微生物基因组

体全基因组序列进行分析、比较和注释的新兴学科。

基因组（genome）序列为我们提供了有机体的最基本信息，序列 中的基因和调控位点就是该有机体的“零部件”和“运行指令”，
同时它还提供该有机体进化方面的线索，序列就自然而然地成为
研究诸多新物种的出发点。

基因组学是二十世纪医学和生物学飞跃发展中最激动人心的成果
CO2固定、固氮、硫 单细胞蓝细菌、丝状 氧化 和氢代谢等 蓝细菌、原绿藻等
四 微生物基因组的特点
类别 染色体结构 特征 多为一条环状闭合双链DNA
基因组大小
编码序列 GC含量
从0.16-13Mb 占基因组总长度的90%，平均为1Kb左 右
16.6%-74.9%
DNA链组成的非 GCskew、ATskew、基因方向性偏好、 对称分布 密码子使用偏好
研究现况及内容
细菌 病原菌 研究内容 代表菌株
毒力因子、致病岛、 肺炎链球菌、致病性 耐药基因、耐药机制 大肠杆菌、沙门氏菌等 以及与寄主的关系等
极端环境 生长的细 菌 工业和环 境有影响 的细菌
极端环境下的生存 詹氏甲烷球菌、热自 机制，如嗜热菌的热 养甲烷杆菌、甲烷嗜热 稳定性 菌、腾冲嗜热菌等
五 微生物基因组计划概况
1 微生物基因组对人类基因组的影响

微生物基因组相对较小，易于操作，它的研究比人类 基因组计划先行一步，起到了“开路先锋”的作用 微生物基因组学所取得的理论和技术进展，为人类基 因组计划提供了及有益的借鉴 微生物基因组计划的发展，可以为研究人类未知基因 的功能提供宝贵的线索
其次，国内目前各个医学教育单位还没有 一个完全系统化的人才培养体系，从事此 行业的人员大多来自其他医疗科室，由于 对于临床基因诊断特殊性的不了解和相关 技术的不熟悉，不能完全发挥出此项技术 的全部能量，特别是由于缺乏统一的技术 规范，使得各个实验的结果可比较性很难 控制，相关数据无法公用，造成严重的资 源浪费。
七 微生物基因组研究进展

微生物基因组研究的现状
鉴于微生物在多领域发展中具有重要价值, 因此许多国家纷纷制 订了微生物基因组研究计划。一些国家首先对人类重要病原微生物进 行了大规模的序列测定, 另外, 还对有益于能源生产、改善环境以及 工业加工的细菌开展了基因组序列测定工作。
1 模式微生物研究 其目的在于利用模式生物基因组与人类基因 组之间编码顺序和组织结构上的同源性, 用单一 或简单的生物模式阐明高等生物特别是人的基因 在结构、功能以及物种进化上的内在联系。 2 最小基因组研究 目前研究最小基因组的手段主要是插入基因 突变和同源重组删除基因分析。
（2）设计特异的实验诊断方法
实验技术
PCR
杂交技术

应用
鉴定病原种类进行临床诊断
病原分型的流行病学研究
预测疾病进展及临床疗效
（3）疫苗的研究 通过全基因组序列的同源性比较，寻找致病菌的 属特异、群特异、种特异、型特异、甚至亚型特 异的抗原 Pizza等和Tettelin等对血清型B脑膜炎奈瑟菌近 350种抗原的研究 Wizemann等对肺炎链球菌的基因组的抗原性蛋白 研究

பைடு நூலகம்
一些模式生物，如大肠杆菌和酿酒酵母菌，本身就是 人类基因组计划的研究内容 人类基因组计划的强大资金投入和在人类基因组计划 中发展和完善起来的生物信息学技术又极大地促进了 微生物计划的飞速发展 由于微生物种类的多样性，可以估计，人类在微生物 基因组的总测序量将会超过人类基因组计划

2 微生物基因组计划（MGP)
它的研究计划还包括和应用微生物学相关的生
3 测序微生物的类别

几乎所有类别的病毒


模式微生物
极端环境微生物 病原原核生物 环境降解微生物
4 微生物测序及分析流程图
六 微生物基因组研究的意义
1基因组研究在医学的应用
2基因组研究的生物技术应用
3环境微生物基因组学的生态学管理
微生物基因组学
学
目录
一基因组和基因组学的定义 二基因组学发展的历史 三微生物基因组研究概况 四微生物基因组的特点 五微生物基因组计划概况 六
微生物基因组研究的意义 七 微生物基因组研究进展
一 基因组和基因组学的定义

基因组学(genomics)来源于“genome”这个词,是一门对生命有机
技术上的三大发明：
（1）限制性核酸内切酶
（2）载体技术
（3）逆转录酶
三 微生物基因组研究概况
微生物基因组重要纪事 年限 1994年 1995年 1995年 1996年 1996年 1997年 事件 美国DOE启动MGP 《Science》发表了第一株细菌-流感嗜血杆 菌全基因组 发表了集胞藻菌株PCC6803的测序和注释 《 Science》发表了第一个完成的古细菌-詹 氏甲烷球菌全基因组序列 酵母基因组序列发表 大肠杆菌K-12基因组序列发表
（2）酶工业

