微生物的基因組結(jié)構(gòu)

1、第二節(jié) 微生物的基因組結(jié)構(gòu)基因組(genome)是指存在于細(xì)胞或病毒中的所有基因。細(xì)菌在一般情況下是一套基因，即單倍體(hoploid)；真核微生物通常是有二套基因又稱二倍體(diploid)。基因組通常是指全部一套基因。由于現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)許多非編碼序列具有重要的功能，因此目前基因組的含義實(shí)際上是指細(xì)胞中基因以及非基因的DNA序列組成的總稱，包括編碼蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)基因、調(diào)控序列以及目前功能還尚不清楚的DNA序列。但無論是原核還是真核微生物，其基因組一般都比較小(表)，其中最小的大腸桿菌噬菌體MS2只有3000bp，含3個基因。一般來說這些依賴于宿主生活的病毒基因組都很小。近年來對微生物基因組序列的測定

2、表明，能進(jìn)行獨(dú)立生活的最小基因組是一種生殖道枝原體，只含473個基因，通過與流感嗜血菌序列比較研究，提出了256個基因可能是維持細(xì)胞生命活動所必需的最低數(shù)量的假說。表 一些真核生物和原核生物的染色體DNA生 物 分子量（ Da ） 堿基對約數(shù) 長度（ mm ） 蛙 2.3 × 1010 6700 人 3 × 109 870 果蠅 8 × 107 24 脈孢菌 2.8 × 1010 4.5 × 107 大腸桿菌 2.5 × 109 3 × 106 1.0 噬菌體 T2 1.3 × 108 3 × 105 0

3、.056 噬菌體 3.2 × 107 5 × 104 0.016 多瘤病毒 3 × 106 注：真核生物的染色體 DNA 按單倍體計。 微生物基因組隨不同類型(真細(xì)菌、古生菌、真核微生物)表現(xiàn)出多樣性，下面分別說明。一、大腸桿菌的基因組 大腸桿菌基因組為雙鏈環(huán)狀的DNA分子，在細(xì)胞中以緊密纏繞成的較致密的不規(guī)則小體形式存在于細(xì)胞中，該小體稱為擬核(nucliod)，其上結(jié)合有類組蛋白蛋白質(zhì)和少量RNA分子，使其壓縮成一種手腳架形的(scaffold)致密結(jié)構(gòu)(大腸桿菌DNA分子長度是其菌體長度的1000倍，所以必須以一定的形式壓縮進(jìn)細(xì)胞中)。大腸桿菌及其它原核細(xì)胞

4、就是以這種擬核形式在細(xì)胞中執(zhí)行著諸如復(fù)制、重組、轉(zhuǎn)錄、翻譯以及復(fù)雜的調(diào)節(jié)過程。基因組全序列測定于1997年由Wisconsin大學(xué)的Blattner等人完成，其基因組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：大腸桿菌和其它原核生物中基因數(shù)基本接近由它的基因組大小所估計的基因數(shù)(通常以1000bp1500bp為一個基因計，說明這些微生物基因組DNA 絕大部分用來編碼蛋白質(zhì)、RNA；用作為復(fù)制起點(diǎn)、啟動子、終止子和一些由調(diào)節(jié)蛋白識別和結(jié)合的位點(diǎn)等信號序列。原核生物的基因調(diào)控系統(tǒng)是由一個操縱子(operon)和它的調(diào)節(jié)基因(regulator gene)組成的。一個操縱子又包含3種基因，即結(jié)構(gòu)基因(structure gene

5、)、操縱基因(opera tor)和啟動基因(promotor)。結(jié)構(gòu)基因是通過轉(zhuǎn)錄和翻譯過程來執(zhí)行多肽(酶及結(jié)構(gòu)蛋白)合成的，操縱基因是與結(jié)構(gòu)基因緊密連鎖在一起的，是阻遏蛋白的附著部位，它能控制結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄的開放或關(guān)閉。啟動基因是轉(zhuǎn)錄的起始部位，是RNA多聚酶附著和啟動的部位。操縱基因和啟動基因不能轉(zhuǎn)錄RNA，不產(chǎn)生任何基因產(chǎn)物。調(diào)節(jié)基因一般與操縱子有一定間隔距離(一般小于100個堿基)，它是調(diào)節(jié)操縱子中結(jié)構(gòu)基因活動的基因。調(diào)節(jié)基因能轉(zhuǎn)錄出自己的mRNA，并經(jīng)翻譯產(chǎn)生阻遏蛋白，后者能識別和附著在操縱基因上。由于阻遏蛋白與操縱基因的相互作用可使DNA雙鏈無法分開，阻擋了RNA聚合酶沿著結(jié)構(gòu)基因

