微生物基因組學

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

“了解一個有機體的全部生物學的先決條件是確定它的完整的基因組序列。”

——J.CraigVenter

(FounderandChairmanofTIGR)第5頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月什么是“基因組學”？基因組學(genomics)來源于“genome”這個詞,是一門對生命有機體全基因組序列進行分析、比較和注釋的新興學科。基因組（genome）序列為我們提供了有機體的最基本信息，序列中的基因和調(diào)控位點就是該有機體的“零部件”和“運行指令”，同時它還提供該有機體進化方面的線索，序列就自然而然地成為研究諸多新物種的出發(fā)點?；蚪M學是二十世紀醫(yī)學和生物學飛躍發(fā)展中最激動人心的成果之一，并將為二十一世紀的醫(yī)學和生物學打下了堅實的基礎。

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

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

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

Microbiology,FifthEdition第9頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月隨著基因組和基因組學這兩個術(shù)語變得流行起來，一系列新的術(shù)語也被創(chuàng)造出來，每個新的研究領域都冠以“……組學”（-omic)的名稱，而被研究的對象則被稱為“……組”(-ome)。例如蛋白質(zhì)組和蛋白質(zhì)組學。一個蛋白質(zhì)組（proteome)表示某個時刻在一個細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。這些新興的領域能否歸到“基因組學”之下，尚有較大的爭議。關于基因組學的范疇第10頁，課件共98頁，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，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月基因組學研究的3大主題和6個層面第12頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月基因組學帶來研究問題的新視角新技術(shù)的出現(xiàn)伴隨著全新的問題以及人類認識生命的新途徑。許多年來，分子生物學方法一直作為一個“還原論”的工具，被用來剖析細胞、理解細胞中各個部分的獨立工作方式?；蚪M學的研究領域則提出了“綜合論”的研究方法。實際上，今天的分子生物學主要是由基因組測序和功能分析推動的。

目的是理解細胞各個部分如何協(xié)同工作？一個正在行使功能的基因組是如何響應環(huán)境變化的？體內(nèi)哪些蛋白質(zhì)發(fā)生著相互作用？這些問題帶來了對生命現(xiàn)象的新認識！第13頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月直接獲取基因進行研究工作；通過與已測序基因的比較，預測新基因的功能與在代謝中的可能作用分析；通過分析相關基因活性幫助建立細胞中完整的代謝網(wǎng)絡；疾病診斷與預測；疫苗與藥物的開發(fā)；基因進化、乃至物種進化的分析基因組學提供眾多學科全新的起點第14頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月二、從DNA雙螺旋到微生物基因組第15頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月基因組學發(fā)展的歷史基因組時代的奠基石：

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的提出

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

（一）近代分子生物學理論與技術(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，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月JamesWatsonandFrancisCrick

MauriceWilkins第19頁，課件共98頁，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，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月第21頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月1962年2000年第22頁，課件共98頁，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，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月“基因是迄今為止最為復雜的程序”

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

（二）DNA測序技術(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，在英國的Gordon會議上兩個小組同時宣布，但Maxam和Gilbert直到1980年才正式發(fā)表研究結(jié)果）

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

1982，該室又完成了噬菌體基因組（48502bps）測序，這是當時最大的測序工程;

而同時期，Maxam和Gilbert的化學法不如Sanger及其同事的酶法簡便，很快就被淘汰了。

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

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

1986年6月，第一臺自動DNA測序儀在CIT誕生；

1987年底，美國AppliedBiosystemsInc.采用Hood的技術(shù)開發(fā)了第一臺市售的自動測序儀，每臺儀器每天可以測一萬到兩萬個堿基粗序列（rawsequence）

；近年來，自動毛細管電泳測序儀（Fullyautomatedcapillaryelectrophoresissequencer），如ABIPrism3700，每臺儀器每天可以測出五十萬個堿基粗序列。第29頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月ABIPrism3700DNASequencerABIPrism377DNASequencerPrice:$25,000Euro25,000DNA序列分析實驗室第30頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月10101010101010010101010100110101010101010010101010100101001110000111000001110000011000101010101010010101010101010100101010101001010011100001110000011100000110001001010101001010101010101010010101010100101001110000111000001110000011000101010101010010101010101010100101010101001010011100001110000011101001110000111000001110000011000101010101010010101010101010100101010101001010011100001110000011100000110001001010101001010101010101010010101010100101001110000111000001110000011000101010101010010101010101010100101010101001010011100001110000011100000110001010101010100101010101010101001010101010010100111000011100000111000001100010101010101001010101010101010010101010100101001110000111000001110000110001010110000111000001110000011000101010101010010101010101010100010101010101001010101010100010101010101001010101010101010010101010100101001110000111000001110000110001010110000111000001110000011000101010101010010101010101010111001011001010101010101010101010100010111010100000000001011100000010001000001010101001010100110010101010010010100100101001010100100101001000010101001010101010101010101010010000001010100100101001010010100100101001001010000010101010SequenceAbridgebetweenlifescienceandinformationscience第31頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月NobiologycouldbedonewithoutGenbank第32頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月1977年5.3kb的φX174噬菌體基因組完成測序。1990年230kb的人巨細胞病毒全基因組完成測序。1995年1.8M的流感嗜血桿菌基因組完成測序。1996年完成全長為12Mb釀酒酵母基因組的測序。2005年4月229

