生物信息學(xué)在微生物研究領(lǐng)域中的應(yīng)用

1、生物信息學(xué)及其在微生物研究領(lǐng)域中的應(yīng)用摘要：生物信息學(xué)是在生命科學(xué)、計算機(jī)科學(xué)和數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)上逐步發(fā)展而形成的一門新興的邊緣學(xué)科，它以核酸和蛋白質(zhì)為主要研究對象，以數(shù)學(xué)、計算機(jī)科學(xué)為主要研究手段，對生物學(xué)實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取、加工、存儲、檢索與分析，從而達(dá)到揭示數(shù)據(jù)所蘊(yùn)含的生物學(xué)意義的目的。生物信息學(xué)的飛速發(fā)展，為其他生命學(xué)科的研究提供了新的平臺。隨著生物研究的深入以及計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，生物信息學(xué)迅速發(fā)展并在各個方面起著不可或缺的作用。本文敘述了生物信息學(xué)的發(fā)展及應(yīng)用。隨著微生物基因組、蛋白質(zhì)組的數(shù)據(jù)日益豐富，生物信息學(xué)方法在分子微生物學(xué)研究中應(yīng)用越來越廣泛，如在微生物鑒定、溯源分析、新型疫苗研究，

2、以及微生物致病機(jī)理等方面，有著廣泛的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：生物信息學(xué)， 微生物學(xué)正文：隨著人類基因組計劃（HGP）的實施，生物信息學(xué)應(yīng)運而生，成為21世紀(jì)自然科學(xué)的核心領(lǐng)域，同時推動生物信息學(xué)的建立。微生物因其分布廣、種類多、易繁殖和變異、遺傳基因多樣性等特點，被廣泛用作“模式生物” 來研究，極大地促進(jìn)了生物信息學(xué)的發(fā)展。人們在深入研究自然環(huán)境中微生物群落、結(jié)構(gòu)、功能與動態(tài)，研究污染環(huán)境中的微生物生態(tài)、通過環(huán)境微生物學(xué)的方法和院里進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測與評價、研究并闡明微生物、污染物與環(huán)境三者之間的相互關(guān)系與作用規(guī)律，對保護(hù)環(huán)境、造福人類社會具有十分重要的意義。近十年來測序技術(shù)蓬勃發(fā)展，自1995年第一株細(xì)菌全

3、基因組被測序以來，已有幾百株細(xì)菌的基因組全序列發(fā)表，另有諸多細(xì)菌的全基因組測定工作正在進(jìn)行中。據(jù)信，當(dāng)今的測序技術(shù)有能力在一周之內(nèi)完成對某一細(xì)菌全基因組的測序、拼接過程。在這樣的背景下，如何挖掘、利用這些已有的序列數(shù)據(jù)，將它們轉(zhuǎn)化為生物學(xué)知識，似乎已成為比測序本身更有意義的工作，生物信息學(xué)家也發(fā)展了一些有價值的程序來幫助微生物學(xué)家理解這些海量的數(shù)據(jù)。1.微生物信息學(xué)的建立與發(fā)展自人類基因組計劃實施以來，生物信息學(xué)得到了飛速發(fā)展，并有力地推動了分子微生物學(xué)的研究，促進(jìn)了微生物基因組學(xué)、微生物功能基因組學(xué)和微生物結(jié)構(gòu)基因組學(xué)的簡歷和發(fā)展。HGP的主要目標(biāo)是測定人類基因組全部序列，進(jìn)而闡明基因所處的

4、位置、結(jié)構(gòu)、功能、表達(dá)調(diào)控方式以及重大疾病的致病機(jī)理。為完成人類基因組特別是功能基因組計劃，相繼啟動了模式生物基因組計劃。一些微生物諸如愛惜是大腸桿菌、嗜血流感菌、釀酒酵母等模式微生物研究發(fā)揮了重要作用。對這些模式微生物基因組的研究，不僅是微生物自身研究領(lǐng)域的重大突破和發(fā)展，也是對生物信息學(xué)內(nèi)容的豐富和補(bǔ)充。目前，國際上公認(rèn)的生物信息學(xué)的主要研究內(nèi)容大致包括以下方面：生物信息的收集、儲存、分析、管理和提供；基因組序列信息的提取和分析；功能基因組相關(guān)信息分析；生物大分子結(jié)構(gòu)模擬和藥物設(shè)計；生物信息分析的技術(shù)與方法研究；應(yīng)用與發(fā)展研究。生物信息學(xué)的研究內(nèi)容隨著基因組的研究而發(fā)展，長時間以來，生物信

