微生物基因組學(xué)

微生物基因組學(xué)第1頁(yè)，課件共98頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第一部分微生物基因組學(xué)的發(fā)展歷史和意義1、基因組和基因組學(xué)的定義；2、從DNA雙螺旋到微生物基因組；3、微生物基因組計(jì)劃概況和重要意義；4、幾種重要微生物基因組的測(cè)序；5、微生物基因組學(xué)網(wǎng)絡(luò)資源介紹。教學(xué)內(nèi)容第二部分微生物基因組的測(cè)序與注釋1、微生物基因組的測(cè)序；2、微生物基因組的注釋。第2頁(yè)，課件共98頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三部分微生物基因組學(xué)的應(yīng)用1、原核生物基因組概述；2、從微生物基因組學(xué)研究基因的進(jìn)化；3、微生物基因組的其它應(yīng)用。第3頁(yè)，課件共98頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、基因組和基因組學(xué)的定義第4頁(yè)，課件共98頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月基因組是一個(gè)相互作用的整體基因組不僅僅是單個(gè)起作用的基因的集合，它還對(duì)何時(shí)、何地產(chǎn)生這些組分的信息進(jìn)行整合。比如細(xì)菌芽孢的形成，就需要一整套基因高度協(xié)調(diào)的表達(dá)，需要復(fù)雜的基因間相互作用的模式來(lái)組織合適的反應(yīng)。因此，基因組包含著對(duì)信息的全局性、高度協(xié)同的控制，以執(zhí)行一系列細(xì)胞功能。

“了解一個(gè)有機(jī)體的全部生物學(xué)的先決條件是確定它的完整的基因組序列?！?/p>

——J.CraigVenter

(FounderandChairmanofTIGR)第5頁(yè)，課件共98頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月什么是“基因組學(xué)”？基因組學(xué)(genomics)來(lái)源于“genome”這個(gè)詞,是一門對(duì)生命有機(jī)體全基因組序列進(jìn)行分析、比較和注釋的新興學(xué)科?；蚪M（genome）序列為我們提供了有機(jī)體的最基本信息，序列中的基因和調(diào)控位點(diǎn)就是該有機(jī)體的“零部件”和“運(yùn)行指令”，同時(shí)它還提供該有機(jī)體進(jìn)化方面的線索，序列就自然而然地成為研究諸多新物種的出發(fā)點(diǎn)?；蚪M學(xué)是二十世紀(jì)醫(yī)學(xué)和生物學(xué)飛躍發(fā)展中最激動(dòng)人心的成果之一，并將為二十一世紀(jì)的醫(yī)學(xué)和生物學(xué)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

第6頁(yè)，課件共98頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月基因組學(xué)的定義基因組一詞是1920年由Winkler引入學(xué)術(shù)界的，它由基因（GENe）和染色體（chromosOME）兩個(gè)詞組合而成，代表完整的單套染色體和基因；

1986年，JacksonLaboratories的TomRoderick提議用它來(lái)命名旨在研究全基因組序列及與之相關(guān)高通量（high-throughput）技術(shù)的新興學(xué)科；1987年，VictorMckusick和FrankRuddle一起創(chuàng)辦了“genomics”雜志，這是第一次“genomics”這個(gè)詞在科學(xué)界得到廣泛的應(yīng)用。第7頁(yè)，課件共98頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月基因組學(xué)領(lǐng)域包括DNA測(cè)序、在物種內(nèi)進(jìn)行基因組多樣性的采集以及基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控的研究，即基因組學(xué)覆蓋了從DNA序列分析到研究生物體對(duì)環(huán)境干擾的響應(yīng)這樣比較廣的范圍。到1990年，E.coli、鼠傷寒沙門氏菌（Salmonellatyphimurium）和枯草芽孢桿菌（Bacillussubtilis）的遺傳圖譜已相當(dāng)詳細(xì)，包括成百上千個(gè)定位基因，靠這些圖譜幾乎可以誕生低精確度的比較基因組學(xué)了。1990S中期，對(duì)上述細(xì)菌的基因組進(jìn)行了全序列測(cè)定，標(biāo)志著基因組學(xué)時(shí)代的到來(lái)。

第8頁(yè)，課件共98頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Genomicsisthestudyofthemolecularorganiza-tionofgenomes,theirinformationcontent,andthegeneproductstheyencode.－－Prescott-Harley-Klein:

