模式微生物基因組學課件

1、模式生物的功能基因組學從新的視角看老問題梁 磊1原核生物如大腸桿菌（Escherichia coli）和枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis），單細胞真核生物如啤酒酵母菌（Saccharomyces cerevisiae）都被作為傳統(tǒng)的模式生物，這是因為它們結構簡單、功能復雜、在實驗系統(tǒng)中具有內在的優(yōu)勢。E.coli 的非致病實驗菌株（K-12）被列為最早的全基因組測序對象，它在原核遺傳學、分子生物學、生物技術、尤其是DNA重組技術領域是首選的模式生物。B. subtilis 是第一個進行全基因組測序的革蘭氏陽性菌（1997），并且被作為研究生物化學、生理學、系統(tǒng)發(fā)育的遺傳學范例。

2、S. cerevisiae 具有真核細胞的所有基本功能，并且人類疾病30的陽性克隆與酵母同源，對S. cerevisiae 基因產物的生物學作用做準確的測定是極其重要的一步，這有助于我們提高對遺傳學上更復雜的、不易研究的多細胞動物的認識?；蚪M序列信息表明，超過30的開放閱讀框（ORFs），包括E.coli的染色體和B. subtilis 的染色體沒有實際的功能。在S. cerevisiae中大約6000個預測基因中的三分之一仍被歸為未知細胞功能的閱讀框。因此，除了基因組結構分析以外，其它的系統(tǒng)研究得到的信息對大量的序列數(shù)據歸類于生物學上有意義的位置是十分必要的。功能遺傳學和相關的高通量綜合技

3、術學和方法學（例如，DNA微陣列、全基因組突變、雙向凝膠電泳、雙雜交系統(tǒng)、蛋白微陣列）試圖在轉錄組學、蛋白組學、代謝組學、內部作用組學的細胞區(qū)域中確定新的基因。 用功能基因組學方法分析和綜合技術闡明模式生物的細胞區(qū)域模式生物基因組序列轉錄組相互作用組蛋白質組代謝組生物信息學計算機建模DNA微陣列質譜噬菌體展示雙雜交系統(tǒng)蛋白質芯片2D二維電泳質譜2 Escherichia coli（大腸桿菌）：模式真細菌E.coli作為原核生物學中的模式實驗生物，它的地位是無可比擬的。E.coli是最具特征的可自由生長的單細胞生物，并且它已用于研究細胞過程的生物學模式，如DNA的復制和修復、轉錄、代謝途徑、應激

4、反應、信號傳導和遺傳學規(guī)律。 盡管遺傳學研究已有幾十年，但E.coli K-12基因組中編碼4,288個蛋白的38%的基因仍然不清楚生物學功能。這表明我們的認知還存在嚴重的不足，甚至是對于那些已被很好地研究過的模式生物。2.1Escherichia coli(大腸桿菌)基因組E.coli 序列數(shù)據除了使全基因組功能分析的方法成為可能，同時也揭示了一些新的基因。基因組序列的生物信息學分析也已經預測了一些結構和調控元件，這些是各種生物化學途徑或細胞機制方面知識所不能預見的。在搜索序列相似性的基礎上，芳香族化合物，如苯酚丙酸鹽的降解途徑的未知步驟被其他四個假定的mhp基因所揭示。在基因組序列確定之前

5、，mhp基因是已經存在的，但沒有被鑒定。保守序列單元的出現(xiàn)確定了其中的一個mhp基因可能是由操縱子編碼的代謝途徑的轉錄調節(jié)子。序列研究揭示了第二個以前沒有認識到的操縱子，該操縱子含有一些類似于假單胞菌（Pseudomonas）基因，能夠降解芳香族化合物，如甲苯、苯、聯(lián)苯。假設的操縱子由三個基因組成，包括能夠打開芳香環(huán)和氧化C1,C2的1,2-雙加氧酶，一個類似于二氫-1,2-雙加氧酶的開放閱讀框和基因編碼的鐵氧化還原蛋白還原酶。2.2 E.coli 轉錄組學全基因組核酸序列使研究者們能夠應用cDNA方法或者基于寡核苷酸的微陣列分析方法，根據特異性刺激物、遺傳變異或者生理紊亂來評價基因組轉錄圖。

6、熱激應答熱激應答，有時一般也稱作應激應答，是一種內環(huán)境穩(wěn)定的機制。這種機制是由活細胞在對溫度升高不適應的情況下顯示出來的。這種進化學上保守的分子對熱反應的應答是一種限制性蛋白熱激蛋白誘導合成的。除了熱激外，其他不利的生理條件，如暴露在乙醇中或轉入重金屬，都能引起熱激蛋白產量的提高。在過熱條件下，熱激蛋白除了防止細胞蛋白變性和聚集外，也表現(xiàn)出一些對普通的生理生長所必要的功能，如輔助糾正多聚結構的組裝，使新翻譯的多肽折疊到它們自然的三級結構。因此，熱激蛋白通常更多地被稱為分子陪伴。在細菌中，細胞對熱激的反應首先在E.coli中被發(fā)現(xiàn)并得到細致地研究。由于熱激反應的保守性，它已被作為一種模式系統(tǒng)來研

7、究其他原核生物（如古菌）的調節(jié)基因的表達。盡管微陣列提供了E.coli中對應于溫度升高時的一系列潛在的參與者，但需要用與基因表達圖譜相結合的其他方法給出一個完整的描述：細胞是如何整合和調控這些功能，對環(huán)境應激產生一致和快速的適應反應。細胞代謝生長的轉錄組學分析盡管我們已經知道一些與特定的生物合成或者代謝過程（如色氨酸生物合成）相關的必要的操縱子或基因，但不是出于這一目的的其它的基因在還沒有發(fā)展更綜合更全面的實驗方法之前還沒有被鑒定，這些基因影響著某些代謝行為或者受到某些代謝行為的影響。E.coli的色氨酸操縱子是分析的最透徹的細菌生物合成操縱子之一。色氨酸操縱子的五個基因（依次是trpE、tr

