高溫菌16S rRNA與耐熱性關(guān)系初步研究

1、114微生物學(xué)通報(bào)2005年32(5)高溫菌16SrRNA與耐熱性關(guān)系的初步研究郭春雷成妮妮劉明河彭謙(臨沂師范學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院臨沂276005)1(云南省微生物研究所教育部微生物資源開放重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室昆明650091)21211,2333摘要:通過對80多種超高溫菌的基因組G+C含量,16SrRNAG+C含量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果顯示高溫菌耐熱性與基因組G+C含量之間沒有直接關(guān)系,而與16SrRNAG+C含量之間明顯存在正相關(guān)。16SrRNA18helix的二級結(jié)構(gòu)分析顯示高溫菌生長溫度越高,其16SrRNA熱穩(wěn)定性越高。關(guān)鍵詞:高溫菌,G+C含量,二級結(jié)構(gòu)中圖分類號:Q93文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:

2、025322654(2005)0520114204PreliminaryStudiesontheRelationships16S121LeiiU2HePENGQian(LCollegeofLinyiTeachersUniversity,Linyi276005)211,233(forMicrobialResourcesofMinistryofEducation,YunnanInstituteofMicrobiology,YunnanUniversity,Kunming650091)Abstract:ThegenomicG+CcontentandthesmallsubunitrRNAG+Ccont

3、entwereanalyzedformorethan80hyperthermophilicmicroorganismspecies1Theresultsillustratedthattheoptimalgrowthtemperaturesofhyper2thermophileswerenotcorrelatedwiththegenomicG+Ccontents,butcorrelatedwiththeG+CcontentsofsmallsubunitrRNA1Keywords:Hyperthermophiles,G+Ccontents,Secondarystructure溫度是影響生物生命活動(dòng)

4、最重要的環(huán)境因子之一。按照最適生長溫度的不同,大致可以將微生物分為低溫菌(<15),中溫菌(1560),高溫菌(6080),超高溫菌(>80)。自然界中大部分生物都屬于中溫菌。真核生物的最大生長溫度為60,在60以上最適生長的生物為原核生物,其中在80以上最適生長的超高溫菌絕大多數(shù)為古菌,只有少部分屬于細(xì)菌域中的Aquificales,Thermotogales。高溫菌一經(jīng)發(fā)現(xiàn),其耐熱性機(jī)制研究就成為高溫菌研究的熱點(diǎn)。在Waston2Crick堿基配對中,GC堿基對之間具有3個(gè)氫鍵,AT堿基對之間有兩個(gè)氫鍵,因此GC堿基對比AT堿基對在能量上更穩(wěn)定。1969年Brock在美國黃石國

5、家公園發(fā)現(xiàn)能在70以上生長的Thermus高溫菌,其基因組G+C含量高達(dá)67%。人們設(shè)想高溫菌基因組G+C含量可能與高溫菌耐熱性有關(guān)21。但隨著高溫菌研究的不斷深入,特別是超高溫菌的不斷發(fā)現(xiàn),人們相繼提出不同的觀點(diǎn)。有些超高溫菌最適生長溫度可達(dá)100以上,但其3國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No139960003,No130360004)ProjectGrantedbyChineseNationalNaturalScienceFund(No139960003,No130360004)33通訊作者Tel:86287125033543,Fax:86287125171975,E2mail:pengq20

6、02yahoo1com1cn收稿日期:2004212224,修回日期:20052032102005年32(5)微生物學(xué)通報(bào)115基因組G+C含量卻相對較低,如Pyrobaculumorganotr最適生長溫度為102,基因組G+C含量為46%,Prococcusfuriosus最適生長溫度100,基因組G+C含量僅有3813%,而迄今為止耐受溫度最高的Pyrolobusfumarii最高生長溫度可達(dá)113,其基3因組G+C含量也只有53%。本文對迄今為止有效發(fā)表的80多種超高溫菌的基因組和16SrRNA的G+C含量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,并進(jìn)一步從16SrRNA二級結(jié)構(gòu)方面認(rèn)識高溫菌耐熱性。結(jié)果顯示高溫

7、菌耐熱性與基因組G+C含量之間沒有直接關(guān)系,而與16SrRNAG+C含量之間明顯存在正相關(guān)。16SrRNA18helix的二級結(jié)構(gòu)分析顯示高溫菌生長溫度越高,其16SrRNA熱穩(wěn)定性越高。1材料與方法111數(shù)據(jù)采集基因組G+C含量,最適生長溫度(Topt)數(shù)據(jù)主要取自文獻(xiàn)4,5rRNAG+C含量通過各菌株的16SrDNAGenBankr算得出。112G+C,SPSS得出。16SrRNA6根據(jù)最低自由能原理計(jì)算繪圖。2結(jié)果與討論211基因組G+C含量、16SrRNAG+C含量與高溫菌最適生長溫度關(guān)系圖1分別是基因組G+C含量、16SrRNAG+C含量與高溫菌最適生長溫度關(guān)系圖。由圖1a可以看出基

