基因组学提出的新问题

布氏疏螺旋体(Borrelia burgdorferi) (Ferdows & Barbour
1989)，随后在链霉菌(Streptomyces)和其它细菌中也都报 道了线形基因组的存在(Chen 1996)。
原核生物基因组的物理结构－质粒
• 原核生物另一个复杂性在于质粒的存在。E. coli含有 4.6 Mb大小的染色体，还有许多种质粒，其中没有一 种超过几kb。由于质粒所编码的功能并非宿主所必须，
• 这样，通过对它们基因组的比较研究使我们对操纵子原来
的理解产生了疑问，虽然我们不应过早地放弃操纵子在细
菌生化调节中起关键作用这一观点，但我们需要解释甲烷 球菌和Aquifex aeolicus中操纵子与众不同的原因。甲烷球菌
和Aquifex aeolicus是自养生物，它们能利用二氧化碳合成有
机物，这一点与许多微生物不一样，但还不清楚如何利用 这种种属间的相似性解释其操纵子结构。
第三部分 基因组学提出的新问题
• 原核生物基因组概述 • 几个原核生物的基因组 • 基因组的进化 • 微生物基因组学的应用
绪言
• WGS和其它基因组测序技术使我们在很短时间内了解了许多原 核生物基因组的特征。原核生物的许多基因组序列已经完成测 序，这些原核生物已经代表了自然界中存在的，系统发育的多 样性。 • 不同原核生物基因组的比较研究将极大地有助于我们对原核生 物进化的了解，从而最终帮助我们推断基因的功能。 • 基因组序列还将帮助我们了解遗传调控以及基因组组织。
• 碱基组成是O岛和K岛最显著的特征之一，绝大多数O岛和 K岛序列的4种碱基的比例同“骨干”序列中的碱基组成并
不相同，而且，其中的很多基因都能在其他物种和病毒中
找到相应的直系同源基因。因此，这两个基因组中的很大 一部分都可能是从其他物种的基因组中水平转移而来的。
• 这两个基因组之间的显著性差异给我们提出了一个问题，
因此可将主染色体定义为“基因组”。
• 布氏疏螺旋体(Borrelia burgdorferi)的线性染色体长910 kb，含有853个基因，此外至少有17个线形或环状质粒，
它们共有533 kb长，含至少430个基因(Fraser et al.
1997)。
多成分的基因组
• 布氏疏螺旋体质粒上携带的这些基因大多数被认为是孤独基因， 但被鉴定的基因中却有一些是必须的，如膜蛋白和嘌呤生物合 成的基因，这意味着疏螺旋体的17个质粒中至少有一部分是基 因组的基本成分。因此一些微生物可能有多成分的基因组，包 括许多独立游离的DNA分子，它们更接近于真核细胞核所见到 的成分而不是典型的原核生物的基因组形式。 • 然而，对疏螺旋体基因组的这种解释仍有争论，与疏螺旋体相 关的苍白密螺旋体的基因组是单个环行DNA分子，长1138kb,含 1041个基因(Fraser et al.1998), 经比较，与疏螺旋体质粒中的任
研制和治疗等临床应用都非常有价值。
普氏立克次氏体
• 普氏立克次氏体是α－变形细菌的成员，它是一种虱和人的 专性细胞内寄生菌。感染普氏立克次氏体所导致斑疹伤寒在 第一、二次世界大战中夺去了数百万人的生命。 • 许多微生物学家认为当α－变形细菌与真核细胞的祖先建立 共生关系时，便产生了线粒体。普氏立克次氏体的基因组序 列支持这种看法。普氏立克次氏体编码蛋白的基因表现出了 与线粒体基因的相似性。虽然其基因组中缺乏糖酵解基因， 但是有TCA循环和电子转移的基因存在。并且它的ATP合成 方式与线粒体相同。 • 立克次氏体和线粒体都缺乏合成许多氨基酸和核苷酸的基因， 这与独立生活的α－变形细菌的情况相反，所以我们可以推 测真核生物中的好氧呼吸来自于立克次氏体的祖先。
• 2001年1月，Blattner的实验室完成了对1982年分离得到的O157：H7菌
株的全基因组测序。
• 结果表明：其基因组包含有一个5.5Mb的环状染色体。其中，4.1Mb形
成的“骨干”在O157：H7和K-12中是非常保守的。但是，在O157：
H7中含有一个1.3Mb的“O岛”，在K-12中没有发现这个片段，但是在 K-12基因组中包含一个0.53Mb的“K岛”是O157：H7所没有的。在O