8、pD、trpC、trpB、trpA）編碼分支酸轉化為色氨酸途徑的酶。色氨酸操縱子的轉錄受抑制蛋白TrpR的抑制調控，也受一種稱為轉錄弱化作用的完全不同的調節(jié)模式的抑制調控。功能基因組學，主要體現(xiàn)在微陣列介導的轉錄圖，允許我們看到的不僅僅是微生物生理的某一焦點方面，如色氨酸代謝、特異性基因或調節(jié)子如何與基因表達的所有其他方面相互作用；而且還提供了一個觀察基因組表達的視窗，如細胞在葡萄糖上生長的生理能力。功能基因組學的價值在一項分析基因組表達的研究中得到了證實，即E.coli在含0.2葡萄糖的基本培養(yǎng)基上和在含0.2的肉湯培養(yǎng)基上對數(shù)生長后期的基因組表達。E.coli細胞在含葡萄糖的富營養(yǎng)培養(yǎng)基上

9、的生長速度（世代時間G=25min）是含葡萄糖的基本培養(yǎng)基的兩倍（G=57min）DNA陣列表明，某些功能上的基因轉錄的差異性與兩種生長條件下細胞生理性狀一致，因此提供了依賴于基因表達和生物合成調節(jié)子全面調節(jié)的生長速率研究。與119個（占所有標注基因的2.8）在富營養(yǎng)培養(yǎng)基上生長的基因相比，225個（占所有標注基因的5.2）在含葡萄糖的基本培養(yǎng)基上生長的基因有很高的表達水平（比例2.5倍）。 影響生長速度的開放閱讀框被分成以下幾種功能類型： 1、翻譯裝置；2、氮代謝；3、氨基酸生物合成；4、維生素、輔助因子、輔基、載體的生物合成；5、核苷酸生物合成；6、脂肪酸生物合成和降解；7、碳源和能源代謝

10、；8、細胞過程和整體調節(jié)子。 在以葡萄糖為碳源和能源的豐富培養(yǎng)基上E.coli生長的標志性特征是快速的生長速度，生物合成途徑的停止，大分子合成基因，最顯著的是蛋白質合成基因表達的增多。所有這些生理方面的特征在基因組表達水平通過利用全基因組序列信息和使用DNA陣列技術得以揭示。微陣列分子也揭示了在基本葡萄糖培養(yǎng)基上生長的細胞，其碳和能量代謝基因的表達量是豐富培養(yǎng)基上生長時的4倍。利用綜合的轉錄圖譜，我們能夠開始對這些未分類的基因根據它們與相似的或相關的基因共調節(jié)來描述一項假定的功能。此外，從微陣列實驗中得到的可測試的假設可能提供證據來證實未知基因的生物學功能。因此，基于微陣列的轉錄圖譜為進一步研

11、究特征性模式生物如E.coli提供了進一步的動力。NtrC（氮調節(jié)蛋白C）調節(jié)子微陣列遺傳學技術具有很多優(yōu)勢，它能夠在特異性調節(jié)蛋白轉錄控制下檢測所有的基因和操縱子。DNA微陣列技術促進了多基因網絡的出現(xiàn)，如Ntr（氮調節(jié)）系統(tǒng)，它能根據E.coli細胞的生理狀態(tài)信息執(zhí)行一項細胞功能，通過吸收環(huán)境中可利用的氨得到氮，從而進行氨基酸生物合成。 對外部有限的氮的分子反應是在氮調節(jié)蛋白C(NtrC)的控制下基因轉錄的活化。NtrC蛋白激活54-基因的轉錄，氮的吸收控制（Nac）蛋白通過激活氮限制條件下70-基因的轉錄，從而作為NtrC和70-操縱子的適配器。細胞以這種方式整合各組基因和操縱子的表達以

12、獲得全面的適應反應。這種多基因條件導致了基因產物的表達，這些產物能夠允許細胞利用環(huán)境中任何殘留的氨，然后轉變?yōu)槠渌牡矗瑥亩诘拗茥l件下能夠最小化生長。為了完全揭示E.coli的NtrC/Nac調節(jié)子，Zimmer和他的同事們（2000）使用DNA微陣列將NtrC激活基因過表達的突變株的整體轉錄水平與具有ntrC無效等位基因菌株中的整體轉錄水平相比較。盡管氮的網絡已經在E.coli中得到很深入的研究，但綜合的基因表達圖譜鑒定了許多新的NtrC調節(jié)子。這些新的與ATP特異性結合的操縱子轉運腐胺（potFGHI）、寡肽（oppABCDF）、二肽（dppABCDF）、核苷酸（nupC）和D-丙氨

13、酸/D-絲氨酸/甘氨酸（cycA）的次級離子共轉運。其他一些新鑒定的NtrC/Nac-控制基因，包括幾個編碼假定蛋白（ycdGHIJKLM, yeaGH, yedL）操縱子，再次證明了微陣列表達圖譜對于在某些細胞功能中說明未知基因的能力。從全基因組的角度檢測NtrC/Nac調節(jié)子表明，NtrC控制了大約2的E.coli基因，其中大部分是底物轉運的操縱子。這些基因的假定功能強調了E.coli在清除環(huán)境中含氮化合物的能力，作為抵御氮饑餓的第一道防線。2.3E.coli蛋白組學除了基因組結構分析和轉錄組學特征分析使用陣列技術外，蛋白組學分析依然是功能研究的重要組成，因為蛋白組學分析能夠觀察到基因表達

14、的最基本水平。與蛋白組學分析相關的中心問題是序列分析預測的開放閱讀框的可靠性，蛋白質的物理特征是否與那些開放閱讀框預測的一致。而且，已測序生物的蛋白組學的研究揭示了重要的特征，這些特征僅從基于基因組序列的理論蛋白組學是推斷不出的。 其它的信息包括生物體內蛋白的豐度，后翻譯修飾，蛋白水解。蛋白組學分析的方法通常包括雙向凝膠電泳（2-DE），然后是用N-末端測序或質譜的點鑒定。已有的全基因組序列對從雙向凝膠中提取的蛋白種類進行快速鑒定很重要。僅是基因組序列不能對最終在細胞中產生的翻譯產物在生化特性和功能上提供一個全面準確的描述。除了個別存在差異，大部分情況下，由實驗得到的等電點值和分子量值與基因組

15、序列預測得到的值相當一致。觀察值和預期值之間的偏差可能由基因組序列的高度加工蛋白或錯譯造成。用轉錄組學分析，蛋白表達和豐度的主要差異能在不同的細胞狀態(tài)下測得。在Link和他的同事們的研究報道中，作者分別在最低限度的葡萄糖培養(yǎng)基中的指數(shù)生長期和豐富培養(yǎng)基中的穩(wěn)定生長期檢測了E.coli蛋白組的動態(tài)特性。2-DE分析不能全面的分析細胞的蛋白組學，幾個在豐富培養(yǎng)基上穩(wěn)定生長期早期鑒定的高豐度的蛋白質在葡萄糖最低限度培養(yǎng)基上生長的細胞中沒有觀察到。這些蛋白質是：色氨酸酶（TnaA），用于色氨酸的降解和合成；半乳糖結合蛋白（MglB），在半乳糖轉運入細胞的過程中起作用；饑餓誘導蛋白（Dps），它與DNA

