布密度高染色体上基因分布密度高 12068kb的全基因组序列中有的全基因组序列中有5885个编码专一性蛋白质的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开放阅读框。这意味着在酵母基因组中平均每隔2kb就存就存在一个编码蛋白质的基因，即整个基因组有在一个编码蛋白质的基因，即整个基因组有72的核苷

23、酸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。生物基因排列紧密。线虫基因组中：平均每隔线虫基因组中：平均每隔6kb存在一个编码蛋白质的基因；存在一个编码蛋白质的基因；人类基因组中：平均每隔人类基因组中：平均每隔30kb或更多的碱基才能发现一或更多的碱基才能发现一个编码蛋白质的基因。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。含子稀少。l所有染色体上基因密度都是相似。所有染色体上基因密度都是相似。l酵母的酵母的ORFs均匀地分布在染色

24、体的两条链上。均匀地分布在染色体的两条链上。l酵母基因组织图有酵母基因组织图有3种可能的方向排列：种可能的方向排列：头头-尾方向尾方向：两个相邻基因的头尾方向相同，转录：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。一个基因的启动子序列。头头-头方向头方向：两个转录方向相反的基因共用同一的：两个转录方向相反的基因共用同一的“启动子启动子”尾尾-尾方向尾方向：两个基因共用相同的：两个基因共用相同的“终止终止”序列序列5.4 酵母比较基因组学酵母比较基因组学l生物是从共同祖先演化而来的，所以对生命活

25、动有重要功能的基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，通过因的功能。模式生物中很多

26、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。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，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，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。究。本章结束本章结束