Microbiology,FifthEdition第9頁(yè)，課件共98頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月隨著基因組和基因組學(xué)這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)變得流行起來(lái)，一系列新的術(shù)語(yǔ)也被創(chuàng)造出來(lái)，每個(gè)新的研究領(lǐng)域都冠以“……組學(xué)”（-omic)的名稱，而被研究的對(duì)象則被稱為“……組”(-ome)。例如蛋白質(zhì)組和蛋白質(zhì)組學(xué)。一個(gè)蛋白質(zhì)組（proteome)表示某個(gè)時(shí)刻在一個(gè)細(xì)胞或生物體中全部的蛋白質(zhì)組成。其它類似的詞還有轉(zhuǎn)錄組、代謝組、糖組和變異組。這些新興的領(lǐng)域能否歸到“基因組學(xué)”之下，尚有較大的爭(zhēng)議。關(guān)于基因組學(xué)的范疇第10頁(yè)，課件共98頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

Genomicsisabroaddiscipline,whichmaybedi-videdintoatleastthreegeneralareas.：

1、Structuralgenomics:isthestudyofthephysicalnatureofgenomes.Itsprimarygoalistodetermineandanalyzethe

DNAsequenceofthegenome；

2、Functionalgenomics:isconcernedwiththewayinwhichthegenomefunctions.Itexaminesthetranscriptsproducedbythegenomeandthearrayofproteinstheyencode.

3、Comparativegenomics:genomesfromdifferentorganismsarecomparedtolookforsignificantdifferencesandsimilarities.Thishelpsidentifyimportant,conservedportionsofthegenomeanddiscernpatternsinfunctionandregulation.Thedataalsoprovidemuchinformationaboutmicrobial

evolution,particularlywithrespecttophenomenasuchas

horizontalgenetransfer.第11頁(yè)，課件共98頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月基因組學(xué)研究的3大主題和6個(gè)層面第12頁(yè)，課件共98頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月基因組學(xué)帶來(lái)研究問(wèn)題的新視角新技術(shù)的出現(xiàn)伴隨著全新的問(wèn)題以及人類認(rèn)識(shí)生命的新途徑。許多年來(lái)，分子生物學(xué)方法一直作為一個(gè)“還原論”的工具，被用來(lái)剖析細(xì)胞、理解細(xì)胞中各個(gè)部分的獨(dú)立工作方式。基因組學(xué)的研究領(lǐng)域則提出了“綜合論”的研究方法。實(shí)際上，今天的分子生物學(xué)主要是由基因組測(cè)序和功能分析推動(dòng)的。

目的是理解細(xì)胞各個(gè)部分如何協(xié)同工作？一個(gè)正在行使功能的基因組是如何響應(yīng)環(huán)境變化的？體內(nèi)哪些蛋白質(zhì)發(fā)生著相互作用？這些問(wèn)題帶來(lái)了對(duì)生命現(xiàn)象的新認(rèn)識(shí)！第13頁(yè)，課件共98頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月直接獲取基因進(jìn)行研究工作；通過(guò)與已測(cè)序基因的比較，預(yù)測(cè)新基因的功能與在代謝中的可能作用分析；通過(guò)分析相關(guān)基因活性幫助建立細(xì)胞中完整的代謝網(wǎng)絡(luò)；疾病診斷與預(yù)測(cè)；疫苗與藥物的開(kāi)發(fā)；基因進(jìn)化、乃至物種進(jìn)化的分析基因組學(xué)提供眾多學(xué)科全新的起點(diǎn)第14頁(yè)，課件共98頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、從DNA雙螺旋到微生物基因組第15頁(yè)，課件共98頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月基因組學(xué)發(fā)展的歷史基因組時(shí)代的奠基石：

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的提出

Sanger雙脫氧末端終止法測(cè)序和DNA自動(dòng)測(cè)序儀的發(fā)明PCR技術(shù)生物信息學(xué)軟硬件設(shè)施的發(fā)展……第16頁(yè)，課件共98頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第17頁(yè)，課件共98頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

（一）近代分子生物學(xué)理論與技術(shù)的發(fā)展

1940S－1970S

理論上的三大發(fā)現(xiàn)：

（1）DNA是遺傳物質(zhì)；（2）DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)；（3）遺傳信息的傳遞方式技術(shù)上的三大發(fā)明：

（1）限制性核酸內(nèi)切酶；（2）載體技術(shù)（i.e.,YAC）；（3）逆轉(zhuǎn)錄酶

第18頁(yè)，課件共98頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月JamesWatsonandFrancisCrick

MauriceWilkins第19頁(yè)，課件共98頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Nature,1953Apr25;171(4356):737-738

Molecularstructureofnucleicacids:astructurefordeoxyribosenucleicacid.

WATSONJD,CRICKFHNature,1953May30;171(4361):964-967

Geneticalimplicationsofthestructureofdeoxy-ribonucleicacid.

WATSONJD,CRICKFHNature,1953Apr25;171(4356):738-740

Molecularstructureofdeoxyribonucleicacid.

