微生物基因组学ppt课件

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DNA微阵列
生物信息学
噬菌体展示
质谱
计算机建模
2D-PAGE 二维电泳
双杂交系统 蛋白质芯片
质谱
用功能基因组学方法分析和综整合理课技件 术阐明模式生物的细胞区域7
2 Escherichia coli（大肠杆菌）： 模式真细菌
• E.coli作为原核生物学中的模式实验生物， 它的地位是无可比拟的。E.coli是最具特征 的可自由生长的单细胞生物，并且它已用 于研究细胞过程的生物学模式，如DNA的 复制和修复、转录、代谢途径、应激反应、 信号传导和遗传学规律。
模式生物的功能基因组学
——从新的视角看老问题
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• 原核生物如大肠杆菌（Escherichia coli）和 枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis），单细胞 真核生物如啤酒酵母菌（Saccharomyces cerevisiae）都被作为传统的模式生物，这 是因为它们结构简单、功能复杂、在实验 系统中具有内在的优势。
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• E.coli 的非致病实验菌株（K-12）被列为最 早的全基因组测序对象，它在原核遗传学、 分子生物学、生物技术、尤其是DNA重组 技术领域是首选的模式生物。
• B. subtilis 是第一个进行全基因组测序的革 兰氏阳性菌（1997），并且被作为研究生 物化学、生理学、系统发育的遗传学范例。
• 尽管微阵列提供了E.coli中对应于温度升高
时的一系列潜在的参与者，但需要用与基
因表达图谱相结合的其他方法给出一个完
整的描述：细胞是如何整合和调控这些功
能，对环境应激产生一致和快速的适应反
应。
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细胞代谢生长的转录组学分析
• 尽管我们已经知道一些与特定的生物合成 或者代谢过程（如色氨酸生物合成）相关 的必要的操纵子或基因，但不是出于这一 目的的其它的基因在还没有发展更综合更 全面的实验方法之前还没有被鉴定，这些 基因影响着某些代谢行为或者受到某些代 谢行为的影响。
• 在搜索序列相似性的基础上，芳香族化合
物，如苯酚丙酸盐的降解途径的未知步骤
被其他四个假定的整m理h课件p基因所揭示。
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• 在基因组序列确定之前，mhp基因是已经存 在的，但没有被鉴定。保守序列单元的出 现确定了其中的一个mhp基因可能是由操纵 子编码的代谢途径的转录调节子。序列研 究揭示了第二个以前没有认识到的操纵子， 该操纵子含有一些类似于假单胞菌 （Pseudomonas）基因，能够降解芳香族 化合物，如甲苯、苯、联苯。
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• S. cerevisiae 具有真核细胞的所有基本功 能，并且人类疾病30％的阳性克隆与酵母 同源，对S. cerevisiae 基因产物的生物学 作用做准确的测定是极其重要的一步，这
有助于我们提高对遗传学上更复杂的、不 易研究的多细胞动物的认识。
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• 基因组序列信息表明，超过30％的开放阅 读框（ORFs），包括E.coli的染色体和B. subtilis 的染色体没有实际的功能。在S. cerevisiae中大约6000个预测基因中的三分 之一仍被归为未知细胞功能的阅读框。
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• 功能基因组学，主要体现在微阵列介导的 转录图，允许我们看到的不仅仅是微生物 生理的某一焦点方面，如色氨酸代谢、特 异性基因或调节子如何与基因表达的所有 其他方面相互作用；而且还提供了一个观 察基因组表达的视窗，如细胞在葡萄糖上 生长的生理能力。
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• 在过热条件下，热激蛋白除了防止细胞蛋 白变性和聚集外，也表现出一些对普通的 生理生长所必要的功能，如辅助纠正多聚 结构的组装，使新翻译的多肽折叠到它们 自然的三级结构。因此，热激蛋白通常更 多地被称为分子陪伴。
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• 在细菌中，细胞对热激的反应首先在E.coli 中被发现并得到细致地研究。由于热激反 应的保守性，它已被作为一种模式系统来 研究其他原核生物（如古菌）的调节基因 的表达。
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• 尽管遗传学研究已有几十年，但E.coli K-12 基因组中编码4,288个蛋白的38%的基因仍 然不清楚生物学功能。这表明我们的认知 还存在严重的不足，甚至是对于那些已被 很好地研究过的模式生物。
整理课件9ຫໍສະໝຸດ 2.1Escherichia coli(大肠杆菌)基因组
• E.coli 序列数据除了使全基因组功能分析的 方法成为可能，同时也揭示了一些新的基 因。基因组序列的生物信息学分析也已经 预测了一些结构和调控元件，这些是各种 生物化学途径或细胞机制方面知识所不能 预见的。
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• 因此，除了基因组结构分析以外，其它的 系统研究得到的信息对大量的序列数据归 类于生物学上有意义的位置是十分必要的 。功能遗传学和相关的高通量综合技术学 和方法学（例如，DNA微阵列、全基因组 突变、双向凝胶电泳、双杂交系统、蛋白 微阵列）试图在转录组学、蛋白组学、代 谢组学、内部作用组学的细胞区域中确定 新的基因。
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热激应答
• 热激应答，有时一般也称作应激应答，是 一种内环境稳定的机制。这种机制是由活 细胞在对温度升高不适应的情况下显示出 来的。这种进化学上保守的分子对热反应 的应答是一种限制性蛋白－热激蛋白－诱 导合成的。除了热激外，其他不利的生理 条件，如暴露在乙醇中或转入重金属，都 能引起热激蛋白产量的提高。
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• 假设的操纵子由三个基因组成，包括能够 打开芳香环和氧化C1,C2的1,2-双加氧酶， 一个类似于二氢-1,2-双加氧酶的开放阅读 框和基因编码的铁氧化还原蛋白还原酶。
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2.2 E.coli 转录组学
• 全基因组核酸序列使研究者们能够应用 cDNA方法或者基于寡核苷酸的微阵列分析 方法，根据特异性刺激物、遗传变异或者 生理紊乱来评价基因组转录图。
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• E.coli的色氨酸操纵子是分析的最透彻的细 菌生物合成操纵子之一。色氨酸操纵子的 五个基因（依次是trpE、trpD、trpC、trpB、 trpA）编码分支酸转化为色氨酸途径的酶。 色氨酸操纵子的转录受抑制蛋白TrpR的抑 制调控，也受一种称为转录弱化作用的完 全不同的调节模式的抑制调控。