16、形成了穩(wěn)定的復合物，因此保護DNA不被氧化毀壞。這項研究表明了一個生物學原則：細胞改變它們的蛋白成分以適應變化的環(huán)境條件。此外，還表明，更綜合的分析方法，如最近發(fā)展的基因組學和蛋白組學的方法，正在改變我們觀察活細胞的方法，甚至改變對已經被很好地描述過的模式生物的認識，如E.coli。蛋白組學能夠被用來加強和支持由基因組序列分析提供的預測信息。2.4 E.coli的模式代謝：計算機代謝組學近來的基因組科學的重要目標是將細胞的核苷酸序列信息與生理功能相聯(lián)系。由于從基因組序列和功能研究得到的大量數(shù)據還在不斷的積累，迫切需要能夠在硅片上建立系統(tǒng)的闡述和發(fā)展復雜而完整的細胞系統(tǒng)的代表或數(shù)學模型。圖 ：用

17、已有基因組序列、生理生化數(shù)據重建微生物代謝網絡以基因組序列為框架，再結合生理生化實驗數(shù)據，能夠在芯片上構建代謝途徑的信息第一步，利用現(xiàn)有的相關基因組數(shù)據，生理生化數(shù)據重新構建微生物的代謝圖譜。第二步，給代謝功能限制條件。第三、四步中，在細胞水平限制條件，以縮小符合要求的表型范圍。通過這些步驟來預測代謝表現(xiàn)（例如，可以預測基因刪除后對細胞和生物化學結果的影響）。 這些研究表明：代謝行為的計算機分析能夠簡化生長實驗的設計和報告基因敲除的鑒定。此外，芯片分析可能會有助于鑒定丟失的（例如，假定的）或者不正確的功能分配，這些功能分配從基因組序列注釋中得到。然而，這一領域的最新研究還處于初期，這種計算機模

18、式和計算機模擬需要反復的實驗研究來改進芯片模式。3 Bacillus subtilis:革蘭氏陽性菌的典范Bacillus subtilis是革蘭氏陽性菌中最具特色的典型。它是一種需氧的桿狀菌，能夠形成內生孢子，在土壤和水中普遍存在。Bacillus subtilis和它關系相近的菌具有商業(yè)意義，因為它們具有代謝多樣性，尤其是它們產生胞外水解酶（如，淀粉酶和蛋白酶）的能力，這些水解酶能夠降解多糖、核酸、脂質。降解產物將作為生物體的碳源。 除了大分子水解酶的產生，Bacillus subtilis在營養(yǎng)饑餓的條件下開始次級代謝途徑，如抗生素（如surfactin、fengycin、diffici

19、din）的產生。營養(yǎng)性缺乏的條件使細菌可形成很獨特的結構化學物質、輻射和干旱抗性的芽孢，這種條件下細菌生長難以重建。這些生理特征和遺傳操縱的特征導致Bacillus subtilis成為研究革蘭氏陽性菌的模式實驗生物。它的全基因組序列在1997年發(fā)表，是第一個得到全基因組序列的革蘭氏陽性真細菌。3.1 B.subtilis基因組在已經完成測序的基因組中，即使是研究透徹的模式物種，在全部預測能編碼蛋白的基因中也有3060不能根據序列的同源性來劃分其功能。B.subtilis也不例外，它有42的基因功能是未知的。盡管幾十年來進行著大量的研究，但B.subtilis中只有約1，200個基因（約30）

20、的功能有實驗證明，這說明我們要完全了解B.subtilis的生理特征，必須在發(fā)現(xiàn)和確認新基因功能方面付出更多的努力。土壤微生物，如B.subtilis，在進化中得到復雜的調控系統(tǒng)以快速應對周圍多變的環(huán)境條件和脅迫。細胞對環(huán)境壓力適應性的調節(jié)在很大程度上受雙組分信號轉導途徑的影響，該途徑在原核生物中廣泛存在。雙組分調控系統(tǒng)包括一個傳感蛋白激酶和與它同源的應激因子。在B.subtilis中，利用與已知蛋白序列的相似性，37個傳感蛋白激酶和34個編碼應激因子的基因已經被確定。 微生物經常面臨著許多環(huán)境壓力的脅迫（如溫度、濕度或可用營養(yǎng)物質的變化）。B.subtilis的基因組序列表明，有43個溫度休

21、克蛋白和總應激蛋白在細菌適應環(huán)境變化中起到重要作用。這些蛋白和它們在大腸桿菌中的同源蛋白有很高的相似性，說明革蘭氏陰性菌和陽性菌的細胞應激反應在進化上是保守的。ABC轉運蛋白是B.subtilis中確定的功能最多的一組蛋白（Kunst et al., 1997），反映了兩大類細菌外莢膜的結構差異。另外一些ATP結合轉運蛋白可能增強了B.subtilis抗毒害的能力。B.subtilis基因組中預測共有77種ABC轉運蛋白，已經通過克隆基因對它們有深入的了解。E.coli和B.subtilis全基因組的測定，可全面地研究它們相關的基因組多樣性。這種比較基因組的分析提出了一個觀點，即可能在10億多

22、年前，真細菌進化分為革蘭氏陰性和陽性兩大類。盡管在基因組大小上B.subtilis（4.2Mb）和E.coli（4.6Mb）類似，并且預測的B.subtilis基因約有1，000種（25）和E.coli完全同源，但在基因的功能和操縱子結構上兩個基因組之間存在一些明顯的差異。和E.coli不同的是，許多B.subtilis基因參與次生代謝物如抗生素的合成。B.subtilis將近有4的基因編碼大量的多功能酶，這些酶和鏈霉菌參與抗生素合成的蛋白質序列相似。基因組序列分析還清楚表明至少有10種原噬菌體或原噬菌體的痕跡，說明噬菌體侵染在遺傳信息空間傳遞上起了重要作用。通過觀察氨基酸和嘌呤合成基因來研究