CompleteMicrobialGenomeshavebeenpublished

……（三）微生物基因組計劃（MGP）的實施

第33頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月（四）人類基因組計劃（HGP）的實施

1986年3月，美國能源部健康與環(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了一次會議，與會的30多名科學家討論了測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），隨機鳥槍測序（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?？寺斫化B覆蓋人類基因組，然后再對單個克隆測序，依此估計，每完成一個堿基要花費1美元，整個項目需要30億美元。

第34頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月

1986年諾貝爾獎獲得者R.Dulbecco提出人類基因組計劃——測出人類全套基因組的DNA堿基序列（3X109bp）；1988，美國國家研究委員會（NationalResearchCouncil）開始支持人類基因組計劃，并每年投資2億美元；1988，美國國立衛(wèi)生院（NationalInstituteofHealth,NIH）從能源部手中搶走了領導權(quán)，開始領導負責人類基因組計劃，由國立衛(wèi)生研究院和能源部共同組成“人類基因組研究所(NHGIR)”；1990，美國政府決定正式啟動HGP，預計用15年時間，投入30億美元，完成HGP逐漸地，HGP擴展為多國協(xié)作計劃。參與者包括：歐共體、日本、加拿大、俄羅斯、巴西、印度和中國等國的科學家。

第35頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月第36頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月Science,2001,291:1304-1351Nature,2001,409:860-921第37頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月“Thegenomiceraisnowareality”!---F.CollinsDirectoroftheNationalHumanGenomeResearchInstitute(NHGRI)atNIH第38頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月Nature，2003,422:835-847第39頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月三、微生物基因組計劃概況和重要意義第40頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月舉世矚目的人類基因組計劃(HGP)人所共知，那么微生物基因組計劃(MGP)呢？第41頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月微生物基因組相對較小，易于操作，它的研究比人類基因組計劃先行一步，起到了“開路先鋒”的作用微生物基因組學所取得的理論和技術(shù)進展，為人類基因組計劃提供了及有益的借鑒微生物基因組計劃的發(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劃的研究內(nèi)容人類基因組計劃的強大資金投入和在人類基因組計劃中發(fā)展和完善起來的生物信息學技術(shù)又極大地促進了微生物計劃的飛速發(fā)展由于微生物種類的多樣性，可以估計，人類在微生物基因組的總測序量將會超過人類基因組計劃兩者的發(fā)展相互交融，密不可分。第42頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月1994年:美國DOE(Departmentofenergy)啟動MGP;MGP是對人類基因計劃的延續(xù)，該計劃主要是對環(huán)境或能源相關，系統(tǒng)發(fā)生學相關，或具有潛在商業(yè)應用性的微生物基因組進行完全測序，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序。它的研究計劃還包括和應用微生物學相關的生物技術(shù)，如纖維素降解，碳吸收等等。微生物基因組計劃（MGP)第43頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月第44頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月除了美國DOE的MGP，美國的NIH（NationalInstitutesofHealth)也資助了很多病原微生物基因組的測序，如第一個測序的細胞生物流感嗜血桿菌(H.influenzae)等，它是在