8、因組G+C含量與最適生長溫度無明顯相關(guān)?；蚪MG+C含量分布范圍較廣(30%65%)。在圖1b中,16SrRNAG+C含量與最適生長溫度表現(xiàn)出一定程度的正相關(guān),并且16SrRNAG+C含量相對較高,分布范圍也較窄(62%70%)。圖1基因組、16SrRNAGC含量與最適生長溫度關(guān)系116微生物學(xué)通報(bào)2005年32(5)21216SrRNA第18螺旋(Helix18)二級結(jié)構(gòu)表1是細(xì)菌域中不同溫度生長范圍內(nèi)的6種嗜熱細(xì)菌16SrRNA第18螺旋(Helix18)二級結(jié)構(gòu)圖,對應(yīng)大腸桿菌16SrRNA400高變區(qū),能量值為作圖軟件RNAstruc26ture給出。由表1可以看出,在16SrRNA第

9、18螺旋區(qū),隨著生長溫度的升高,在堿基配對區(qū)域,堿基對數(shù)目特別是GC堿基對數(shù)目相應(yīng)增加,能量值逐漸降低,趨于更加穩(wěn)定。Aquifexpyrophilus為細(xì)菌域中目前已知最古老,生長溫度最高的高溫菌,其Helix18二級結(jié)構(gòu)在所比較的結(jié)構(gòu)中也最穩(wěn)定,能量值最低。表1嗜熱細(xì)菌16SrRNAHelix18二級結(jié)構(gòu)、能量值、最適生長溫度比較Species16SrRNAHelix18SecondaryStructureEnergy(kcal/mol)Topt()Aquifexpyrophilus-361985Thermocrinisruber-080Thermma-291280Thermusaquat

10、icus-201070Meiothermusruber-91560Chloroflexusaggregans-511553討論高溫菌耐熱性現(xiàn)在普遍認(rèn)為與組成生命體生物分子的熱不穩(wěn)定性有關(guān)。生物體組成分子有兩種:一是胞內(nèi)小分子物質(zhì)如NAD,NADPH,ATP等;一是生物大分子,主79要有蛋白質(zhì),核酸及脂類等。核酸是生物遺傳信息的攜帶者,由于高溫菌特殊的生存環(huán)境,其DNA也必須具有熱穩(wěn)定性?；蚪MDNA在細(xì)胞周期的大部分時(shí)間里與組蛋白、非組蛋白結(jié)合,同時(shí)細(xì)胞內(nèi)存在其它熱穩(wěn)定性因素,如熱休克蛋白,高K離子,DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶等,也可能參與穩(wěn)定DNA,因此基因組G+C含量可能不是高溫菌10,11DNA的

11、熱穩(wěn)定因素,更不是高溫菌耐熱性的因素。而對于16SrRNA甚至其它rRNA如23SrRNA、5SrRNA等由于其在蛋白質(zhì)合成過程中,核糖體不斷的組裝與解2005年32(5)微生物學(xué)通報(bào)117離,這些小分子RNA并不總是與其它分子如蛋白質(zhì)分子結(jié)合,因此這些rRNA自身必須具有相當(dāng)高的熱穩(wěn)定性,在核糖體的組裝過程中,rRNA能夠通過局部序列回折,配對形成雙鏈。由于GC堿基對在能量學(xué)上比AU堿基對穩(wěn)定,因此高G+C%可能在這類分子中起重要的熱穩(wěn)定性作用。參考文獻(xiàn)1和致中,彭謙,陳俊英1高溫菌生物學(xué)1北京:科學(xué)出版社,2001111012GaltierN,LobryJR1JMolEvol,1997,4

12、4:63263613HuberH,StetterKO1FEBSLetters,1998,64:395214HoltJG,KriegNR,SneathPHA,etal1BergeyManualofDeterminativeBacteriology,Baltimore,WilliamsandWilkins,199415BooneDR,CastenholzR1Bergeysmannualofsystematicbacteriology,2nded1Volumeone:Thearchaeaandthedeeplybranchingandphototrophicbacteria,Springer,200

13、116MathewsDH,SabinaJ,ZukerM,etal1JournalofMolecularBiology,1999,288:91194016DanielRM,CowanDA1CellMolLifeSci,2000,57:25026417郭春雷,彭謙1生物學(xué)雜志,2003,20:1218馬挺,劉如林1微生物學(xué)通報(bào),2002,29:868919StetterKO1FEBSletters,1999,452:2510HuberR,HuberH,Microgy:6156231計(jì)量單位時(shí)間:年用a;日用d;小時(shí)用h;分鐘用min;秒用s等表示。溶液濃度:用mol/L,不用M(克分子濃度)和N(當(dāng)量濃度)等非許用單位表示。旋轉(zhuǎn)速度:用r/min,不用rpm。蒸汽壓