微生物基因組學(xué)

微生物基因組學(xué)第一頁(yè)，共九十八頁(yè)，2022年，8月28日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。第二頁(yè)，共九十八頁(yè)，2022年，8月28日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。第三頁(yè)，共九十八頁(yè)，2022年，8月28日一、基因組和基因組學(xué)的定義第四頁(yè)，共九十八頁(yè)，2022年，8月28日基因組是一個(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。”

——J.CraigVenter

(FounderandChairmanofTIGR)第五頁(yè)，共九十八頁(yè)，2022年，8月28日什么是“基因組學(xué)”？基因組學(xué)(genomics)來源于“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)。

第六頁(yè)，共九十八頁(yè)，2022年，8月28日基因組學(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。第七頁(yè)，共九十八頁(yè)，2022年，8月28日基因組學(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。

第八頁(yè)，共九十八頁(yè)，2022年，8月28日Genomicsisthestudyofthemolecularorganiza-tionofgenomes,theirinformationcontent,andthegeneproductstheyencode.－－Prescott-Harley-Klein:

Microbiology,FifthEdition第九頁(yè)，共九十八頁(yè)，2022年，8月28日隨著基因組和基因組學(xué)這兩個(gè)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(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)的范疇第十頁(yè)，共九十八頁(yè)，2022年，8月28日

Genomicsisabroaddiscipline,whichmaybedi-videdintoatleastthreegeneralareas.：

1、Structuralgenomics:isthestudyofthephysicalnatureofgenomes.Itsprimarygoalistodetermineandanalyzethe

DNAsequenceofthegenome；

2、Functionalgenomics:isconcernedwiththewayinwhichthegenomefunctions.Itexaminesthetranscriptsproducedbythegenomeandthearrayofproteinstheyencode.

3、Comparativegenomics:genomesfromdifferentorganismsarecomparedtolookforsignificantdifferencesandsimilarities.Thishelpsidentifyimportant,conservedportionsofthegenomeanddiscernpatternsinfunctionandregulation.Thedataalsoprovidemuchinformationaboutmicrobial

evolution,particularlywithrespecttophenomenasuchas

horizontalgenetransfer.第十一頁(yè)，共九十八頁(yè)，2022年，8月28日基因組學(xué)研究的3大主題和6個(gè)層面第十二頁(yè)，共九十八頁(yè)，2022年，8月28日基因組學(xué)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(rèn)識(shí)生命的新途徑。許多年來，分子生物學(xué)方法一直作為一個(gè)“還原論”的工具，被用來剖析細(xì)胞、理解細(xì)胞中各個(gè)部分的獨(dú)立工作方式?；蚪M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？這些問題帶來了對(duì)生命現(xiàn)象的新認(rèn)識(shí)！第十三頁(yè)，共九十八頁(yè)，2022年，8月28日直接獲取基因進(jìn)行研究工作；通過與已測(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)第十四頁(yè)，共九十八頁(yè)，2022年，8月28日二、從DNA雙螺旋到微生物基因組第十五頁(yè)，共九十八頁(yè)，2022年，8月28日基因組學(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……第十六頁(yè)，共九十八頁(yè)，2022年，8月28日第十七頁(yè)，共九十八頁(yè)，2022年，8月28日

（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

第十八頁(yè)，共九十八頁(yè)，2022年，8月28日J(rèn)amesWatsonandFrancisCrick

MauriceWilkins第十九頁(yè)，共九十八頁(yè)，2022年，8月28日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第二十頁(yè)，共九十八頁(yè)，2022年，8月28日第二十一頁(yè)，共九十八頁(yè)，2022年，8月28日1962年2000年第二十二頁(yè)，共九十八頁(yè)，2022年，8月28日

“Theprecisesequenceofthebasesisthecodewhichcarriesthegeneticinformation.”“堿基的排列順序就是攜帶遺傳信息的密碼”第二十三頁(yè)，共九十八頁(yè)，2022年，8月28日“基因是迄今為止最為復(fù)雜的程序”

——BillGates第二十四頁(yè)，共九十八頁(yè)，2022年，8月28日

（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第二十五頁(yè)，共九十八頁(yè)，2022年，8月28日StructureofInsulin第二十六頁(yè)，共九十八頁(yè)，2022年，8月28日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。