• 该基因组中也具有很多重复序列，这些重复序列对修复
过程也可能非常重要。 • 另外，在该菌中有许多基因的功能未知，或许其中一些 基因有助于该菌对放射作用的异常抗性。
大肠杆菌致病菌株
某些大肠杆菌菌株能引起人类疾病。1983年，密歇根暴 发了一场疾病，其病原菌就是没有烧熟的汉堡包中所含有的 大肠杆菌菌株O157：H7。从那时起，全世界都报告了O157： H7会引起偶发性的致死的出血结肠炎，其中美国每年发生 75000例新发病症。除了通过受到感染的牛肉传播以外， O157：H7还可能通过生的水果和蔬菜，受到污染的水源以 及人与人之间的接触传播，这使得它有可能在某些地区造成 大规模的传染病。因此，了解O157：H7的基因组将有助于 更好地诊断和治疗。
Aquifex aeolicus基因组中典型的操纵子
基因功能：gatC，谷氨酰tRNA转移酶C亚单位，参与蛋白合成；
recA，重组蛋白RecA; pilU，抽动蛋白; cmk，胞苷酸激酶，参与胞苷酸合成； pgsA，磷脂酰甘油磷酸合成酶，参与脂合成； recj，单链特异的内切核苷酶RecJ，是另外一种重组蛋白。
• 这么小的差异听起来似乎是微不足道的，但是，野生型的
血红蛋白和囊性纤维化变性膜透性调节蛋白同致病型蛋白 的差异也仅仅只有一个氨基酸而已。O157：H7和K-12之 间致病性的差异可能也就是由这些很细微的核苷酸变化所 造成的。
• O157：H7基因组序列数据库中有两个空缺是在基因组序列 被公布之后才填补上去的，但是任务还没有完全结束。 O157：H7的不同分离菌种表现出了不同的限制性图谱，因 此它们的基因组序列也将是不同的，这些差异性可能同疾病 的不同症状有关，同时这也可以帮助我们推导许多未知基因 的功能信息。 • 因此，研究O157：H7的全基因组序列对于临床诊断、疫苗
生殖道支原体的基因组图谱，图中不同的颜色表示基因的不同功能
• 通过与近亲肺炎支原体基因组比较，并用转座子插入失活
的方法进行研究表明，大约有108到121个基因对于生殖道 支原体的存活是非必需的。因此，在实验室条件下生长所
需要的最少基因似乎是265到350个基因，这其中有100个基
因功能未知(Mushegian & Koonin 1996)。 • 不过，根据现在对越来越多的支原体基因进行突变实验表 明，其生长所需至少要300个基因。
我们怎么样才能准确定义“物种”和“菌株”呢？那些旧 的定义在不久之前看起来还很正确，但是基因组序列迫使 我们重新考虑这个问题。
• 因为O157：H7和K-12的“骨干”序列中有75%是保守的， 你也许会认为“骨干”序列中的大部分基因所编码的蛋白
质都应该是一样的，但是很有趣的是，只有大约25%的
“骨干”基因编码了完全相同的蛋白质，其余的蛋白质都 发生了变异。
最小基因组
• 生殖道支原体生长在人的生殖道和呼吸道，它的基因组 只有580kb，这是自由生活的有机体中最小的基因组之 一，这样的序列资料是很令人感兴趣的，因为它可以帮 助我们建立一个自由生活的生物所需的最少基因究竟是 多少的概念。 • 该菌有大约517个基因(480个蛋白编码基因和37个RNA 编码基因)，其中大约90个蛋白与翻译有关，与DNA复 制有关的只有29个。有趣的是，生殖道支原体的膜蛋白 编码基因有140个(占该基因组29%的序列)。 • 甚至在这样的小基因组中，还仍有22％的基因不与已知 的序列同源。
基因组序列的比较显示出很大的差异
• 大肠杆菌(4288)与同属于变形细菌纲的流感嗜血杆菌(1743个 基因)有1130个相同的基因，而大肠杆菌与集胞蓝细菌 PC6803则只有675个类似的基因，与生殖道支原体只有468个 类似的基因。这四种细菌一共只有111个蛋白是相同的。
• 大肠杆菌更不同于詹氏甲烷球菌(只有231个类似的基因)和酿 酒酵母(254个类似的基因)。在以上所提到的6种微生物中， 只有16种蛋白(几乎都是翻译蛋白，例如：核糖体蛋白和氨 酰基合成酶)基本是相同的。 • 基因组序列的比较显示出很大的差异，说明了在进化过程中 存在着很多基因丢失和改变的事件。