23、兩個基因組在基因組織方面的差異，顯示一些E.coli合成精氨酸和嘌呤的基因分散在染色體上，而在B.subtilis的同源基因則整合在操縱子上。E.coli和B.subtilis的基因組中大量未知基因功能的確定將使我們更深入的了解這些模式物種的進化、生理以及功能分化。3.2 B.subtilis轉錄組學B.subtilis的全基因測序完成以來，人們建立了許多系統(tǒng)的功能分析來描繪不同生長條件、環(huán)境脅迫或抗逆、遺傳突變情況下基因的功能和調控網絡。下面我們將討論基于微陣列技術的B.subtilis熱休克反應的功能分析，雙組分調控系統(tǒng)和B.subtilis在不同環(huán)境下的生長。這些研究說明了功能基因組如何

24、為B.subtilis的生理學提供充足的實驗證據。B.subtilis中的熱休克B.subtilis遇到不同的限制其生長的環(huán)境壓力，如熱休克、滲透壓和機械壓力時，激活大量應激調節(jié)子基因來反應，這些調節(jié)子受一種轉錄因子B調節(jié)，同時轉錄調節(jié)因子HrcA或CtsR調控另外一些熱誘導基。轉錄因子B 是革蘭氏陽性菌的總應激因子。代謝、環(huán)境壓力或饑餓情況下B 因子的活化是應激調節(jié)子誘導中重要的一步。許多總應激基因的轉錄在植物依賴A啟動子下發(fā)生，但是遇到壓力或饑餓依賴B因子途徑就會急劇增強。發(fā)現(xiàn)新的受B調節(jié)的基因并且確定其功能將有助于我們了解總抗逆調節(jié)子在B.subtilis抗逆適應中起到的生理作用。DNA

25、微陣列包含了約4,100個已知的B.subtilis開放閱讀框中將近90的PCR擴增片斷，它用來檢測熱休克的整體轉錄水平。在這項研究中，培養(yǎng)的B.subtilis細胞從37（最佳生長溫度）轉到48（熱休克溫度）來引發(fā)熱休克反應。從生長在兩個不同溫度的細胞中提取總RNA，用帶有兩種熒光的反轉錄酶標記，然后在B.subtilis的微陣列中做差異顯示。 在基因組水平分析，B.subtilis整個復雜的熱休克反應在單個微陣列實驗中就可闡明：超過10的基因表達在熱激下呈現(xiàn)明顯的上調，同時超過5的轉錄水平激活的基因表達量上升至少3倍。微陣列實驗確定了70種已知或之前假定的依賴B 因子總抗逆調控元在轉錄水平

26、上誘導，通過鑒定另外72種調控元包括24個編碼設想的保守蛋白或無已知同源蛋白的基因，更綜合地確定龐雜的B 調節(jié)系統(tǒng)。將這些功能未確定的基因劃分為B 調控元是因為它們的蛋白行使幫助細胞抵抗不利的環(huán)境或代謝壓力的功能。 假定的依賴B 因子的啟動子中相同的序列與新鑒定的熱誘導基因相近，有力地支持了轉錄水平表達譜的數(shù)據?；谖㈥嚵械霓D錄表達技術的局限性在于這種方法只說明了基因在某一特定的細胞途徑中存在，因此需要詳細的功能分析來確定這些蛋白在抗逆適應性中的確切功能。B.subtilis陣列技術也用于研究對乙醇應激的整體轉錄水平反應，確定依賴B 因子的抗逆現(xiàn)象，最受關注的是胞質外W 因子的誘導以及抗鹽反應

27、中的整個調控元。雙組分調控系統(tǒng) 原核生物、低等真核生物和植物中的一類重要的適應性反應系統(tǒng)由兩類信號傳導蛋白組成：感受胞外刺激的傳感組氨酸激酶和在轉錄水平上介導適應性反應的同源反應調節(jié)基因。雙組分調控系統(tǒng)作為基本的應激相伴機制使得物種檢測到環(huán)境變化并對之作快速反應。 該調控系統(tǒng)通過控制蛋白質磷酸化的變化來調節(jié)目的基因的表達。信號接受使膜結合的組氨酸激酶將ATP上的磷酸基團轉移到高度保守的組氨酸殘基上的能力發(fā)生變化，該殘基一般在激酶的磷酰基轉移二聚體結構域。組氨酸上的磷酸基團隨后轉移到同源反應調節(jié)基因的天冬氨酸殘基上，使得后者與目標啟動子的親和力增強。B.subtilis的基因組測序已經表明大量假

28、定的雙組分調控系統(tǒng)的存在：37個傳感激酶和34個反應調節(jié)基因已被確定，其中30個激酶應激調節(jié)基因組合在B.subtilis的染色體上相近排列。誘導這些雙組分調控系統(tǒng)的環(huán)境信號還未知，因此通過適當?shù)卮碳ぜ毎麃泶_定它們的目標基因顯得很困難。為解決這個問題，Ogura 和他的伙伴（2001）在一個多拷貝質粒（pDG148）中，將應激調節(jié)基因置于受IPTG誘導的啟動子控制下，然后在B.subtilis突變株中過量表達，破壞它們的同源傳感激酶基因。應激調節(jié)基因的過量表達預期的結果是看到缺乏特定環(huán)境信號和同源傳感激酶而無法磷酸化時目標基因表達情況的改變。利用DNA微陣列分析確定了應激調節(jié)基因的過量表達在基

29、因組轉錄水平上的影響。生長和成孢過程中B.subbtilis的全局性基因表達厭氧呼吸 細菌經常遇到外界含氧量水平的上下波動。與嚴格的需氧或者厭氧生物相比，兼性細菌在細胞代謝過程中如果遇到外界氧含量變化，它們就會通過感應氧壓來進行適當?shù)恼{節(jié)。細菌通過改變潛在基因的表達或者調節(jié)蛋白活性來適應氧化還原環(huán)境的改變。一直以來都認為B.subtilis是嚴格需氧的生物，它以碳（以簡單碳水化合物或者有機酸的形式）作為能源來生長和生物合成細胞元件。然而，研究證明，B.subtilis能夠在缺氧條件下呼吸，它們以硝酸鹽或亞硝酸鹽為最終的電子受體，或者在缺少外界電子受體的情況下進行發(fā)酵。從硝酸鹽到氨的異化還原過程