5、息學(xué)一直被認(rèn)為是一個建立在DNA和蛋白質(zhì)序列比較基礎(chǔ)上的學(xué)科，目的是發(fā)現(xiàn)進(jìn)化關(guān)聯(lián)，并由此進(jìn)行功能比較。從最近兩年來的生物信息學(xué)研究論文發(fā)表統(tǒng)計情況可以看出，在后基因組時代，生物信息學(xué)的主要研究內(nèi)容為比較基因組學(xué)、代謝網(wǎng)絡(luò)分析、基因表達(dá)譜網(wǎng)絡(luò)分析、蛋白質(zhì)組技術(shù)、數(shù)據(jù)分析處理、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能分析以及藥物靶點篩選等，分別與功能基因組、蛋白質(zhì)組、結(jié)構(gòu)組研究領(lǐng)域相互配合，緊密相關(guān)，成為目前極其熱門的系統(tǒng)生物學(xué)研究的重要基石。2主要數(shù)據(jù)庫. 數(shù)據(jù)庫是生物信息學(xué)的主要內(nèi)容，各種數(shù)據(jù)庫幾乎覆蓋了生命科學(xué)的各個領(lǐng)域。截止至2010年，生物信息數(shù)據(jù)庫總數(shù)已達(dá)1230個。生物信息數(shù)據(jù)可可分為一級數(shù)據(jù)庫和二級數(shù)據(jù)庫

6、。一級數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)都直接來源于實驗獲得的原始數(shù)據(jù)，只經(jīng)過簡單的歸類整理和注釋，如Genbank數(shù)據(jù)庫、SWISS-PROT數(shù)據(jù)庫；二級數(shù)據(jù)庫是在一級數(shù)據(jù)庫、實驗數(shù)據(jù)和理論分析的基礎(chǔ)上針對特定目標(biāo)衍生而來，是對生物學(xué)知識和信息的進(jìn)一步整理，如人類基因組圖譜庫GDB。 在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中常用的生物信息數(shù)據(jù)庫主要有：核酸類數(shù)據(jù)庫，如NCBI核苷酸序列數(shù)據(jù)庫(Gen Bank )、歐洲核苷酸序列數(shù)據(jù)庫(EMBL)、日本DNA數(shù)據(jù)庫(DDB)等；蛋白相關(guān)數(shù)據(jù)庫，如蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(SWISS-PROT)、蛋白質(zhì)信息資源庫(HR)、Entrez的蛋白三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(MMDB)、蛋白質(zhì)交互作用數(shù)據(jù)庫(DIP)等；疾病

7、相關(guān)數(shù)據(jù)庫，包括綜合臨床數(shù)據(jù)庫，如NCBI疾病基因數(shù)據(jù)庫、Gene Cards等；遺傳性疾病數(shù)據(jù)庫，如遺傳性疾病數(shù)據(jù)庫(GDB)、人類遺傳性疾病數(shù)據(jù)庫(Gene Dis)等；腫瘤相關(guān)數(shù)據(jù)庫，如腫瘤基因組解剖工程(CGAP)等；心血管疾病相關(guān)數(shù)據(jù)庫，如心血管疾病相關(guān)生物醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)庫(Cardio)、心臟疾病計劃及臨床決策支持系統(tǒng)(HDP &CDM)等；免疫性疾病數(shù)據(jù)庫，如免疫功能分子數(shù)據(jù)庫( HMM)、免疫缺陷資源庫(IDR)等；藥物相關(guān)數(shù)據(jù)庫，如藥物和疾病數(shù)據(jù)庫(Drugs)、FDA藥品評審與研究中心(CDER)等。3.微生物基因組學(xué)基因組序列測定使微生物研究手段發(fā)生了革命性改進(jìn)。由于細(xì)菌基因組