区分种属的基因
• 寻找可以作为区分种属的“区别”基因同样有意义。生殖道
支原体中有350基因个也存在于与其亲缘关系很远的枯草杆 菌中(Doolittle 1997)。这表明使支原体与别的细菌得以区别
的生化和结构特征是由前者特有的大约100多个基因编码的。
• 遗憾的是，对这些“区别”基因的鉴定并没有为支原体之所 以成为支原体而非其它物种，提供一条明显的线索。
何基因似乎都没有同源性。
原核生物基因组遗传组成的复杂性
• E. coli基因组中大约有600个操纵子，每个操纵子含2个到3个基 因。大多数操纵子中基因功能是相关的，编码一组蛋白质，参 与一个生化过程，如乳糖的利用和色氨酸的合成。 • 但是在甲烷球菌和另一种菌Aquifex aeolicus的操纵子中的基因 产物却几乎没有什么联系。例如，A. aeolicus基因组中的一个操 纵子含有6个相连的基因，编码2种参与DNA重组的蛋白、一个 用于蛋白质合成的酶、一个运动蛋白、一个参与核苷酸合成的 酶以及一个参与脂质合成的酶(Deckert et al. 1998)。甲烷球菌也 存在类似的操纵子结构。在这两种细菌中，操纵子表达所产生 的酶并非参与同一个生化通路。
• 异常球菌是一种很让人感兴趣的土壤细菌。因为它能 在高剂量的放射性物质照射下存活，而这种剂量比使 人致死的剂量还要高出几千倍。通过研究表明，该菌 是通过将断裂的染色体缝合在一块从而得以存活。 • 基因组测序表明，该菌的基因组是由两个大小不同的
环状染色体(2.6M和0.4M)、一个大质粒(177，466bp)和
些预测与原核生物基因组的物理结构和遗传组成都有关系。
原核生物基因组的物理结构－染色体
• 染色体的结构特征是区分原核细 胞与真核细胞的一项主要特征。
传统观点认为，典型的原核生物
基因组是一个环状DNA分子， 位于类核中。
线性基因组的发现
• 虽然，大部分的细菌和古细菌的染色体的确是环形的， 但也发现了越来越多的线形基因组。其中最先发现的是
一个常规的质粒(45,704bp)组成。
• 因为异常球菌对放射性有很强的抗性，人们一般会认为 该基因组应该会有一些十分特殊的DNA修复基因。但基 因组测序表明，异常球菌的DNA修复机制和别的细菌一
样，它的不同之处只是在于它有更多的修复基因。例如，
大多数有机体只有一个mutT基因(从基因和消除氧化的核 苷酸有关)，而异常球菌却有20个类似的基因。
几种原核生物的基因组
• 目前已测序的许多原核生物通常通常是人类病原菌，或者 是具有特殊生物学兴趣的微生物。近来对这些生物基因组
的研究已经产生了一些有Βιβλιοθήκη Baidu的发现，下面我们就将以那些
从基因组中能获得重要信息的种类作为例子来进行一些简 单的讨论，来看一看这些有趣的发现。
异常球菌（Deinococcus）
• 因为原核生物和人类之间存在生物化学的相似性，这样的信息
也可帮助我们确定人类基因的功能。
詹氏甲烷球菌
耐放射奇异球菌 生殖道枝原体 砂眼衣原体 梅毒密螺旋体
普氏立克次氏体
已测序的原核生物已经代表了自然界中存在的，系统发育的多样性。
原核生物基因组结构的复杂性
• 通过研究已测序的原核生物基因组的序列，我们对原核生 物基因组组织和功能有了很多新的和重要的了解。 • 同时随着对微生物基因组认识的不断深入，我们对微生物 学的前基因组时代已成定式的几个预测也提出了疑问。这
岛和K岛中，大约只有一半的基因功能是可以预测的。这两个岛散布在
整个基因组中，其中O岛拥有1387个基因(基因组总共有5416个基因）， 这些基因是K岛所没有的，同样地，K岛上也有528个基因是O157：H7 所没有的。许多O157：H7所特有的基因都被预测为毒素基因，因为它 们编码了毒素、代谢通路、转运物和附着分子。反过来，K-12中也有 一些基因被预测为有毒性的，但是因为它不是人类的病原体，这可能 说明K-12是一个非人类宿主的病原体，或者K-12正在进化成为人类的 病原体，或者这些基因的功能可能同致病性无关。