30、需要兩種酶，膜結合的硝酸鹽還原酶（由narGHJI操縱子編碼）和依賴于NADH的亞硝酸鹽還原酶（由nasDEF操縱子編碼）。延胡索酸鹽/硝酸鹽還原調節(jié)子（FNR）是無氧條件下誘導的能夠調節(jié)narGHJI操縱子表達的轉錄活化子。雙組分信號轉換系統(tǒng)，ResD/ResE，它能在氧受限的情況下通過激活fnr轉錄子，從而在調節(jié)控制無氧呼吸的途徑中起重要作用。在沒有硝酸鹽和亞硝酸鹽存在時，在無氧條件下B.subtilis不能很好地利用葡萄糖生長，但在培養(yǎng)基中加入丙酮酸鹽后B.subtilis的生長得到很好地改善。目前尚不知道無氧條件下基因表達的整體變化情況。為了在基因水平上揭示無氧基因表達的代謝和遺傳控制

31、機制，包含有4,020個開放閱讀框的B.subtilis全基因組微陣列被用于檢測在指數(shù)生長期有氧和無氧條件下基因表達不同的模式。 從有氧到無氧的轉變，誘導或者抑制了幾百個不同細胞功能的基因，包括碳代謝、電子轉移、離子轉運、抗生素產生以及壓力適應應答。最突出的是包含了以下這些基因的表達：ydjL，編碼了一個能夠產生2,3-丁二醇脫氫酶的基因。ytkA，該基因在影響壓力應答基因dps的上游；未知區(qū)域yolIJK，它編碼了一個能夠產生類似于aspartyl蛋白酶（YolJ）和二硫鍵氧化還原酶的基因。其他一些未知基因的mRNA的量在某些無氧條件下會優(yōu)先得到顯著提高。當B.subtilis在硝酸鹽或亞硝

32、酸鹽上生長時，YkzH和ykjA基因能夠得到高水平的轉錄。然而，ywcJ和yumD基因的轉錄水平在沒有丙酮酸鹽存在的發(fā)酵條件下，能夠提高3050倍。還有一些未知基因簇，yjlCD和yxxG-yxiM，能夠在硝酸鹽和亞硝酸鹽異化還原過程中和沒有丙酮酸鹽的發(fā)酵生長過程中被負調節(jié)。盡管微陣列表達譜分析用于探究基因功能只是探索性的，但報道的結果至少能對以前沒有注釋功能類別的基因建議一些可能的功能。Bsubbtilis中的硝酸鹽和亞硝酸鹽的信號基因表達譜是對narGHJI（硝酸鹽還原酶）、narK（硝酸鹽排出蛋白）、fnr（球狀厭氧呼吸調節(jié)子）和hmp（生理功能未知的被公認的黃血色素），以及nasDEF

33、（硝酸鹽還原酶）、cydABCD（細胞色素氧化酶和ABC膜轉運蛋白）、sbo-alb（一種未知蛋白subtilosin）、ywiD（生理功能未知）、ywiC（生理功能未知）的一種極好的誘導。在葡萄糖培養(yǎng)基中低效率發(fā)酵生長的特點是pdhAB（丙酮酸脫氫酶）表達量的減少和lctPE(L-乳酸透性酶和L乳酸脫氫酶)表達量的顯著增加。整體轉錄譜（global transcriptional profiling）顯示B.subtilis中控制厭氧呼吸的調控線路是動態(tài)的和復雜的，在這個調控線路中還包含了一些特定專門調節(jié)硝酸鹽厭氧呼吸的基因和另一些在發(fā)酵生長中發(fā)揮根本性影響的基因。孢子形成 歷史上，科學家們

34、之所以對B.subtilis如此的感興趣以至于將它作為一種實驗模式生物，很大程度上是因為這種細菌可以經歷孢子形成的過程，而這種過程往往是對饑餓的高度特化的適應性反映。在細菌中，孢子形成代表了一種相對簡單的實驗可追蹤的發(fā)育過程，它能導致細胞結構的轉變。由于孢子形成是一個復雜的分化過程，所以它需要一個錯綜復雜的轉錄調控系統(tǒng)去協(xié)調基因表達和復雜的形態(tài)變化。這一過程需要一系列受到多重調控的轉錄因子的活性。經過許多實驗室的數(shù)十年的研究，和孢子形成有關的主要基因已經被分離和鑒定，其中包括控制B.subtilis進入孢子形成的轉錄活化蛋白和抑制蛋白Spo0A。 圖 ：對微陣列得到的586個Bacillus

35、subtilis基因的轉錄圖譜進行分級分析，這些基因的表達水平依賴于Spo0A。具有相似表達圖譜的基因歸為一類。如圖所示，這些基因共分為三大類：（1）依賴于Spa0A但是不依賴于F表達的基因；（2）表達受到Spo0A阻遏的基因（3）受F控制或者一些能夠形成孢子的下游轉錄因子控制的基因。每一大類的代表基因均在圖右側表明。紅色和綠色分別代表高低不同的mRNA表達水平。3.3 B.subtilis蛋白組學一些研究小組通過建立二維的蛋白圖譜精確定位物理位置，已經得到了B.subtilis 基因表達的特殊模式。下面著眼于產孢B.subtilis細胞胞外蛋白和在外力誘導蛋白的分析，并介紹蛋白質組是如何提高

36、我們對整體細胞的認識。胞外蛋白組像土壤微生物那樣，B.subtilis及其相關的種分泌大量的蛋白，主要是降解酶，它們保證細菌可以從廣泛的底物中吸取營養(yǎng)物質從而可以在復雜的連續(xù)變化的環(huán)境中生存。另外，真細菌的分泌蛋白還有其他重要的機能，比如，細胞之間的互相交流，解除環(huán)境毒素，或者降低競爭者的數(shù)量。B.subtilis胞質蛋白的二維圖譜顯示在對數(shù)生長期大多數(shù)的蛋白是由那些在糖酵解，三羧酸循環(huán)，氨基酸的生物合成，翻譯和蛋白量的控制中保守的持家基因所分泌的。整體的數(shù)據顯示，B.subtilis的胞外蛋白質組包括糖類代謝有關的酶、蛋白酶或肽酶、氨基酸代謝中有關的酶、核酸降解有關的酶、脂酶、堿性磷酸酶、磷