WILKINSMH,STOKESAR,WILSONHR第20頁(yè)，課件共98頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第21頁(yè)，課件共98頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1962年2000年第22頁(yè)，課件共98頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

“Theprecisesequenceofthebasesisthecodewhichcarriesthegeneticinformation.”“堿基的排列順序就是攜帶遺傳信息的密碼”第23頁(yè)，課件共98頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月“基因是迄今為止最為復(fù)雜的程序”

——BillGates第24頁(yè)，課件共98頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

（二）DNA測(cè)序技術(shù)的誕生與發(fā)展

1975，F(xiàn)rederickSanger雙脫氧鏈終止法；1977，Maxam和Gilbert

氧化法（1976年，在英國(guó)的Gordon會(huì)議上兩個(gè)小組同時(shí)宣布，但Maxam和Gilbert直到1980年才正式發(fā)表研究結(jié)果）

1958199019911999第25頁(yè)，課件共98頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月StructureofInsulin第26頁(yè)，課件共98頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1977，Sanger及其同事改進(jìn)了雙脫氧法，在一塊4泳道超薄膠上1次可以讀出幾百個(gè)堿基序列；1977，Sanger研究組完成了第一個(gè)全基因組－X174噬菌體基因組（5386bps）測(cè)序；

1982，該室又完成了噬菌體基因組（48502bps）測(cè)序，這是當(dāng)時(shí)最大的測(cè)序工程;

而同時(shí)期，Maxam和Gilbert的化學(xué)法不如Sanger及其同事的酶法簡(jiǎn)便，很快就被淘汰了。

1985年，加州理工學(xué)院（CIT）Hood和Smith用四種熒光染料標(biāo)記DNA的方法，從而建立了用自動(dòng)激光儀讀取測(cè)序膠的結(jié)果。

第27頁(yè)，課件共98頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月TheSangerMethodforDNASequencing第28頁(yè)，課件共98頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

1986年6月，第一臺(tái)自動(dòng)DNA測(cè)序儀在CIT誕生；

1987年底，美國(guó)AppliedBiosystemsInc.采用Hood的技術(shù)開(kāi)發(fā)了第一臺(tái)市售的自動(dòng)測(cè)序儀，每臺(tái)儀器每天可以測(cè)一萬(wàn)到兩萬(wàn)個(gè)堿基粗序列（rawsequence）

；近年來(lái)，自動(dòng)毛細(xì)管電泳測(cè)序儀（Fullyautomatedcapillaryelectrophoresissequencer），如ABIPrism3700，每臺(tái)儀器每天可以測(cè)出五十萬(wàn)個(gè)堿基粗序列。第29頁(yè)，課件共98頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月ABIPrism3700DNASequencerABIPrism377DNASequencerPrice:$25,000Euro25,000DNA序列分析實(shí)驗(yàn)室第30頁(yè)，課件共98頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月10101010101010010101010100110101010101010010101010100101001110000111000001110000011000101010101010010101010101010100101010101001010011100001110000011100000110001001010101001010101010101010010101010100101001110000111000001110000011000101010101010010101010101010100101010101001010011100001110000011101001110000111000001110000011000101010101010010101010101010100101010101001010011100001110000011100000110001001010101001010101010101010010101010100101001110000111000001110000011000101010101010010101010101010100101010101001010011100001110000011100000110001010101010100101010101010101001010101010010100111000011100000111000001100010101010101001010101010101010010101010100101001110000111000001110000110001010110000111000001110000011000101010101010010101010101010100010101010101001010101010100010101010101001010101010101010010101010100101001110000111000001110000110001010110000111000001110000011000101010101010010101010101010111001011001010101010101010101010100010111010100000000001011100000010001000001010101001010100110010101010010010100100101001010100100101001000010101001010101010101010101010010000001010100100101001010010100100101001001010000010101010SequenceAbridgebetweenlifescienceandinformationscience第31頁(yè)，課件共98頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月NobiologycouldbedonewithoutGenbank第32頁(yè)，課件共98頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1977年5.3kb的φX174噬菌體基因組完成測(cè)序。1990年230kb的人巨細(xì)胞病毒全基因組完成測(cè)序。1995年1.8M的流感嗜血桿菌基因組完成測(cè)序。1996年完成全長(zhǎng)為12Mb釀酒酵母基因組的測(cè)序。2005年4月229

CompleteMicrobialGenomeshavebeenpublished

……（三）微生物基因組計(jì)劃（MGP）的實(shí)施

第33頁(yè)，課件共98頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（四）人類基因組計(jì)劃（HGP）的實(shí)施

