微生物基因組

1、學(xué)目錄Y一基因組和基因組學(xué)的定義一基因組和基因組學(xué)的定義Y二基因組學(xué)發(fā)展的歷史二基因組學(xué)發(fā)展的歷史Y三微生物基因組研究概況三微生物基因組研究概況Y四微生物基因組的特點四微生物基因組的特點Y五微生物基因組計劃概況五微生物基因組計劃概況Y六六 微生物基因組研究的意義微生物基因組研究的意義Y七七 微生物基因組研究進(jìn)展微生物基因組研究進(jìn)展一一 基因組和基因組學(xué)的定義基因組和基因組學(xué)的定義Y基因組學(xué)(genomics)來源于“genome”這個詞,是一門對生命有機(jī)體全基因組序列進(jìn)行分析、比較和注釋的新興學(xué)科。Y基因組（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)控位點就是該有機(jī)體的

2、“零部件”和“運(yùn)行指令”，同時它還提供該有機(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。Y基因組學(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)打下了堅實的基礎(chǔ)。二二 基因組學(xué)發(fā)展的歷史基因組學(xué)發(fā)展的歷史 YDNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的提出 YSanger雙脫氧末端終止法測序和DNA自動測序儀的發(fā)明YPCR技術(shù)Y生物信息學(xué)軟硬件設(shè)施的發(fā)展Y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Y(jié)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)（3）逆轉(zhuǎn)錄酶 三三 微生物基因組研究概況微生物基因組研究概況微生

3、物基因組重要紀(jì)事年限 事件1994年 美國DOE啟動MGP1995年 Science發(fā)表了第一株細(xì)菌-流感嗜血桿 菌全基因組1995年 發(fā)表了集胞藻菌株P(guān)CC6803的測序和注釋1996年 Science發(fā)表了第一個完成的古細(xì)菌-詹 氏甲烷球菌全基因組序列1996年 酵母基因組序列發(fā)表1997年 大腸桿菌K-12基因組序列發(fā)表Y研究現(xiàn)況及內(nèi)容四四 微生物基因組的特點微生物基因組的特點五五 微生物基因組計劃概況微生物基因組計劃概況1 微生物基因組對人類基因組的影響Y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Y微生物基因組學(xué)所取得的理論和技術(shù)進(jìn)展，為

4、人類基因組計劃提供了及有益的借鑒Y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Y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Y人類基因組計劃的強(qiáng)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(xué)技術(shù)又極大地促進(jìn)了微生物計劃的飛速發(fā)展Y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2 微生物基因組計劃（MGP)Y1994年: 美國DOE (Department of energy)啟動MGP;YMGP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(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)

5、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。Y它的研究計劃還包括和應(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。3 測序微生物的類別Y幾乎所有類別的病毒Y模式微生物Y極端環(huán)境微生物Y病原原核生物Y環(huán)境降解微生物4 微生物測序及分析流程圖六 微生物基因組研究的意義微生物基因組研究的意義Y1基因組研究在醫(yī)學(xué)的應(yīng)用Y2基因組研究的生物技術(shù)應(yīng)用 Y3環(huán)境微生物基因組學(xué)的生態(tài)學(xué)管理Y4 生物質(zhì)能源與微生物和微生物基因組1 基因組研究在醫(yī)學(xué)的應(yīng)(1)致病相關(guān)基因的鑒定 致病物質(zhì)多為病原體細(xì)胞壁成分、表面蛋白和一些分泌性蛋白質(zhì),因

6、此可以用PHD預(yù)測基因組的跨膜蛋白 ，SIGNALP預(yù)測分泌性蛋白質(zhì)。 致病相關(guān)基因的預(yù)測：功能相同的蛋白質(zhì)往往相鄰并受共同的調(diào)控序列調(diào)控 ，同一菌種的致病菌株與非致病菌株的基因組進(jìn)行比較。（2）設(shè)計特異的實驗診斷方法Y實驗技術(shù) PCR 雜交技術(shù)Y 應(yīng)用 鑒定病原種類進(jìn)行臨床診斷 病原分型的流行病學(xué)研究 預(yù)測疾病進(jìn)展及臨床療效（3）疫苗的研究通過全基因組序列的同源性比較，尋找致病菌的屬特異、群特異、種特異、型特異、甚至亞型特異的抗原 Pizza等和Tettelin等對血清型B腦膜炎奈瑟菌近350種抗原的研究Wizemann等對肺炎鏈球菌的基因組的抗原性蛋白研究 （4）新型抗生素的開發(fā)基因組學(xué)不

7、但可以鑒定 、確證靶位,開發(fā)高通量藥物篩選系統(tǒng) ,而且對于藥物開發(fā)其他階段如先導(dǎo)物優(yōu)化 、毒性研究 、臨床研究等都有重要作用。2 基因組研究的生物技術(shù)應(yīng)用基因組研究的生物技術(shù)應(yīng)用（1 1）生物降解作用Y抵御放射性物質(zhì)Y降解單體或復(fù)合植物 聚合物，如木聚糖和纖維素Y降解四氯乙烯Y降解多種毒性有機(jī)廢料，包括多種芳香族化合物（2）酶工業(yè)Y耐熱Y耐熱Y耐寒Y耐鹽，降解塑料Y降解塑料（2）食品生物技術(shù)基因組學(xué)與營養(yǎng)學(xué) 隨著人類基因組測序工作的完成以及相應(yīng)的功能基因組學(xué)研究手段的建立，使今天的營養(yǎng)學(xué)研究可以更全面、更深入地集中在飲食與基因相互作用這一重要基礎(chǔ)課題上，并誕生了一門新興學(xué)科營養(yǎng)基因組學(xué)(Nut