8、規(guī)模較小，因此完成測序的較多。目前在微生物基因組庫中已經(jīng)有326條細(xì)菌、25條古菌、76條真菌的全基因組數(shù)據(jù)，包括大腸桿菌、釀酒酵母等模式微生物在內(nèi)的多種微生物全基因組序列完成測序。這些日益增加的序列的功能和意義，正是生物信息學(xué)要闡明的。微生物結(jié)構(gòu)基因組學(xué)和功能基因組學(xué)一結(jié)構(gòu)和功能為出發(fā)點，通過測定出全部蛋白質(zhì)分子與其他生物分子復(fù)合體的精細(xì)三維結(jié)構(gòu)，以獲得一幅完整的、能夠在細(xì)胞中定位以及在各種生物學(xué)代謝途徑、生理途徑、信號傳導(dǎo)途徑中全部蛋白質(zhì)在原子水平的三維結(jié)構(gòu)全息圖。利用基因組學(xué)所提供的信息，以高通量、大規(guī)模實驗方法與計算機(jī)分析相結(jié)合，全面系統(tǒng)的分析全部基因的功能。應(yīng)用生物信息學(xué)方法，高通量

9、的注釋基因組所有編碼產(chǎn)物的生物學(xué)功能，進(jìn)行基因組功能注釋是功能基因組學(xué)的主要研究目標(biāo)。序列同源性分析、生物信息關(guān)聯(lián)分析、生物數(shù)據(jù)挖掘是進(jìn)行基因功能注釋的主要生物信息學(xué)手段。其研究內(nèi)容主要涉及基因組組成元素的識別、全部ORF產(chǎn)物功能注釋、基因相互作用和比較基因組學(xué)研究等三個層次。我們可以應(yīng)用很多國內(nèi)外數(shù)據(jù)庫進(jìn)行基因功能的注釋、提交或者查詢。4.生物信息學(xué)在微生物生態(tài)學(xué)研究中的應(yīng)用1992年，Liesack和Stackebrandt首次利用核酸序列測定和探針的分子生物學(xué)方法研究土壤放線菌類群，是微生物多樣性發(fā)展較快的時期。16SrDNA既能體現(xiàn)不同菌屬之間的差異，又能利用測序技術(shù)來較容易地得到其序

10、列，故被細(xì)菌學(xué)家及分類學(xué)家所接受。所以，“細(xì)菌系統(tǒng)分類學(xué)研究特設(shè)委員會”建議依據(jù)系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系分類。細(xì)菌的16SrDNA可變區(qū)序列因不同細(xì)菌而異，恒定區(qū)序列基本保守，所以可以利用恒定區(qū)序列設(shè)計引物將16SrDNA片斷擴(kuò)增出來，利用可變區(qū)序列的差異來對不同菌屬、菌種的細(xì)菌進(jìn)行分類鑒定。并可通過對其序列的分析，判定不同菌屬、菌種間遺傳關(guān)系的遠(yuǎn)近。對不同細(xì)菌的16SrDNA序列進(jìn)行同源性比較分析是推斷細(xì)菌的系統(tǒng)發(fā)育及進(jìn)化關(guān)系的一個重要方法。目前，16SrRNA基因序列分析已廣泛應(yīng)用于微生物多樣性的研究。隨著純培養(yǎng)分類群系統(tǒng)進(jìn)化樹的不斷完善，即更多的新微生物被分離得到，并利用生物信息學(xué)軟件進(jìn)行詳細(xì)的系統(tǒng)

11、發(fā)育分析，完善了整個系統(tǒng)進(jìn)化樹，將有助于提高分子生態(tài)學(xué)研究的精確性，對環(huán)境樣品中的16SrDNA序列所代表的分類群及其在環(huán)境中的生態(tài)學(xué)功能有更準(zhǔn)確的認(rèn)識。只要得到了16SrDNA序列，即便還無法得到其純培養(yǎng)，也能設(shè)計出PCR引物和特異探針，對自然環(huán)境的原核生物多樣性開展研究。在過去的幾年的放線菌分子生態(tài)學(xué)研究中，人們在不同陸生和海洋水生環(huán)境中也發(fā)現(xiàn)了幾個新的16SrDNA序列族，他們所代表的是屬于放線桿菌綱中至今未培養(yǎng)的微生物類群，由于它們具有世界性分布，因此這些未培養(yǎng)放線菌類群在其生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用。這將使得對自然環(huán)境放線菌種類組成、細(xì)胞數(shù)量及各個分類群的生態(tài)學(xué)功能研究更加深入，也將

