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不讲了CHAP2微生物分子遗传

'不讲了CHAP2微生物分子遗传'
CHAP2 微生物分子遗传学基础一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 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。l 1.3 微生物基因组学与系统生物学: l 一门新兴的学科。l 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。l “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l 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)l 噬菌体ΦX174的基因组5.3kb(1977)l 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)l 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l 3.1 细菌基因组基本特点l 3.1.1 长的可译框架(ORF)l 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)。 l 3.1.2 高密度基因l 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)l 3.1.4 原核基因组中GC的含量l 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。l 3.2 大肠埃希菌基因组l K-12 MG1655、O157:H7 Sakai、O157:H7 EDL933测序由美国和日本小组于1977年完成。l E.coli K-12是实验室常用菌株,无致病性;l 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)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。l (1) E.coli K-12 MG1655 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 可分为20多个功能群(表2.2)l (2) E.coli基因组序列的特征l 重复序列(表2.3)l 转座单元l 前噬菌体序列l 菌株特异片段l 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。l 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。l 前噬菌体:整合到细菌基因组中的噬菌体 DNAl 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l 3.3.流感嗜血杆菌基因组l 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。 l 是第一个获得基因组全序列的细胞型生物.l 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----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 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(Pyrodictium)能够在高达113℃的温 度下生长。古菌域(Archaea)-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) 4.1嗜盐菌l 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。l 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。l 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。l Halobacterium 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3个环状复制子:染色体、质粒 pNRC200、质粒pNRC100 l 质粒pNRC200与质粒pNRC100 特点:l 76%序列相同,同源性高。l 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l 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。l 嗜盐菌rRNA操纵子结构也与真细菌相似: 5S rRNA---16SrRNA----tRNA 23S rRNA---5SrRNA----tRNAl 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l 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。l 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。l 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 l 0.2 - 1.0 mm x 1.2 - 120 mm l Optimum temperature ranges from 35 - 70oC l Cells stain Gram negative嗜热甲烷杆菌l 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。l 合成甲烷7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; 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) 14 无应答子调控基因(个) 9 无质粒 无 2前噬菌体 无 无插入序列(IS) 无 11整合因子 1 195 酵母基因组l 5.1 酿酒酵母是真核生物研究的良好模型l 酿酒酵母与同为真核生物的动物和植物细胞具有很多 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。l 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。 l  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。 l 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l 开发阅读框大小从100到大于4000个密码子都有l 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。 l 所有染色体上基因密度都是相似。l 酵母的ORFs均匀地分布在染色体的两条链上。l 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l 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CHAP2 微生物分子遗传学基础一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 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。l 1.3 微生物基因组学与系统生物学: l 一门新兴的学科。l 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。l “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l 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)l 噬菌体ΦX174的基因组5.3kb(1977)l 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)l 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l 3.1 细菌基因组基本特点l 3.1.1 长的可译框架(ORF)l 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)。 l 3.1.2 高密度基因l 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)l 3.1.4 原核基因组中GC的含量l 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。l 3.2 大肠埃希菌基因组l K-12 MG1655、O157:H7 Sakai、O157:H7 EDL933测序由美国和日本小组于1977年完成。l E.coli K-12是实验室常用菌株,无致病性;l 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)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。l (1) E.coli K-12 MG1655 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 可分为20多个功能群(表2.2)l (2) E.coli基因组序列的特征l 重复序列(表2.3)l 转座单元l 前噬菌体序列l 菌株特异片段l 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。l 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。l 前噬菌体:整合到细菌基因组中的噬菌体 DNAl 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l 3.3.流感嗜血杆菌基因组l 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。 l 是第一个获得基因组全序列的细胞型生物.l 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----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 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(Pyrodictium)能够在高达113℃的温 度下生长。古菌域(Archaea)-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) 4.1嗜盐菌l 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。l 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。l 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。l Halobacterium 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3个环状复制子:染色体、质粒 pNRC200、质粒pNRC100 l 质粒pNRC200与质粒pNRC100 特点:l 76%序列相同,同源性高。l 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l 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。l 嗜盐菌rRNA操纵子结构也与真细菌相似: 5S rRNA---16SrRNA----tRNA 23S rRNA---5SrRNA----tRNAl 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l 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。l 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。l 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 l 0.2 - 1.0 mm x 1.2 - 120 mm l Optimum temperature ranges from 35 - 70oC l Cells stain Gram negative嗜热甲烷杆菌l 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。l 合成甲烷7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; 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) 14 无应答子调控基因(个) 9 无质粒 无 2前噬菌体 无 无插入序列(IS) 无 11整合因子 1 195 酵母基因组l 5.1 酿酒酵母是真核生物研究的良好模型l 酿酒酵母与同为真核生物的动物和植物细胞具有很多 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。l 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。 l  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。 l 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l 开发阅读框大小从100到大于4000个密码子都有l 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。 l 所有染色体上基因密度都是相似。l 酵母的ORFs均匀地分布在染色体的两条链上。l 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l 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CHAP2 微生物分子遗传学基础一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 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。l 1.3 微生物基因组学与系统生物学: l 一门新兴的学科。l 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。l “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l 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)l 噬菌体ΦX174的基因组5.3kb(1977)l 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)l 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l 3.1 细菌基因组基本特点l 3.1.1 长的可译框架(ORF)l 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)。 l 3.1.2 高密度基因l 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)l 3.1.4 原核基因组中GC的含量l 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。l 3.2 大肠埃希菌基因组l K-12 MG1655、O157:H7 Sakai、O157:H7 EDL933测序由美国和日本小组于1977年完成。l E.coli K-12是实验室常用菌株,无致病性;l 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)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。l (1) E.coli K-12 MG1655 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 可分为20多个功能群(表2.2)l (2) E.coli基因组序列的特征l 重复序列(表2.3)l 转座单元l 前噬菌体序列l 菌株特异片段l 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。l 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。l 前噬菌体:整合到细菌基因组中的噬菌体 DNAl 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l 3.3.流感嗜血杆菌基因组l 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。 l 是第一个获得基因组全序列的细胞型生物.l 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----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 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(Pyrodictium)能够在高达113℃的温 度下生长。古菌域(Archaea)-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(Archa
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