1986年3月，美國(guó)能源部健康與環(huán)境研究辦公室（OfficeofHealthandEnvironmentalResearch）的CharlesDeLisi和DavidSmith在新墨西哥州圣菲市主持召開(kāi)了一次會(huì)議，與會(huì)的30多名科學(xué)家討論了測(cè)定人類基因組的可行性，并討論了各種策略，包括酵母人工染色體、噬菌體和粘粒圖譜（cosmidmap），隨機(jī)鳥槍測(cè)序（randomshotgunsequencing和cDNA等。大多數(shù)人主張用圖譜，用大量酵母人工染色體和粘粒克隆來(lái)交疊覆蓋人類基因組，然后再對(duì)單個(gè)克隆測(cè)序，依此估計(jì)，每完成一個(gè)堿基要花費(fèi)1美元，整個(gè)項(xiàng)目需要30億美元。

第34頁(yè)，課件共98頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

1986年諾貝爾獎(jiǎng)獲得者R.Dulbecco提出人類基因組計(jì)劃——測(cè)出人類全套基因組的DNA堿基序列（3X109bp）；1988，美國(guó)國(guó)家研究委員會(huì)（NationalResearchCouncil）開(kāi)始支持人類基因組計(jì)劃，并每年投資2億美元；1988，美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生院（NationalInstituteofHealth,NIH）從能源部手中搶走了領(lǐng)導(dǎo)權(quán)，開(kāi)始領(lǐng)導(dǎo)負(fù)責(zé)人類基因組計(jì)劃，由國(guó)立衛(wèi)生研究院和能源部共同組成“人類基因組研究所(NHGIR)”；1990，美國(guó)政府決定正式啟動(dòng)HGP，預(yù)計(jì)用15年時(shí)間，投入30億美元，完成HGP逐漸地，HGP擴(kuò)展為多國(guó)協(xié)作計(jì)劃。參與者包括：歐共體、日本、加拿大、俄羅斯、巴西、印度和中國(guó)等國(guó)的科學(xué)家。

第35頁(yè)，課件共98頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第36頁(yè)，課件共98頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Science,2001,291:1304-1351Nature,2001,409:860-921第37頁(yè)，課件共98頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月“Thegenomiceraisnowareality”!---F.CollinsDirectoroftheNationalHumanGenomeResearchInstitute(NHGRI)atNIH第38頁(yè)，課件共98頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Nature，2003,422:835-847第39頁(yè)，課件共98頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、微生物基因組計(jì)劃概況和重要意義第40頁(yè)，課件共98頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月舉世矚目的人類基因組計(jì)劃(HGP)人所共知，那么微生物基因組計(jì)劃(MGP)呢？第41頁(yè)，課件共98頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月微生物基因組相對(duì)較小，易于操作，它的研究比人類基因組計(jì)劃先行一步，起到了“開(kāi)路先鋒”的作用微生物基因組學(xué)所取得的理論和技術(shù)進(jìn)展，為人類基因組計(jì)劃提供了及有益的借鑒微生物基因組計(jì)劃的發(fā)展，可以為研究人類未知基因的功能提供寶貴的線索一些模式生物，如大腸桿菌和釀酒酵母菌，本身就是人類基因組計(jì)劃的研究?jī)?nèi)容人類基因組計(jì)劃的強(qiáng)大資金投入和在人類基因組計(jì)劃中發(fā)展和完善起來(lái)的生物信息學(xué)技術(shù)又極大地促進(jìn)了微生物計(jì)劃的飛速發(fā)展由于微生物種類的多樣性，可以估計(jì)，人類在微生物基因組的總測(cè)序量將會(huì)超過(guò)人類基因組計(jì)劃兩者的發(fā)展相互交融，密不可分。第42頁(yè)，課件共98頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1994年:美國(guó)DOE(Departmentofenergy)啟動(dòng)MGP;MGP是對(duì)人類基因計(jì)劃的延續(xù)，該計(jì)劃主要是對(duì)環(huán)境或能源相關(guān)，系統(tǒng)發(fā)生學(xué)相關(guān)，或具有潛在商業(yè)應(yīng)用性的微生物基因組進(jìn)行完全測(cè)序，目的是為了更好的了解地球上的微生物資源。截至2003年4月，MGP已完成約100株微生物基因組的測(cè)序。它的研究計(jì)劃還包括和應(yīng)用微生物學(xué)相關(guān)的生物技術(shù)，如纖維素降解，碳吸收等等。微生物基因組計(jì)劃（MGP)第43頁(yè)，課件共98頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第44頁(yè)，課件共98頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月除了美國(guó)DOE的MGP，美國(guó)的NIH（NationalInstitutesofHealth)也資助了很多病原微生物基因組的測(cè)序，如第一個(gè)測(cè)序的細(xì)胞生物流感嗜血桿菌(H.influenzae)等，它是在