12、為人類殲發(fā)、利用和保護(hù)放線菌資源提供重要的指導(dǎo)作用。5.生物信息學(xué)在環(huán)境微生物研究中的應(yīng)用近年來，環(huán)境微生物學(xué)的研究不僅僅局限于自然環(huán)境中微生物生態(tài)學(xué)的研究，隨著人類活動的加劇，環(huán)境污染直接威脅人類社會可持續(xù)發(fā)展，對污染生態(tài)學(xué)的研究也正在逐漸深入。建立在現(xiàn)代分子生物學(xué)和生物信息學(xué)基礎(chǔ)上的基因芯片技術(shù)的運用，使環(huán)境微生物研究實現(xiàn)了革命性的飛躍。環(huán)境微生物在自然界中以群落方式存在，多種微生物共同存在于一個區(qū)域。了解微生物群落結(jié)構(gòu)和組成以及它們對于環(huán)境干擾的反應(yīng)和適應(yīng)性，有助于維持和恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)理想的生態(tài)功能。因為自然環(huán)境中僅有小于1%的微生物可以人工培養(yǎng)，所以對自然環(huán)境中微生物群落的定性、定量和種

13、群的檢測是微生物學(xué)家面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。通過生物信息學(xué)并結(jié)合分子生物學(xué)技術(shù)進(jìn)行微生物群落研究已經(jīng)取得了較大突破。其中，基因芯片技術(shù)被廣泛應(yīng)用于包括自然環(huán)境中微生物的基因表達(dá)分析、比較基因組分析和混合微生物群落的分析等方面。目前，應(yīng)用于環(huán)境微生物研究的基因芯片主要有功能基因芯片（FGAs）、系統(tǒng)發(fā)育的寡核苷酸芯片（POAs）、和群落基因組芯片（CGAs）.隨著環(huán)境污染的不斷惡化，利用微生物進(jìn)行環(huán)境污染物的監(jiān)測和評估，從事環(huán)境污染的微生物修復(fù)研究已日益深入。如利用石油降解微生物處理油井泄漏及海面石油污染，采用極端耐冷的微生物降解極地或寒冷環(huán)境下的污染物等。我們可以在互聯(lián)網(wǎng)上查閱污染治理與綜合管理的專業(yè)

14、數(shù)據(jù)庫，以獲得相關(guān)信息，甚至可以對可能的降解途徑進(jìn)行預(yù)測。6.生物信息學(xué)在農(nóng)業(yè)微生物研究中的應(yīng)用生物信息學(xué)是在生命科學(xué)研究過程中，隨著分子生物學(xué)技術(shù)發(fā)展而產(chǎn)生發(fā)展的。它研究的重點內(nèi)容為基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)。即以基因組DNA序列信息分析為源頭在獲得了蛋白質(zhì)編碼的信息之后進(jìn)行蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)模擬和預(yù)測，然后依據(jù)特定蛋白質(zhì)的功能，進(jìn)行必要的藥物設(shè)計。因此基因組研究、基因組信息學(xué)、蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)模擬及藥物設(shè)計是緊密相連的，它們是生物信息研究的3個重要組成部分。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐中，我們應(yīng)該運用先進(jìn)有效的分子生物學(xué)研究手段，結(jié)合我國豐富的特有的遺傳資源分離、克隆有自主知識產(chǎn)權(quán)的有重要經(jīng)濟(jì)價值的新基因及重要的基因

15、表達(dá)詞控的元件。當(dāng)前及將來，生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵就是對基因的占有和利用，不占有基因，發(fā)展就是一句空話。建立規(guī)模化、成熟、高效的植物遺傳轉(zhuǎn)化再生體系，保證轉(zhuǎn)基因植物大量群體的獲得，從而有利于轉(zhuǎn)基因性狀與其它農(nóng)藝性狀的組合篩選。重視與常規(guī)育種特別是與雜交育種技術(shù)的有機(jī)結(jié)臺。運用生物信息學(xué)獲得信息，對現(xiàn)有的農(nóng)作物、畜禽、林果、蔬菜的品種進(jìn)行改造，甚至制造新的物種，豐富種質(zhì)資源，滿足人類營養(yǎng)需要?？梢酝ㄟ^基因改造，調(diào)控從光臺作用到畜產(chǎn)品營養(yǎng)積累的全過程，不僅要獲得最高的效率，而且要達(dá)到優(yōu)良的品質(zhì)。從遺傳基礎(chǔ)上改變危害農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的微生物、昆蟲，最大限度地減少其數(shù)量和影響，同時引入抗性基因，提高農(nóng)業(yè)生物抗