TIGR（TheInstituteforGenomeResearch）中心測序完成。截至2002年9月，美國的NIAID(TheNationalInstitutesofAllergyandInfectiousDisease)資助完成了15個病原菌的測序，另外44個基因組項目也在進行之中。其它資助微生物基因組測序的機構(gòu)美國國立衛(wèi)生研究院（NationalInstitutesofHealth）第45頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月其它資助微生物基因組測序的機構(gòu)英國的WellcomeTrust是世界上最大的慈善團體，它的資產(chǎn)達到了150億英鎊。由它資助的SangerInstitute是除了美國之外世界上最大的基因組中心，在HGP中承擔了1/3的測序任務。SangerInstitute（現(xiàn)為：TheWellcomeTrustSangerInstitute）的微生物基因組測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個微生物基因組的序列，同時還有7個已經(jīng)完成，另外24個還在進行之中。第46頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月1995－2002年原核生物全基因組測序情況Genomessequencedbetween1995and2002第47頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月第48頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月2004年9月第49頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月2005年4月第50頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月2004年9月第51頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月2005年4月第52頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月測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，課件共98頁，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測序的部分病原原核生物第54頁，課件共98頁，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，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月麻風分枝桿菌（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，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月隨著新千年的來臨，分子生物學的主要目標就是獲得盡可能多生物的全基因組序列，全世界已經(jīng)完成和正在進行的基因組測序項目已經(jīng)有四百多個。為什么所有這些活動都集中在基因組序列上？微生物基因組學又有些什么重要意義？微生物基因組學的重要意義第57頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月無論對分子生物學和遺傳學持續(xù)發(fā)展，還是對被稱為分子生命科學（molecularlifescience)的生物化學、細胞生物學和生理學領域的發(fā)展，基因組序列都是至關重要的。即使最初許多基因的功能未知，一個描述基因組中每個基因序列的目錄還是很有價值的。這個目錄中不僅包括每一個基因編碼區(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胞的分子活動打開了一條通道，同時也指出了這些活動的調(diào)控方式。第58頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月利用微生物基因組學的知識，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行整合，以便了解基因組的組織和生命細胞的工作。如果我們有了足夠的知識，就可以最終在計算機上模擬一個微生物細胞并預示它對環(huán)境的變化將如何應答。第59頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月通過比較廣泛的基因組，我們可研究水平基因轉(zhuǎn)移的性質(zhì)和微生物進化的過程。比較基因組學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、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；還可以檢測宿主對致病因子的反應。第60頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月微生物基因組學在工業(yè)上的應用也是巨大的。例如：微生物基因組學能夠用來鑒定具有工業(yè)潛力的新酶，提高危險廢物的生物整治，改良微生物產(chǎn)甲烷和其它燃料的技術(shù)。第61頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月微生物基因組學也將極大地影響農(nóng)業(yè)。它可以用來發(fā)現(xiàn)新的生物殺蟲劑和通過提高諸如固氮這樣的過程來改善可持續(xù)的農(nóng)業(yè)發(fā)展。第62頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月對于所有研究微生物基因的分子生物學家來說，當目標生物的基因組序列未知時，基因也可以從基因組中分離出來。但是這個過程既耗時又費力，并且分離每一個基因都要設計不同的方案。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容易些，那時基因就可以很簡單地從目錄上解讀出來了。這樣基因組學就為分子生物學提供了從序列到表型的新的工作模式。第63頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月對于某些難以在實驗室條件下培養(yǎng)的微生物，例如某些古細菌或寄生菌，用普通的實驗方法難以對它們進行研究。這時對它們進行基因組測序，并用比較基因組學的方法對其基因組進行注釋，是獲得有關這些微生物的生物學知識的較好途徑。第64頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月最后，進行基因組計劃還有一個理由：這項工作將現(xiàn)有技術(shù)發(fā)揮到了極至。因此基因組測序代表了分子生物學的前沿，該領域在幾年前還是不可企及的，現(xiàn)在也還需要創(chuàng)新和大量的艱苦工作才能完成。科學家們一直在努力完成這項幾不可能的工作，眾多分子生物學家參與基因組計劃的動機十分簡單，那就是向未知挑戰(zhàn)！第65頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月基因組學回答有趣的問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)。這是因為我們不能在人體之外培養(yǎng)T.pallidum，因此，有關它的代謝或它逃避宿主防御的途徑也就幾乎不知道，更沒有相關疫苗的產(chǎn)生。那么很自然，它的基因組的測序帶來了相當大的興奮和希望。第66頁，課件共98頁，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，課件共98頁，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提供。因為缺少幾個關鍵的途徑，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具有許多具有重復序列特征的表面蛋白基因家族。據(jù)推測，這些基因可能是通過重組來產(chǎn)生新的表面蛋白，并使該菌逃避宿主免疫系統(tǒng)的攻擊。我們有可能通過這些表面蛋白來鑒定T.pallidum菌株，還可以用來制備梅毒疫苗。由于T.pallidum基因組中約有40％的基因未知功能，其中一些可能是負責產(chǎn)生毒素及其它毒性因子的，如果我們要對T.pallidum是任何引起梅毒有更多的了解，就需要對這些基因進行更進一步的研究。第68頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月基因組學回答有趣的問題示例二衣原體(Chlamydiae)是非運動的球形G－細菌，它只能在真核細胞細胞質(zhì)的泡囊中以獨特的生命周期進行繁殖。它的基因組測序已經(jīng)揭示了幾個驚人的結(jié)果。因為該菌的生命周期非常特別，人們曾預期它的基因組可能也很特殊。但事實并非如此，它的基因組于其它許多細菌基本都是一樣的。第69頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月微生物學家稱Chlamydiae為“能量寄生菌”，認為它從寄主細胞中獲得所有的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個從真核宿主細胞中獲得的基因，其中一些基因是類似植物的。那么我們有可能推測，Chlamydiae起初是感染了植物宿主，然后才轉(zhuǎn)移至動物。另一個讓人驚奇的發(fā)現(xiàn)是Chlamydiae具有合成肽聚糖的基因。因為Chlamydiae的細胞壁缺少肽聚糖，所以微生物學家一直不能解釋青霉素為什么能夠抑制Chlamydiae的生長。肽聚糖合成酶的存在可以幫助說明青霉素的作用，但是Chlamydiae合成肽聚糖的作用是什么，目前還不清楚。第70頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月Chlamydiae缺乏被認為是所有細菌和古細菌在細胞分裂過程中，形成分隔所必須的ftsZ基因，這一點也很讓人奇怪。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胞分裂中起主要作用呢？或者Chlamydiae所使用的細胞分裂機制根本就不同于其它原核生物？這些問題都需要進一步的研究來解答。？第71頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月