耐热


耐热
耐寒 耐盐，降解塑料 降解塑料
（2）食品生物技术 基因组学与营养学 随着人类基因组测序工作的完成以及相应的功能基因组学研究手 段的建立，使今天的营养学研究可以更全面、更深入地集中在饮食与 基因相互作用这一重要基础课题上，并诞生了一门新兴学科——营养 基因组学(Nutrigenomics)。 基因组学在食品工业中的应用 一是基因组研究和生物技术在改良作物种植和开发中的应用。二 是食品发酵用高级微生物的开发，改善食品风味、功能特性。 （3）抗生物质
3 病原微生物基因组研究 目前病原微生物基因组研究的重点主要集中 在深化认识微生物之间关系的基础上寻找对付感 染的新措施; 利用微生物基因组寻找新的药物作 用靶位, 利用比较基因组技术对抗微生物药物进 行靶向设计; 寻找新的诊断试剂和诊断标记; 研 制新的疫苗。 4 生物信息学研究 生物信息学是用数理和信息科学的观点、理 论和方法, 通过处理和分析呈指数增长的生物学 数据, 来研究生命现象的一门新兴学科。
4
生物质能源与微生物和微生物基因组
1 基因组研究在医学的应
(1)致病相关基因的鉴定 致病物质多为病原体细胞壁成分、表面蛋白 和一些分泌性蛋白质,因此可以用PHD预测基因组 的跨膜蛋白 ，SIGNALP预测分泌性蛋白质。 致病相关基因的预测：功能相同的蛋白质往 往相邻并受共同的调控序列调控 ，同一菌种的 致病菌株与非致病菌株的基因组进行比较。
之一，并将为二十一世纪的医学和生物学打下了坚实的基础。
二 基因组学发展的历史
DNA双螺旋结构的提出 Sanger双脱氧末端终止法测序和DNA自动
测序仪的发明
PCR技术
生物信息学软硬件设施的发展
理论上的三大发现：
（1）DNA是遗传物质 （2） DNA的双螺旋结构 （3）遗传信息的传递方式
1994年:
动MGP;
美国DOE (Department of energy)启
MGP是对人类基因计划的延续，该计划主要是
对环境或能源相关，系统发生学相关，或具有 潜在商业应用性的微生物基因组进行完全测序， 目的是为了更好的了解地球上的微生物资源。 截至2003年4月，MGP已完成约100株微生物基 因组的测序。 物技术，如纤维素降解，碳吸收等等。
（2）微生物基因组在生物质制氢中的应用生物质制 氢技术可以分为 2类:一类是以生物质为原料利用热 物理化学原理和技术制取氢气，另一类是利用生物 途径转换制氢。
（3）沼气发酵中的微生物 我国的沼气发酵技术主要用于处理禽畜粪便和有 机废水。而发达国家则主要发展厌氧技术, 用于 处理禽畜粪便和高浓度有机废水 。
生产抗生素，用于人类，兽医和农业产生杀昆虫毒素蛋白，转基 因抗昆虫植物
3 环境微生物基因组学的生态学管理
（1）环境微生物基因组学

环境微生物基因组 是由 Handelsman等于 1998年提 出 ,意指生境中全部微小生物或样品中细菌和真菌基 因组总和。
（2）环境微生物基因组学研究过程

环境样品 DNA高效率提取纯化 克隆策略 筛选策略 富集策略
（3）环境微生物基因组学的生态作用


解析未培养微生物
土壤污染修复 畜禽养殖除臭 鉴定新物种 研究微生物种群与群落复杂性

研究物种进化模式
4 生物质能源与微生物和微生物基因组
（1）微生物基因组在燃料乙醇开发中的应用 燃料乙醇的生产过程包括 :木质素 、 纤维素 首先被转化成糖类 ,一般由微生物分泌的纤维素酶 完成;糖类在微生物作用下 , 经发酵作用转化成乙 醇。
（4）新型抗生素的开发
基因组学不但可以鉴定 、确证靶位,开发高通量 药物筛选系统 ,而且对于药物开发其他阶段如先 导物优化 、毒性研究 、临床研究等都有重要作 用。
2 基因组研究的生物技术应用
（1）生物降解作用


抵御放射性物质
降解单体或复合植物 聚合物，如木聚糖和纤维素 降解四氯乙烯

降解多种毒性有机废料，包括多种芳香族化合物
5 比较基因组学研究 比较基因组学是随着微生物基因组数据的增 多而发展起来的, 其最初目的是通过模式生物和 人类基因组的比较阐明高等生物特别是人的基因 在结构、功能以及物种进化上的内在联系。
国内本领域状况及主要差距
目前，国外先进国家在将基因组学技术实用 化方面，特别是用于人类疾病预防和诊断方面进 展非常快，目前在北美以及欧洲，基因诊断已经 成为一个正式的临床科室在各个医院开始门诊工 作，相关实验室检查也已经进入社会保险系统， 而在我国尽管基因技术在实验室上游工作中进展 十分迅速，但是如何利用这些成果为广大人民群 众以及社会作出实际的贡献还基本处于空白区， 虽然也有相关单位开展这方面的工作，但是由于 没有完善的标准和行业规范，效果很不理想，甚 至在部分地区产生了很大负面影响，严重影响了 相关基因诊断的声誉。