第二十七頁(yè)，共九十八頁(yè)，2022年，8月28日TheSangerMethodforDNASequencing第二十八頁(yè)，共九十八頁(yè)，2022年，8月28日

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)一萬到兩萬個(gè)堿基粗序列（rawsequence）

；近年來，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)出五十萬個(gè)堿基粗序列。第二十九頁(yè)，共九十八頁(yè)，2022年，8月28日ABIPrism3700DNASequencerABIPrism377DNASequencerPrice:$25,000Euro25,000DNA序列分析實(shí)驗(yàn)室第三十頁(yè)，共九十八頁(yè)，2022年，8月28日SequenceAbridgebetweenlifescienceandinformationscience第三十一頁(yè)，共九十八頁(yè)，2022年，8月28日NobiologycouldbedonewithoutGenbank第三十二頁(yè)，共九十八頁(yè)，2022年，8月28日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

第三十三頁(yè)，共九十八頁(yè)，2022年，8月28日（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。

第三十四頁(yè)，共九十八頁(yè)，2022年，8月28日

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。

第三十五頁(yè)，共九十八頁(yè)，2022年，8月28日第三十六頁(yè)，共九十八頁(yè)，2022年，8月28日Science,2001,291:1304-1351Nature,2001,409:860-921第三十七頁(yè)，共九十八頁(yè)，2022年，8月28日“Thegenomiceraisnowareality”!---F.CollinsDirectoroftheNationalHumanGenomeResearchInstitute(NHGRI)atNIH第三十八頁(yè)，共九十八頁(yè)，2022年，8月28日Nature，2003,422:835-847第三十九頁(yè)，共九十八頁(yè)，2022年，8月28日三、微生物基因組計(jì)劃概況和重要意義第四十頁(yè)，共九十八頁(yè)，2022年，8月28日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？第四十一頁(yè)，共九十八頁(yè)，2022年，8月28日微生物基因組相對(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)超過人類基因組計(jì)劃兩者的發(fā)展相互交融，密不可分。第四十二頁(yè)，共九十八頁(yè)，2022年，8月28日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)第四十三頁(yè)，共九十八頁(yè)，2022年，8月28日第四十四頁(yè)，共九十八頁(yè)，2022年，8月28日除了美國(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）第四十五頁(yè)，共九十八頁(yè)，2022年，8月28日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。第四十六頁(yè)，共九十八頁(yè)，2022年，8月28日1995－2002年原核生物全基因組測(cè)序情況Genomessequencedbetween1995and2002第四十七頁(yè)，共九十八頁(yè)，2022年，8月28日第四十八頁(yè)，共九十八頁(yè)，2022年，8月28日2004年9月第四十九頁(yè)，共九十八頁(yè)，2022年，8月28日2005年4月第五十頁(yè)，共九十八頁(yè)，2022年，8月28日2004年9月第五十一頁(yè)，共九十八頁(yè)，2022年，8月28日2005年4月第五十二頁(yè)，共九十八頁(yè)，2022年，8月28日測(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第五十三頁(yè)，共九十八頁(yè)，2022年，8月28日病原菌菌株數(shù)基因組大小(Mb)炭疽芽孢桿菌（B.anthracis葡萄球菌（S.epidermidis;S.aureus）62.50-2.90肺炎鏈球菌（S.pneumoniae化膿性鏈球菌（S.pyogenes腦膜炎奈瑟菌（N.meningitidis志賀氏菌(S.flexneri)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五十四頁(yè)，共九十八頁(yè)，2022年，8月28日流感嗜血桿菌（H.influenzae）11.83空腸彎曲菌（C.jejuni）11.64幽門螺桿菌（H.pylori鼠疫耶氏菌（Y.pestis布魯氏菌（B.melitensis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第五十五頁(yè)，共九十八頁(yè)，2022年，8月28日麻風(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枝原體（Mycoplasma立克次氏體（Rickettsia(C.tetani；C.perfringens）LymediseaseB.