16、病蟲害、抗逆能力。7.生物信息學(xué)在微生物藥物合成設(shè)計中的應(yīng)用自然界中微生物的多樣性及其代謝產(chǎn)物的多樣性，提供了發(fā)現(xiàn)新藥(以及先導(dǎo)化合物)的不竭動力。隨著生命科學(xué)的發(fā)展，尤其是隨著分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，使得以微生物為源泉的新藥研發(fā)有了更多的支持，微生物藥物的研究越來越受到國內(nèi)外的重視。在抗生素合成領(lǐng)域，通過序列的分析闡明生物合成的裝配途徑，開辟了用合成酶基因工程組合來生物合成天然產(chǎn)物的新興領(lǐng)域。與組合化學(xué)合成不同，后者是指在不同結(jié)構(gòu)的構(gòu)建之間以共價鍵系統(tǒng)反復(fù)地進(jìn)行連接，從而產(chǎn)生一批不同的分子實體。而組合生物合成是指在生產(chǎn)微生物次級代謝產(chǎn)物的合成途徑中，涉及到的一些酶的編碼基因之間進(jìn)行互換，

17、由此產(chǎn)生一些非天然的基因組或雜合基因，從而產(chǎn)生許多新的“非天然”的天然化合物。它是在生物體內(nèi)的生物合成途徑的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。國外已有不少學(xué)者從紅霉素等抗生素的生物合成基因著手，進(jìn)行組合生物合成的研究，獲得了一些令人興奮的研究結(jié)果?？茖W(xué)家們希望發(fā)現(xiàn)病原生物致病相關(guān)的關(guān)鍵基因或基因群，從而有針對性地發(fā)展更為有效的防治對策，而微生物在宿主組織中生長所需要的物質(zhì)合成、分解代謝以及調(diào)節(jié)相關(guān)基因都可以作為抗微生物藥物設(shè)計的候選靶位。生物信息學(xué)提供了豐富的信息資源，為發(fā)現(xiàn)新的、更有效的藥物靶位和保護(hù)性抗原提供了最大的可能。8.生物信息學(xué)在微生物致病基因研究中的應(yīng)用目前對微生物的研究由單個基因轉(zhuǎn)向基因之間甚至基

18、因組之間的研究，并且更具有靶向性。通過全基因組序列的同源性比較，可尋找致病菌的屬、群、種、型、甚至亞型等不同水平上的特異抗原，例如Pizza和Tettelin等對血清型B腦膜炎奈瑟菌近350種抗原的研究，Wizemann等也對肺炎鏈球菌的基因組的抗原性蛋白進(jìn)行了研究。Hacker于1994年提出了毒力島的概念，認(rèn)為毒力島是整合于細(xì)菌基因組的外源性DNA片段，這些特殊片段存在于致病型菌株上，賦予細(xì)菌毒力，卻在與之親緣關(guān)系密切的非致病菌株上不存在。通過對親緣關(guān)系接近的不同菌株進(jìn)行全序列比較，可以為發(fā)現(xiàn)新的基因組島提供線索。微生物由于其自身的特點，進(jìn)行生物信息學(xué)分析時，有著和真核生物不同的地方。如微

19、生物基因組中8090的序列參與編碼，如果有兩個或更多重疊的閱讀框，哪一個是基因(假定只可能有一個)，比較可靠的辦法就是同源搜索，如果在無已知同源性信息的情況下尋找基因，就比較困難。生物信息學(xué)使得對自然環(huán)境微生物的種類組成、細(xì)胞數(shù)量及各個分類群的生態(tài)學(xué)功能的研究更加深入，也將為微生物資源的開發(fā)與利用提供指導(dǎo)，為制藥企業(yè)等單位的菌株分離與篩選，提供微生物在不同環(huán)境中的種類組成、分布、數(shù)量等相關(guān)的信息。參考文獻(xiàn)：1.陳文聰, 胡朝暉與朱慶義, 生物信息學(xué)的進(jìn)展及其在分子微生物學(xué)研究中的應(yīng)用. 分子診斷與治療雜志, 2011. 03(3): 第207-211頁.2.凡時財與張學(xué)工, DNA甲基化的生物信息學(xué)研究進(jìn)展. 生物化學(xué)與生物物理進(jìn)展, 2009. 36(2): 第143-150頁.3.郭茹珍與謝春婭, 微