TIGR（TheInstituteforGenomeResearch）中心測(cè)序完成。截至2002年9月，美國(guó)的NIAID(TheNationalInstitutesofAllergyandInfectiousDisease)資助完成了15個(gè)病原菌的測(cè)序，另外44個(gè)基因組項(xiàng)目也在進(jìn)行之中。其它資助微生物基因組測(cè)序的機(jī)構(gòu)美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院（NationalInstitutesofHealth）第45頁(yè)，課件共98頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月其它資助微生物基因組測(cè)序的機(jī)構(gòu)英國(guó)的WellcomeTrust是世界上最大的慈善團(tuán)體，它的資產(chǎn)達(dá)到了150億英鎊。由它資助的SangerInstitute是除了美國(guó)之外世界上最大的基因組中心，在HGP中承擔(dān)了1/3的測(cè)序任務(wù)。SangerInstitute（現(xiàn)為：TheWellcomeTrustSangerInstitute）的微生物基因組測(cè)序主要集中在病原菌和模式生物上。截至2002年9月，它已經(jīng)發(fā)表了7個(gè)微生物基因組的序列，同時(shí)還有7個(gè)已經(jīng)完成，另外24個(gè)還在進(jìn)行之中。第46頁(yè)，課件共98頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1995－2002年原核生物全基因組測(cè)序情況Genomessequencedbetween1995and2002第47頁(yè)，課件共98頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第48頁(yè)，課件共98頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2004年9月第49頁(yè)，課件共98頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2005年4月第50頁(yè)，課件共98頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2004年9月第51頁(yè)，課件共98頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2005年4月第52頁(yè)，課件共98頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月測(cè)序微生物的類別幾乎所有類別的病毒模式微生物極端環(huán)境微生物病原原核生物環(huán)境降解微生物其他Viruses第53頁(yè)，課件共98頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月病原菌菌株數(shù)基因組大小(Mb)炭疽芽孢桿菌（B.anthracis）45.23-5.50葡萄球菌（S.epidermidis;S.aureus）62.50-2.90肺炎鏈球菌（S.pneumoniae）22.04-2.16化膿性鏈球菌（S.pyogenes）51.85-1.90腦膜炎奈瑟菌（N.meningitidis）22.18-2.27志賀氏菌(S.flexneri)24.60-4.83沙門氏菌（S.typhietal）34.79-5.13霍亂弧菌（V.cholerae）14.0創(chuàng)傷弧菌(V.vulnificus)15.13-5.26測(cè)序的部分病原原核生物第54頁(yè)，課件共98頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月流感嗜血桿菌（H.influenzae）11.83空腸彎曲菌（C.jejuni）11.64幽門螺桿菌（H.pylori）21.64-1.66鼠疫耶氏菌（Y.pestis）34.60-4.83布魯氏菌（B.melitensis）23.29-3.31綠膿假單胞菌（P.aeruginosa）16.26巴斯德氏菌（P.multocida）12.25產(chǎn)單核細(xì)胞李斯特氏菌（L.monocytogenes）12.94結(jié)核分枝桿菌（M.tuberculosis）34.40-4.41第55頁(yè)，課件共98頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月麻風(fēng)分枝桿菌（M.

leprae）13.27伯氏疏螺旋體（B.burgdorferi）11.23蒼白密螺旋體（T.pallidum）11.14衣原體(Chlamydia）61.04-1.23枝原體（Mycoplasma）60.58-1.35立克次氏體（Rickettsia）31.11-1.25厭氧芽孢梭菌22.80-3.03(C.tetani；C.perfringens）LymediseaseB.