37、酸二脂酶、細胞壁生物合成中的蛋白、脂蛋白（包括不同轉運系統(tǒng)中的底物結合元件）、解毒蛋白、鞭毛蛋白、推測中的轉錄因子、蛋白合成和折疊有關的蛋白（包括GroEL伴侶）、原噬菌體有關的蛋白、產孢特異性蛋白和13個未知功能的蛋白。4 酵母(Saccharomyces cerevisiae)：高等真核生物的模型 電鏡圖片釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）是一種簡單的單細胞真核生物，可以作為高等真核生物的模型生物。對這個物種的研究可以使我們了解細胞生命最基本的機制，尤其是人類遺傳病的分子基礎。與人類相比，S. cerevisiae的基因在實驗中更容易操作，可以比較容易的刪除、突變

38、、然后重新轉入酵母細胞內、過表達、標記并全面地對基因進行研究。46%的已被識別的人類蛋白在酵母的蛋白質組中都找得到結構同源蛋白。這些人類和酵母共有的同源蛋白都參與細胞生命中很基礎的活動，如DNA復制、重組和修復，RNA轉錄、翻譯，細胞內物質轉運和基本代謝。比較有醫(yī)學意義的是，酵母的基因與30-40%的人類疾病相關基因有很高的序列相似性。雖然很難評估酵母和人共有的的結構同源基因在功能上是否保守，S. cerevisiae代表了一個很寶貴的實驗系統(tǒng)，可以使我們探索還沒有被了解的人類疾病的相關基因。酵母作為復雜真核生物實驗模型的一個潛在價值是，與人類腎性腦白質營養(yǎng)不良（adrenoleukodyst

39、rophy）相關的ALD基因，腎性腦白質營養(yǎng)不良是一種神經退化性疾病，這種病人的過氧化物酶體中飽和長鏈脂肪酸的-氧化是有缺陷的（過氧化物酶體是微體的主要類型，或者是真核細胞質中的由膜包裹的，含有特別酶類的細胞器）。人類ALD基因部分編碼一個ABC轉運蛋白，這種蛋白位于過氧化物酶體的膜上，與酵母細胞的兩個ORFs，Pal1p和Ykl188c，有結構同源性。但是，因為基因序列和基因功能不是總能在不同的物種之間保持保守，所以在用模式生物，比如酵母的同源基因解釋人類疾病時仍需要謹慎。4.1 酵母基因組出芽酵母S. cerevisiae的全基因組序列1996年已經測定，這項工作由來自比利時、英國、加拿大

40、、美國、法國、德國、日本和瑞士的科學家通過國際合作完成。它的全基因組序列在1996年公布，這標志著第一個真核生物的基因組被人類闡明。通過對16個獨立的染色體中1200萬對堿基的序列分析，人們推測約有6，247個可能的開放閱讀框負責編碼酵母細胞中的蛋白質產物。S. cerevisiae基因組序列測定完成后的幾年中，根據序列和遺傳信息，幾乎所有的酵母基因都被注解。在線的酵母基因組數(shù)據庫（MYGD），可通過慕尼黑蛋白序列信息中心（MIPS）被訪問，此數(shù)據庫提供了文獻中記錄的已被注解的功能特征、同源性，ORF、RNA基因和其他遺傳元件的結構、以及經典遺傳學、生物化學和細胞生物學知識。另一個可被訪問的在

41、線數(shù)據庫是酵母蛋白組學數(shù)據庫（YPDTM），它可作為一個關于S. cerevisiae蛋白組織信息的綜合數(shù)據資源。YPD包含了來自許多詳盡的、深入的科學文獻的蛋白信息。雖然關于酵母的系統(tǒng)的研究有悠久的歷史，但截止到基因組序列完成，仍有32%的由基因組序列推測得到的蛋白質的功能還未被確定。全基因組序列測定已被用于識別可能的新基因，這些基因在經典的遺傳學研究中被遺漏；同時還可提供酵母16條染色體的高級組織信息，以及不同染色體上基因和其他序列元件（如，轉座子、重復區(qū)域motif）的分布特點。測序工作揭示了可觀的遺傳冗余，特別在酵母染色體的末端。如染色體的兩個末端區(qū)域domain的核酸序列具有較高的同

42、源性，同時也與染色體和的末端domain同源。通過基因組的序列可以推導出理論上的酵母蛋白質組，以標準同源性為準則，用信息學的方法對其蛋白質組進行分析后，把50%的酵母蛋白進行了功能分類。自從酵母基因組序列的公布和功能基因組學技術的出現(xiàn)，人們在根據經驗確定編碼新蛋白基因的功能方面取得了巨大的進步。運用計算機手段得到的信息為實驗的進行提供了有價值的指導，但我們仍需要DNA芯片、基因刪除和生化分析等功能研究方法，來驗證蛋白的功能。保守的信息學研究發(fā)現(xiàn)，酵母11%的蛋白質組參與了代謝（包括發(fā)酵和氧化代謝），7%參與轉錄，6%參與翻譯，3%參與能量的產生和儲存，3%用于DNA復制，修復和重組。基因組測序

43、也揭示了一些基因產物的存在，而以前人們對這些物質是否存在并不確定。先前對酵母染色體的研究一直認為S. cerevisiae沒有組蛋白H1。但基因組序列的研究表明，S. cerevisiae具有全部的組蛋白，包括H1，其編碼基因位于染色體XVI。另一個例子就是基因組測序發(fā)現(xiàn)并將微管蛋白基因定位在染色體XII上，而在此之前，雖然酵母遺傳學家們付出了許多努力，但仍沒有找到這個基因。4.2 酵母的轉錄自從1996年公布了酵母的全基因組序列，人們對S. cerevisiae基因功能的描述有了相當?shù)倪M展，需要確定約1，900個ORFs的功能。許多研究都應用高通量的基因芯片來分析酵母細胞在特定的刺激、環(huán)境變

44、化和遺傳改變的影響下的基因組表達情況。 在闡明基因功能的研究中，對不同的生理和發(fā)育狀態(tài)下特定基因mRNA的表達水平的分析確實是非常有力的方法。cDNA和寡聚核苷酸陣列技術不僅揭示了關于染色體復制， 染色質重組，減數(shù)分裂，孢子形成，和細胞周期調控等基本細胞活動的新的細節(jié)，還顯示了無規(guī)律的外界干擾對酵母轉錄組動態(tài)組成的影響。金屬動態(tài)平衡的遺傳基礎所有的生物需要金屬離子，如鐵，銅和鋅，來進行各種各樣的生化活動。鐵和銅在電子傳遞和許多氧化還原金屬酶中是重要的輔助因子，鋅是很多酶的催化成分，在鋅指結構等結構中起關鍵作用。但這些金屬離子在體內的過量積累對細胞是有毒害作用的。為了控制細胞內的金屬離子含量，生