6、移動，從而關(guān)閉了結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄。大腸桿菌總共有2584個操縱子，基因組測序推測出2192個操縱子。其中73%只含一個基因，16.6%含有2個基因，4.6%含有3個基因，6%含有4個或4個以上的基因。大腸桿菌有如此多的操縱子結(jié)構(gòu)，可能與原核基因表達(dá)多采用轉(zhuǎn)錄調(diào)控有關(guān)，因?yàn)榻M成操縱子有其方便的一面。此外有些功能相關(guān)的RNA基因也串聯(lián)在一起，如構(gòu)成核糖核蛋白體的三種RNA基因轉(zhuǎn)錄在同一個轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物中，它們依次是16SrRNA23SrRNA5SrRNA。這三種RNA除了組建核糖體外，別無他用，而在核糖體中的比例又是111，倘若它們不在同一個轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物中，則或者造成這三種RNA比例失調(diào)，影響細(xì)胞功能；或者造

7、成浪費(fèi)；或者需要一個極其復(fù)雜、耗費(fèi)巨大的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)來保持正常的111。在大多數(shù)情況下結(jié)構(gòu)基因在基因組中是單拷貝的，但是編碼rRNA的基因rrn往往是多拷貝的，大腸桿菌有7個rRNA操縱子，其特征都與基因組的復(fù)制方向有關(guān)，即按復(fù)制方向表達(dá)。7個rrn操縱子中就有6個分布在大腸桿菌DNA的雙向復(fù)制起點(diǎn)oric(83分鐘處)附近，而不是在復(fù)制終點(diǎn)(33分鐘)附近，可以設(shè)想，在一個細(xì)胞周期中，復(fù)制起點(diǎn)處的基因的表達(dá)量幾乎相當(dāng)于處于復(fù)制終點(diǎn)的同樣基因的兩倍，有利于核糖體的快速組裝，便于在急需蛋白質(zhì)合成時，細(xì)胞可以在短時間內(nèi)有大量核糖體生成。大腸桿菌及其它原核生物(如枯草桿菌的rrn有10個拷貝)rrn多拷

8、貝及結(jié)構(gòu)基因的單拷貝，也反映了它們基因組經(jīng)濟(jì)而有效的結(jié)構(gòu)。 原核生物基因組存在一定數(shù)量的重復(fù)序列，但比真核生物少得多，而且重復(fù)的序列比較短，一般為440個堿基，重復(fù)的程度有的是十多次，有的可達(dá)上千次。二、啤酒酵母的基因組啤酒酵母是單細(xì)胞真核生物，1996年，由歐洲、美國、加拿大和日本共96個實(shí)驗(yàn)室的633位科學(xué)家的艱苦努力完成了全基因組的測序工作，這是第一個完成測序的真核生物基因組。該基因大小為13.5×106bp，分布在16個不連續(xù)的染色體中(表8-2)。每一條染色體只含有一條線狀雙鏈DNA。啤酒酵母基因組特點(diǎn)：1，高度重復(fù)：tRNA基因在每條染色體上至少有4個，多則30多個，共約250個拷貝。rRNA基因只位于號染色體的近端粒處，每個長9137bp，有100200個拷貝。2，沒有明顯的操縱子結(jié)構(gòu)，有間隔區(qū)或內(nèi)含子序列。3，基因組上有許多較高同源性的DNA重復(fù)序列(即遺傳豐余，genetic redundancy)。其意義可能是在份數(shù)這么多的豐余基因中，如果有少數(shù)基因突變而失去功能的話，可不影響生命的生存；也許是為了適應(yīng)復(fù)雜多變的環(huán)境，多余的基因可使生物體能夠在不同的環(huán)境中分別使用多個功能相同或者相似的基因產(chǎn)物，做到有備無患。此外，真核微生物還存在遺傳物質(zhì)如線粒體DNA等。三、古生菌-詹氏甲烷球菌的基因組 1，幾乎有一半基因在現(xiàn)有