burgdorferi第56頁(yè)，課件共98頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月隨著新千年的來(lái)臨，分子生物學(xué)的主要目標(biāo)就是獲得盡可能多生物的全基因組序列，全世界已經(jīng)完成和正在進(jìn)行的基因組測(cè)序項(xiàng)目已經(jīng)有四百多個(gè)。為什么所有這些活動(dòng)都集中在基因組序列上？微生物基因組學(xué)又有些什么重要意義？微生物基因組學(xué)的重要意義第57頁(yè)，課件共98頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月無(wú)論對(duì)分子生物學(xué)和遺傳學(xué)持續(xù)發(fā)展，還是對(duì)被稱為分子生命科學(xué)（molecularlifescience)的生物化學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)和生理學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展，基因組序列都是至關(guān)重要的。即使最初許多基因的功能未知，一個(gè)描述基因組中每個(gè)基因序列的目錄還是很有價(jià)值的。這個(gè)目錄中不僅包括每一個(gè)基因編碼區(qū)的序列，并且還包括這些基因的調(diào)控序列。因此，基因組序列就為全面了解細(xì)胞的分子活動(dòng)打開(kāi)了一條通道，同時(shí)也指出了這些活動(dòng)的調(diào)控方式。第58頁(yè)，課件共98頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月利用微生物基因組學(xué)的知識(shí)，我們可以將微生物的全部DNA和蛋白質(zhì)序列，mRNA和蛋白質(zhì)水平的變化以及蛋白質(zhì)的相互作用的所有信息進(jìn)行整合，以便了解基因組的組織和生命細(xì)胞的工作。如果我們有了足夠的知識(shí)，就可以最終在計(jì)算機(jī)上模擬一個(gè)微生物細(xì)胞并預(yù)示它對(duì)環(huán)境的變化將如何應(yīng)答。第59頁(yè)，課件共98頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月通過(guò)比較廣泛的基因組，我們可研究水平基因轉(zhuǎn)移的性質(zhì)和微生物進(jìn)化的過(guò)程。比較基因組學(xué)將有助于微生物生物多樣性的研究。病原體的基因組研究可用來(lái)洞察病因，并為感染疾病提出治療方案，提供更敏感的診斷試驗(yàn)、新的抗體和不同的疫苗；能夠鑒定可能的毒性基因并研究在感染期間基因的表達(dá)；還可以檢測(cè)宿主對(duì)致病因子的反應(yīng)。第60頁(yè)，課件共98頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月微生物基因組學(xué)在工業(yè)上的應(yīng)用也是巨大的。例如：微生物基因組學(xué)能夠用來(lái)鑒定具有工業(yè)潛力的新酶，提高危險(xiǎn)廢物的生物整治，改良微生物產(chǎn)甲烷和其它燃料的技術(shù)。第61頁(yè)，課件共98頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月微生物基因組學(xué)也將極大地影響農(nóng)業(yè)。它可以用來(lái)發(fā)現(xiàn)新的生物殺蟲劑和通過(guò)提高諸如固氮這樣的過(guò)程來(lái)改善可持續(xù)的農(nóng)業(yè)發(fā)展。第62頁(yè)，課件共98頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月對(duì)于所有研究微生物基因的分子生物學(xué)家來(lái)說(shuō)，當(dāng)目標(biāo)生物的基因組序列未知時(shí)，基因也可以從基因組中分離出來(lái)。但是這個(gè)過(guò)程既耗時(shí)又費(fèi)力，并且分離每一個(gè)基因都要設(shè)計(jì)不同的方案。如果基因組序列已知的話，那么所需基因的分離就變得相對(duì)容易些，那時(shí)基因就可以很簡(jiǎn)單地從目錄上解讀出來(lái)了。這樣基因組學(xué)就為分子生物學(xué)提供了從序列到表型的新的工作模式。第63頁(yè)，課件共98頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月對(duì)于某些難以在實(shí)驗(yàn)室條件下培養(yǎng)的微生物，例如某些古細(xì)菌或寄生菌，用普通的實(shí)驗(yàn)方法難以對(duì)它們進(jìn)行研究。這時(shí)對(duì)它們進(jìn)行基因組測(cè)序，并用比較基因組學(xué)的方法對(duì)其基因組進(jìn)行注釋，是獲得有關(guān)這些微生物的生物學(xué)知識(shí)的較好途徑。第64頁(yè)，課件共98頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月最后，進(jìn)行基因組計(jì)劃還有一個(gè)理由：這項(xiàng)工作將現(xiàn)有技術(shù)發(fā)揮到了極至。因此基因組測(cè)序代表了分子生物學(xué)的前沿，該領(lǐng)域在幾年前還是不可企及的，現(xiàn)在也還需要?jiǎng)?chuàng)新和大量的艱苦工作才能完成。科學(xué)家們一直在努力完成這項(xiàng)幾不可能的工作，眾多分子生物學(xué)家參與基因組計(jì)劃的動(dòng)機(jī)十分簡(jiǎn)單，那就是向未知挑戰(zhàn)！第65頁(yè)，課件共98頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月基因組學(xué)回答有趣的問(wèn)題示例一研究人類病原體的最大困難之一是梅毒的致病因子－蒼白密螺旋體(T.pallidum)。這是因?yàn)槲覀儾荒茉谌梭w之外培養(yǎng)T.pallidum，因此，有關(guān)它的代謝或它逃避宿主防御的途徑也就幾乎不知道，更沒(méi)有相關(guān)疫苗的產(chǎn)生。那么很自然，它的基因組的測(cè)序帶來(lái)了相當(dāng)大的興奮和希望。第66頁(yè)，課件共98頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月根據(jù)T.pallidum基因組注釋繪制的代謝圖第67頁(yè)，課件共98頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月結(jié)果表明，