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

微生物基因組學將極大地影響微生物學的許多領域。我們對微生物了解的進展也將有助于對更復雜的真核生物基因組的研究。第72頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月四、幾種重要微生物基因組的測序第73頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月第一個被測序的細胞生物--流感嗜血桿菌

(Haemophilusinfluenzae)H.influenzae是由Pfeiffer于1892年流感世界大流行時，從病人鼻咽部分離出的短小桿菌，當時認為它就是流感的病原菌，不過事實并非如此。基因組大小為1.8Mb,含有1743的基因，在細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的測序和初步的注釋工作由FleischmannRD(TIGR)等于1995等完成并報道（Whole-genomerandomsequenc-ingandassemblyofHaemophilusinfluenzae,Science269(5223):496-512,1995）。

第74頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月Haemophilusinfluenzae培養(yǎng)特征感染癥狀第75頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月H.influenzae第76頁，課件共98頁，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。內(nèi)同心環(huán)顯示高G+C含量（紅和藍）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（藍色）的位置。第五環(huán)顯示簡單的重復序列和可能的復制起始區(qū)（向外指的綠色箭頭），紅色是潛在的終止序列。第77頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月H.influenzae基因組測序的意義20世紀90年代，關于WGS（Wholegenomeshotgun)

的可行性有很大爭議，許多分子生物學家認為，比較所有的短序列和鑒定重疊區(qū)的信息處理量，即使是對于最小的基因組，當時的計算機系統(tǒng)也不可能勝任。作為第一個測序的細胞生物，H.influenzae的基因組序列完全是使用WGS而沒有借助于任何遺傳或物理圖譜信息，最終結(jié)束了這場辯論，確立了微生物基因組測序方法的事實標準，打開了微生物基因組時代的大門！第78頁，課件共98頁，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胞生物的生命藍圖，它在以后的細菌鑒定、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)生了重大而深遠的影響！第79頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月Thepaperhasbeencited2294timesbetween1995and2002.53

ofthesecitingpublicationsthemselveshavebeencitedmorethan150timeseach.第80頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月H.influenzae基因組測序工作中的一些措施也為隨后的基因組測序提供了借鑒。例如，同時構(gòu)建小片段文庫和大片段文庫和末端測序相結(jié)合，這對測序的精確組裝非常重要；嚴格去除載體序列；對于每一個測序片斷需達到一定長度以保證一些小的重復序列在組裝時不被遺漏，同時又可以保證其測序的高精確性等等……第81頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月大腸桿菌（E.coli)基因組的測序人們常說，每個分子生物學家都對兩種生物感興趣，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驗室中的E.coli菌株克隆DNA、表達蛋白質(zhì)、分離目的基因等，如果沒有E.coli，實驗室將無法工作。第82頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月1997年，非致病的E.coli實驗室菌株K-12的基因組被公布，這個長為4.6Mb的基因組是由威斯康星大學的FredBlattner實驗室測序完成的。這個里程碑式的工作對于了解E.coli非常重要，對于怎樣進行所有的分子生物學研究也產(chǎn)生了深遠的影響。第83頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月GeneticmapofEscherichiacoliK12第84頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月ProteincodinggenesdistributionmapofEscherichiacoliK12第85頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月Allpublicationsthatcitedtheoriginalpaperandhavethemselvesbeencitedmorethat100timesareshown.第86頁，課件共98頁，創(chuàng)作于2023年2月關于E.coli基因組的測序

E.coli基因組的測序由Blattner于1983年首先提出，于19