45、物如S. cerevisiae進化出一些動態(tài)平衡調節(jié)系統(tǒng)來控制金屬離子的吸收、分布、儲存和解毒。為了更好的理解S. cerevisiae金屬代謝的調控，Lyons和同事運用DNA微陣列和啟動子結構的計算機分析，研究了受到轉錄因子Zap1p調控的酵母基因。轉錄因子Zap1p感應到細胞中鋅的含量并在鋅匱乏時刺激其靶基因的表達。 這個研究強烈暗示了46個基因是Zap1p依賴性調節(jié)方式的可能靶基因，其中含有18個編碼功能未知的蛋白。并且，MEME分析說明ZRE保守序列最可能的模塊是5-ACCTTNAAGGT-3 。這個研究的結論拓展了某一個特定的真核轉錄因子的調節(jié)子的定義，提高了我們在分子水平上對鋅代

46、謝的理解。酵母通過精確的動態(tài)平衡調節(jié)系統(tǒng)嚴格的調節(jié)鐵和銅的吸收和利用。運用DNA陣列技術的研究已經鑒別出酵母轉錄因子Aft1p和Mac1p構成的調節(jié)子的新的可能的靶基因。代謝重調的功能基因組學S. cerevisiae作為模式真核細胞的重要性源于這種實驗生物本身的一些優(yōu)點。與許多具有復雜的形態(tài)和基因組的真核細胞不同，酵母可以在由實驗者控制的化學物理環(huán)境下，在特定的培養(yǎng)基上被培養(yǎng)。它的生活史和高度有效的同源重組也使S. cerevisiae很適合經典的遺傳分析，包括基因缺失和替代。利用酵母的基因組序列信息，S. cerevisiae基因組的2062個ORFs（多于1/3的ORFs）的精確缺失已經

47、成功。運用PCR擴增的辦法，目的基因的同源部分被連接到一個經過挑選的標志基因（一個抗生素抗性盒）的兩端。當這個連接體進入酵母細胞里時，高效率的同源重組使目的基因被標志基因替代。對基因缺失的酵母菌株的表型研究表明，17%的缺失的ORFs對在豐富培養(yǎng)基上生長的酵母是必需的，基因缺失的菌株中40%在豐富或基本培養(yǎng)基上表現(xiàn)出可被測定的生長缺陷。在豐富培養(yǎng)基上生長不良的突變株一般在基本培養(yǎng)基上生長得也不好，很少有例外。在另一個研究中，研究者分析了在好氧和厭氧條件下恒化培養(yǎng)的S. cerevisiae的基因組范圍的轉錄圖譜。觀察到在好氧和厭氧條件下大多數(shù)酵母基因的表達圖譜是相似的。為適應好氧條件，只有 2

48、19個基因的轉錄加強了3倍以上；而為了適應厭氧條件，140個基因在轉錄水平上增強了3倍以上。許多好氧和厭氧誘導基因的生理作用還不是很清楚，需要進一步的研究來確定功能。比較基于微陣列的野生型的S. cerevisiae在不同生長條件下的轉錄圖譜，人們仍沒有精確描述指示代謝重規(guī)劃的轉錄調控的分子機制。需要運用影響關鍵轉錄調節(jié)因子活動的遺傳突變，連同其他功能基因組的工具，來解析控制細胞生長的調控途徑和網絡。基因調控中的核小體重組復合體基因表達的調控對生物系統(tǒng)的功能是基礎的，細胞的很多調控活動發(fā)生在轉錄水平。越來越明顯的是，緊縮的染色質結構的修飾是真核生物重要的調控機制，包括酵母。染色質中重復的結構單

49、位是核小體，特征是200bp的DNA負超螺旋鏈纏繞到組蛋白核心上（正電荷的，富含精氨酸，組氨酸的小蛋白復合體）。在這部分鏈上的基因被有效的包在核小體上。體內和體外的研究已經說明核小體抑制轉錄起始是通過防止真核RNA聚合酶核心酶與轉錄因子與DNA的接觸。越來越多的證據表明一些類型的多聚蛋白復合體，如保守的Swi/Snf和RSC復合體，通過以一種ATP依賴性的方式改變染色質的拓撲結構，來消除核小體介導的轉錄抑制。染色質結構因子改變核小體的行為是通過改變核小體結構，從而使轉錄因子結合在它們特異識別的DNA序列上，幫助起始轉錄。關于改變染色體結構的復合體Swi/Snf的功能的一些基本方面還未解決，但可

50、以平行測量整個基因組在mRNA水平上表達的高密度方法技術的發(fā)展，并為我們提供了闡明Swi/Snf功能的機會。4.3 酵母蛋白質組學基因組測序發(fā)現(xiàn)的還未確定特征的基因可以通過評估生化活性、蛋白-蛋白相互作用和基因表達產物的亞細胞定位分析進行研究。系統(tǒng)的蛋白質組學對于闡明決定細胞功能的蛋白質網絡及其相互作用是必需的，在一定意義上，使基因組信息轉化為生命。酵母蛋白的亞細胞定位雙向凝膠電泳和MS等技術已經被應用于確定S. cerevisiae蛋白質組中蛋白的亞細胞分布。一個蛋白的亞細胞定位被認為可以暗示它在細胞中的基本的分子功能，提示它的功能機制。但是，酵母中蛋白的亞細胞分布是很基礎的數(shù)據，直到現(xiàn)在實

51、際上還仍未解決。2002年，Micheal Snyder和合作者第一次在蛋白質水平上分析了一種真核生物的蛋白定位。通過高通量的對抗原決定簇所標記的基因產物來進行免疫定位后，2744個酵母蛋白（S. cerevisiae理論上的蛋白質組的60%）的亞細胞定位已被確定。標記酵母蛋白有兩種方法：或者將PCR擴增的酵母ORFs定向克隆到酵母V5抗原決定簇/表達載體，或者由轉座子導致突變產生的隨機標記。蛋白質組微陣列蛋白質微陣列的設計為，將可更換的硅樹脂人造橡膠多聚物或者PDMS，其上有陣列式的微孔（直徑1.4mm，深度300m）,放在一個標準顯微鏡載玻片上面。這種微陣列覆蓋了約1/3的載玻片的面積，一