T.pallidum的代謝途徑是殘缺不全的，它能夠用碳水化合物作為能源，但是缺乏TCA循環(huán)和呼吸電子轉(zhuǎn)移。它也缺乏許多生物合成途徑（例如酶輔助因子、脂肪酸、核甘酸），必須依賴于它的宿主來(lái)提供。因?yàn)槿鄙賻讉€(gè)關(guān)鍵的途徑，所以該病原體不能在體外培養(yǎng)的原因也就昭然若揭了。T.pallidum具有許多具有重復(fù)序列特征的表面蛋白基因家族。據(jù)推測(cè)，這些基因可能是通過(guò)重組來(lái)產(chǎn)生新的表面蛋白，并使該菌逃避宿主免疫系統(tǒng)的攻擊。我們有可能通過(guò)這些表面蛋白來(lái)鑒定T.pallidum菌株，還可以用來(lái)制備梅毒疫苗。由于T.pallidum基因組中約有40％的基因未知功能，其中一些可能是負(fù)責(zé)產(chǎn)生毒素及其它毒性因子的，如果我們要對(duì)T.pallidum是任何引起梅毒有更多的了解，就需要對(duì)這些基因進(jìn)行更進(jìn)一步的研究。第68頁(yè)，課件共98頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月基因組學(xué)回答有趣的問(wèn)題示例二衣原體(Chlamydiae)是非運(yùn)動(dòng)的球形G－細(xì)菌，它只能在真核細(xì)胞細(xì)胞質(zhì)的泡囊中以獨(dú)特的生命周期進(jìn)行繁殖。它的基因組測(cè)序已經(jīng)揭示了幾個(gè)驚人的結(jié)果。因?yàn)樵摼纳芷诜浅Ｌ貏e，人們?cè)A(yù)期它的基因組可能也很特殊。但事實(shí)并非如此，它的基因組于其它許多細(xì)菌基本都是一樣的。第69頁(yè)，課件共98頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月微生物學(xué)家稱Chlamydiae為“能量寄生菌”，認(rèn)為它從寄主細(xì)胞中獲得所有的ATP，但基因組結(jié)果表明，它至少有一些自己制造ATP的基因。Chlamydiae基因組中含有20個(gè)從真核宿主細(xì)胞中獲得的基因，其中一些基因是類似植物的。那么我們有可能推測(cè)，Chlamydiae起初是感染了植物宿主，然后才轉(zhuǎn)移至動(dòng)物。另一個(gè)讓人驚奇的發(fā)現(xiàn)是Chlamydiae具有合成肽聚糖的基因。因?yàn)镃hlamydiae的細(xì)胞壁缺少肽聚糖，所以微生物學(xué)家一直不能解釋青霉素為什么能夠抑制Chlamydiae的生長(zhǎng)。肽聚糖合成酶的存在可以幫助說(shuō)明青霉素的作用，但是Chlamydiae合成肽聚糖的作用是什么，目前還不清楚。第70頁(yè)，課件共98頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chlamydiae缺乏被認(rèn)為是所有細(xì)菌和古細(xì)菌在細(xì)胞分裂過(guò)程中，形成分隔所必須的ftsZ基因，這一點(diǎn)也很讓人奇怪。缺乏這種“house-keeping”類的基因，那么它是怎么分裂的呢？是否還有一些未知功能的基因在細(xì)胞分裂中起主要作用呢？或者Chlamydiae所使用的細(xì)胞分裂機(jī)制根本就不同于其它原核生物？這些問(wèn)題都需要進(jìn)一步的研究來(lái)解答。？第71頁(yè)，課件共98頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

隨著微生物基因組學(xué)的發(fā)展，越來(lái)越多的問(wèn)題找到了答案，但越來(lái)越多的新問(wèn)題又提了出來(lái)。這表明我們對(duì)微生物生物學(xué)知識(shí)還了解得很少，還有許許多多微生物的遺傳學(xué)、生理學(xué)以及代謝的知識(shí)需要我們?nèi)W(xué)習(xí)，甚至以前已經(jīng)深入研究過(guò)的東西都還需要重新審視。

微生物基因組學(xué)將極大地影響微生物學(xué)的許多領(lǐng)域。我們對(duì)微生物了解的進(jìn)展也將有助于對(duì)更復(fù)雜的真核生物基因組的研究。第72頁(yè)，課件共98頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月四、幾種重要微生物基因組的測(cè)序第73頁(yè)，課件共98頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第一個(gè)被測(cè)序的細(xì)胞生物--流感嗜血桿菌

(Haemophilusinfluenzae)H.influenzae是由Pfeiffer于1892年流感世界大流行時(shí)，從病人鼻咽部分離出的短小桿菌，當(dāng)時(shí)認(rèn)為它就是流感的病原菌，不過(guò)事實(shí)并非如此?；蚪M大小為1.8Mb,含有1743的基因，在細(xì)菌基因組中較為典型；其G＋C含量為38％，與人類基因組十分接近?；蚪M的測(cè)序和初步的注釋工作由FleischmannRD(TIGR)等于1995等完成并報(bào)道（Whole-genomerandomsequenc-ingandassemblyofHaemophilusinfluenzae,Science269(5223):496-512,1995）。