burgdorferi第五十六頁(yè)，共九十八頁(yè)，2022年，8月28日隨著新千年的來臨，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)的重要意義第五十七頁(yè)，共九十八頁(yè)，2022年，8月28日無論對(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)打開了一條通道，同時(shí)也指出了這些活動(dòng)的調(diào)控方式。第五十八頁(yè)，共九十八頁(yè)，2022年，8月28日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。第五十九頁(yè)，共九十八頁(yè)，2022年，8月28日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(jìn)化的過程。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)。第六十頁(yè)，共九十八頁(yè)，2022年，8月28日微生物基因組學(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)。第六十一頁(yè)，共九十八頁(yè)，2022年，8月28日微生物基因組學(xué)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。第六十二頁(yè)，共九十八頁(yè)，2022年，8月28日對(duì)于所有研究微生物基因的分子生物學(xué)家來說，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。但是這個(gè)過程既耗時(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。第六十三頁(yè)，共九十八頁(yè)，2022年，8月28日對(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。第六十四頁(yè)，共九十八頁(yè)，2022年，8月28日最后，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?？茖W(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)！第六十五頁(yè)，共九十八頁(yè)，2022年，8月28日基因組學(xué)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?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)序帶來了相當(dāng)大的興奮和希望。第六十六頁(yè)，共九十八頁(yè)，2022年，8月28日根據(jù)T.pallidum基因組注釋繪制的代謝圖第六十七頁(yè)，共九十八頁(yè)，2022年，8月28日結(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?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(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。第六十八頁(yè)，共九十八頁(yè)，2022年，8月28日基因組學(xué)回答有趣的問題示例二衣原體(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。第六十九頁(yè)，共九十八頁(yè)，2022年，8月28日微生物學(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。第七十頁(yè)，共九十八頁(yè)，2022年，8月28日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？這些問題都需要進(jìn)一步的研究來解答。？第七十一頁(yè)，共九十八頁(yè)，2022年，8月28日

隨著微生物基因組學(xué)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(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。第七十二頁(yè)，共九十八頁(yè)，2022年，8月28日四、幾種重要微生物基因組的測(cè)序第七十三頁(yè)，共九十八頁(yè)，2022年，8月28日第一個(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）。

第七十四頁(yè)，共九十八頁(yè)，2022年，8月28日Haemophilusinfluenzae培養(yǎng)特征感染癥狀第七十五頁(yè)，共九十八頁(yè)，2022年，8月28日H.influenzae第七十六頁(yè)，共九十八頁(yè)，2022年，8月28日外同心環(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。第七十七頁(yè)，共九十八頁(yè)，2022年，8月28日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)，打開了微生物基因組時(shí)代的大門！第七十八頁(yè)，共九十八頁(yè)，2022年，8月28日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！第七十九頁(yè)，共九十八頁(yè)，2022年，8月28日Thepaperhasbeencited2294timesbetween1995and2002.53

ofthesecitingpublicationsthemselveshavebeencitedmorethan150timeseach.第八十頁(yè)，共九十八頁(yè)，2022年，8月28日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……第八十一頁(yè)，共九十八頁(yè)，2022年，8月28日大腸桿菌（E.coli)基因組的測(cè)序人們常說，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，如果沒有E.coli，實(shí)驗(yàn)室將無法工作。第八十二頁(yè)，共九十八頁(yè)，2022年，8月28日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。第八十三頁(yè)，共九十八頁(yè)，2022年，8月28日GeneticmapofEscherichiacoliK12第八十四頁(yè)，共九十八頁(yè)，2022年，8月28日ProteincodinggenesdistributionmapofEscherichiacoliK12第八十五頁(yè)，共九十八頁(yè)，2022年，8月28日Allpublicationsthatcitedtheoriginalpaperandhavethemselvesbeencitedmorethat100timesareshown.第八十六頁(yè)，共九十八頁(yè)，2022年，8月28日關(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1990年正式啟動(dòng)。測(cè)序過程可分為幾個(gè)階段，期間不斷引入新技術(shù)。最早測(cè)序的1.92Mb位于2,686,777～4,639,221之間，模板來自一系列15～20kb的MG1655菌株DNA的λ噬菌體文庫(kù)，此階段歷時(shí)3年；第二階段的測(cè)序工作位于2,