52、張載玻片上基本可以容納兩個微陣列。蛋白質通過3-glycidoxypropyltrimethoxysilane（GPTS，縮水甘油醚基丙基三甲氧基硅）交聯(lián)分子被共價連接到微孔上，然后用放射標記的ATP（-33P-ATP）和17種底物如，牛組蛋白H1、牛酪蛋白、髓磷脂堿性蛋白和酪氨酸基質多聚體（Tyr-Glu）在17種不同的陣列上測試體外的激酶活性。圖 酵母蛋白激酶蛋白質芯片的制作和分析(a)蛋白質芯片的制作：將PDMS傾倒在丙烯酸模具上，待凝固后將形成的小孔板放在載玻片上。小孔的表面被修飾，然后與蛋白質結合。（b）使用蛋白質芯片檢測激酶活性。圖中顯示了12中底物的磷酸化信號的圖像。4.4 酵母

53、蛋白質相互作用組：蛋白質-蛋白質相互作用網絡圖譜為了全面的了解在分子水平上的細胞活動，蛋白質-蛋白質相互作用的研究是必不可少的。為了確定基因組測序發(fā)現(xiàn)的新蛋白的功能，一個重要的功能基因組學策略是，通過與功能已知的蛋白的相互作用來區(qū)分新蛋白。 蛋白質與其他生物分子的相互作用也可以提供關于其功能的一些假說和啟示。這是很重要的，因為如果大約40%的S. cerevisiae蛋白在真核細胞的進化中是保守的闡明酵母的蛋白質相互作用組（所有蛋白質相互作用圖譜）可以為更復雜的真核生物的蛋白質組提供部分的框架。傳統(tǒng)的研究大規(guī)模的蛋白質-蛋白質相互作用圖譜的方法是酵母雙雜交系統(tǒng)。現(xiàn)在高通量和超靈敏的質譜方法開始

54、用來識別酵母中的多蛋白復合物計算機顯示蛋白-蛋白的相互作用網絡利用計算機圖像手段顯示蛋白質相互聯(lián)系的研究，強調了酵母中蛋白質-蛋白質相互作用網絡的復雜性和聯(lián)系性。酵母的綜合作用圖譜是根據數(shù)據庫的信息繪制的，可以幫助我們了解已知和未知的蛋白的功能關系。人們意外的發(fā)現(xiàn)一個龐大的酵母蛋白相互作用的網絡包括了由2358個蛋白質相互作用聯(lián)系起來的1548個蛋白。第二大的蛋白質相互作用網絡只有19個蛋白。大的作用圖譜中的蛋白（1548個）在膜融合、染色質結構、細胞結構、脂類代謝和細胞應激性中都發(fā)揮功能。不同的功能團體和亞細胞空間之間有許多交叉聯(lián)系和相互作用。在巨大的網絡中，功能和細胞定位已知的蛋白多通過蛋

55、白之間的相互作用聯(lián)系起來，這種聯(lián)系的63%發(fā)生在行使普通功能的蛋白之間，76%發(fā)生在位于同一個亞細胞空間的蛋白之間。一般亞細胞空間之間的相互作用發(fā)生在核與細胞質蛋白之間，但在蛋白質相互作用圖譜中也能顯示出核與線粒體之間的潛在的相互關系。之蛋白質相互作用網絡的模型化和可視化是用來預測我們還不了解的蛋白質的功能的非常有用的工具。用質譜分析酵母的多蛋白復合體 蛋白質陣列，對蛋白質復合體的超敏感、高通量的質譜分析技術的出現(xiàn)極大的拓展了我們對酵母蛋白質相互作用組的認識。酵母雙雜交方法的局限性在于它探測到兩個蛋白的相互作用，卻不能研究更高水平上整個功能組織。真核生物的蛋白質組可以看作是許多蛋白多聚復合物的

56、網絡，這些復合物在組織的水平上行使功能，超越了兩兩之間的相互作用。目前質譜被應用于蛋白質組水平上蛋白復合體的直接識別上。利用Flag表面抗原標記的免疫親和單步驟純化方法可以用來獲得一組酵母的“獵物”蛋白，包括100個蛋白激酶、36個磷酸酶和調節(jié)亞單位，以及86個細胞對DNA損傷反應中起作用的蛋白。多蛋白復合體可以被免疫沉淀，每個蛋白成分可以用SDS聚丙烯酰胺凝膠電泳分離，用染色方法顯示出來并可以通過割膠回收得到。割膠得到的蛋白的酪蛋白酶消化產物首先用MS進行分析，然后通過數(shù)據庫搜索算法對蛋白進行識別。許多亞細胞空間（如，細胞質、細胞骨架、核、核仁、細胞膜、線粒體和液泡）的蛋白復合物都是利用HM

57、S-PCI識別。除此之外，通過對酵母基因組序列的信息學分析，人們預測了一些功能還未確定的蛋白的存在，而運用HMS-PCI，許多蛋白（531個）均被識別為這些蛋白的組成成分。酵母蛋白質組在較高水平上的組織圖譜有兩個主要的主題：（1）復合物的成分可以處于動態(tài)變化中，（2）大多復合物不僅僅通過物理上的相互作用聯(lián)系在一起，還具有共同的調節(jié)方式，分布特點，更新或結構。 總之，質譜技術可能特別適用于多蛋白復合體的解析，而綜合的雙雜交方法則不適合。比較不同的數(shù)據，說明與大規(guī)模的雙雜交研究相比，HMS-PCI方法在探測已知的多蛋白復合體時成功率平均要高3倍。MS的另一個優(yōu)點是可以檢測到含量低的蛋白，這些蛋白通

58、常只能用表達蛋白質組學的方法被識別?？傊?，利用MS得到的相互作用高水平的圖譜可能更好地反映酵母相互作用組的復雜性。 5 模式真核生物的比較基因組學自由生活的線蟲Caenorhabditis elegans的全基因組序列的確定是第一個真核多細胞生物的基因組。Caenorhabditis elegans的九千七百萬個堿基的基因組序列中含有19717個預測的編碼蛋白質的基因，其中只有1877個基因已經進行了經典的遺傳學和生化研究。雖然線蟲基因組比人類基因組（3000Mb和31000個預測基因）小30倍，但Caenorhabditis elegans基因的數(shù)量只比人類的少1.6倍。通過大量的關于Caenorhabditis elegans的研究，發(fā)現(xiàn)其生命活動的許多方面在非脊椎動物和脊椎動物中是保守的。鑒于C.elegans的進化保守性和實驗的易處理性，它已成為理想的研究功能基因組學的模式生物。大約40%的C.elegans基因與其他生物的基因具有DNA序列同源性，所