8、rigenomics)?；蚪M學(xué)在食品工業(yè)中的應(yīng)用 一是基因組研究和生物技術(shù)在改良作物種植和開發(fā)中的應(yīng)用。二是食品發(fā)酵用高級微生物的開發(fā)，改善食品風(fēng)味、功能特性。（3）抗生物質(zhì) 生產(chǎn)抗生素，用于人類，獸醫(yī)和農(nóng)業(yè)產(chǎn)生殺昆蟲毒素蛋白，轉(zhuǎn)基因抗昆蟲植物3 環(huán)境微生物基因組學(xué)的生態(tài)學(xué)管理（1）環(huán)境微生物基因組學(xué)Y環(huán)境微生物基因組 是由 Handelsman等于 1998年提出 ,意指生境中全部微小生物或樣品中細(xì)菌和真菌基因組總和。（2）環(huán)境微生物基因組學(xué)研究過程Y環(huán)境樣品 DNA高效率提取純化Y克隆策略 Y篩選策略Y富集策略（3）環(huán)境微生物基因組學(xué)的生態(tài)作用Y解析未培養(yǎng)微生物 Y土壤污染修復(fù)Y畜禽養(yǎng)殖

9、除臭Y鑒定新物種Y研究微生物種群與群落復(fù)雜性 Y研究物種進(jìn)化模式4 生物質(zhì)能源與微生物和微生物基因組（1）微生物基因組在燃料乙醇開發(fā)中的應(yīng)用 燃料乙醇的生產(chǎn)過程包括 :木質(zhì)素 、 纖維素首先被轉(zhuǎn)化成糖類 ,一般由微生物分泌的纖維素酶完成;糖類在微生物作用下 , 經(jīng)發(fā)酵作用轉(zhuǎn)化成乙醇。（2）微生物基因組在生物質(zhì)制氫中的應(yīng)用生物質(zhì)制氫技術(shù)可以分為 2類:一類是以生物質(zhì)為原料利用熱物理化學(xué)原理和技術(shù)制取氫氣，另一類是利用生物途徑轉(zhuǎn)換制氫。（3）沼氣發(fā)酵中的微生物我國的沼氣發(fā)酵技術(shù)主要用于處理禽畜糞便和有機(jī)廢水。而發(fā)達(dá)國家則主要發(fā)展厭氧技術(shù), 用于處理禽畜糞便和高濃度有機(jī)廢水 。七七 微生物基因組研究

10、進(jìn)展微生物基因組研究進(jìn)展Y微生物基因組研究的現(xiàn)狀 鑒于微生物在多領(lǐng)域發(fā)展中具有重要價值, 因此許多國家紛紛制訂了微生物基因組研究計劃。一些國家首先對人類重要病原微生物進(jìn)行了大規(guī)模的序列測定, 另外, 還對有益于能源生產(chǎn)、改善環(huán)境以及工業(yè)加工的細(xì)菌開展了基因組序列測定工作。1 模式微生物研究 其目的在于利用模式生物基因組與人類基因組之間編碼順序和組織結(jié)構(gòu)上的同源性, 用單一或簡單的生物模式闡明高等生物特別是人的基因在結(jié)構(gòu)、功能以及物種進(jìn)化上的內(nèi)在聯(lián)系。2 最小基因組研究 目前研究最小基因組的手段主要是插入基因突變和同源重組刪除基因分析。3 病原微生物基因組研究 目前病原微生物基因組研究的重點主要

11、集中在深化認(rèn)識微生物之間關(guān)系的基礎(chǔ)上尋找對付感染的新措施; 利用微生物基因組尋找新的藥物作用靶位, 利用比較基因組技術(shù)對抗微生物藥物進(jìn)行靶向設(shè)計; 尋找新的診斷試劑和診斷標(biāo)記; 研制新的疫苗。4 生物信息學(xué)研究 生物信息學(xué)是用數(shù)理和信息科學(xué)的觀點、理論和方法, 通過處理和分析呈指數(shù)增長的生物學(xué)數(shù)據(jù), 來研究生命現(xiàn)象的一門新興學(xué)科。5 比較基因組學(xué)研究 比較基因組學(xué)是隨著微生物基因組數(shù)據(jù)的增多而發(fā)展起來的, 其最初目的是通過模式生物和人類基因組的比較闡明高等生物特別是人的基因在結(jié)構(gòu)、功能以及物種進(jìn)化上的內(nèi)在聯(lián)系。國內(nèi)本領(lǐng)域狀況及主要差距 目前，國外先進(jìn)國家在將基因組學(xué)技術(shù)實用化方面，特別是用于人類疾病預(yù)防和診斷方面進(jìn)展非?？?，目前在北美以及歐洲，基因診斷已經(jīng)成為一個正式的臨床科室在各個醫(yī)院開始門診工作，相關(guān)實驗室檢查也已經(jīng)進(jìn)入社會保險系統(tǒng)，而在我國盡管基因技術(shù)在實驗室上游工作中進(jìn)展十分迅速，但是如何利用這些成果為廣大人民群眾以及社會作出實際的貢獻(xiàn)還基本處于空白區(qū)，雖然也有相關(guān)單位開展這方面的工作，但是由于沒有完善的標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)規(guī)范，效果很不理