第74頁(yè)，課件共98頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Haemophilusinfluenzae培養(yǎng)特征感染癥狀第75頁(yè)，課件共98頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月H.influenzae第76頁(yè)，課件共98頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月外同心環(huán)中推斷的編碼區(qū)用表示它們的功能作用的顏色指出。外周也顯示NotI、RsrⅡ和SmaI限制位點(diǎn)。內(nèi)同心環(huán)顯示高G+C含量（紅和藍(lán)）和高A+T含量（黑和綠）。第三環(huán)顯示由λ克隆所包含的范圍（藍(lán)色）。第四環(huán)顯示rRNA操縱子（綠色）、tRNA（黑色）和類似mu原噬菌體（藍(lán)色）的位置。第五環(huán)顯示簡(jiǎn)單的重復(fù)序列和可能的復(fù)制起始區(qū)（向外指的綠色箭頭），紅色是潛在的終止序列。第77頁(yè)，課件共98頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月H.influenzae基因組測(cè)序的意義20世紀(jì)90年代，關(guān)于WGS（Wholegenomeshotgun)

的可行性有很大爭(zhēng)議，許多分子生物學(xué)家認(rèn)為，比較所有的短序列和鑒定重疊區(qū)的信息處理量，即使是對(duì)于最小的基因組，當(dāng)時(shí)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)也不可能勝任。作為第一個(gè)測(cè)序的細(xì)胞生物，H.influenzae的基因組序列完全是使用WGS而沒(méi)有借助于任何遺傳或物理圖譜信息，最終結(jié)束了這場(chǎng)辯論，確立了微生物基因組測(cè)序方法的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，打開(kāi)了微生物基因組時(shí)代的大門！第78頁(yè)，課件共98頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月H.influenzae基因組序列是人類看到的第一張完整的細(xì)胞生物的生命藍(lán)圖，它在以后的細(xì)菌鑒定、基因注釋、比較基因組研究、DNA芯片、蛋白質(zhì)組研究、宿主和病原菌相互作用的研究,新的疫苗的研制等諸多方面均產(chǎn)生了重大而深遠(yuǎn)的影響！第79頁(yè)，課件共98頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Thepaperhasbeencited2294timesbetween1995and2002.53

ofthesecitingpublicationsthemselveshavebeencitedmorethan150timeseach.第80頁(yè)，課件共98頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月H.influenzae基因組測(cè)序工作中的一些措施也為隨后的基因組測(cè)序提供了借鑒。例如，同時(shí)構(gòu)建小片段文庫(kù)和大片段文庫(kù)和末端測(cè)序相結(jié)合，這對(duì)測(cè)序的精確組裝非常重要；嚴(yán)格去除載體序列；對(duì)于每一個(gè)測(cè)序片斷需達(dá)到一定長(zhǎng)度以保證一些小的重復(fù)序列在組裝時(shí)不被遺漏，同時(shí)又可以保證其測(cè)序的高精確性等等……第81頁(yè)，課件共98頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月大腸桿菌（E.coli)基因組的測(cè)序人們常說(shuō)，每個(gè)分子生物學(xué)家都對(duì)兩種生物感興趣，一種是所研究的物種，另一種就是E.coli。研究人員可以利用實(shí)驗(yàn)室中的E.coli菌株克隆DNA、表達(dá)蛋白質(zhì)、分離目的基因等，如果沒(méi)有E.coli，實(shí)驗(yàn)室將無(wú)法工作。第82頁(yè)，課件共98頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1997年，非致病的E.coli實(shí)驗(yàn)室菌株K-12的基因組被公布，這個(gè)長(zhǎng)為4.6Mb的基因組是由威斯康星大學(xué)的FredBlattner實(shí)驗(yàn)室測(cè)序完成的。這個(gè)里程碑式的工作對(duì)于了解E.coli非常重要，對(duì)于怎樣進(jìn)行所有的分子生物學(xué)研究也產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。第83頁(yè)，課件共98頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月GeneticmapofEscherichiacoliK12第84頁(yè)，課件共98頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月ProteincodinggenesdistributionmapofEscherichiacoliK12第85頁(yè)，課件共98頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Allpublicationsthatcitedtheoriginalpaperandhavethemselvesbeencitedmorethat100timesareshown.第86頁(yè)，課件共98頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月關(guān)于E.coli基因組的測(cè)序

E.coli基因組的測(cè)序由Blattner于1983年首先提出，于19