微生物全基因组完成图研究进展
摘要:微生物往往被看作是“无处不在，无所不为”的生物，制作重组基因的载体和表达重组基因的受体也需要微生物。微生物基因组是指微生物中所具有的携带遗传信息的 遗传物质的总和，微生物涵盖了众多种类, 广泛涉及医药、工农业、环保等诸多领域。目前随着医学研究进入分子水平, 人们认识到遗传信息决定了生物体的生命特征, 外部形态以及从事的生命活动等, 生物体的基因组正是这些遗传信息的携带者[1]。微生物基因组研究近年来发展很快,借助基因测序技术已完成多种微生物基因组测序，所谓基因组研究是指对微生物的全基因进行核苷酸测序,在了解全基因的结构基础上,研究各个基因单独或数个基因间相互作用的功能[2]。原核细胞生物基因组与真核细胞基因组具有各自特点。许多由基因控制的细菌遗传性状与细菌毒力有关,选择合适的靶基因研究可用于发展疫苗和开发新的诊断工具[3]。本文综述了微生物全基因组测序的基本方法，同时对微生物 基因组的研究现状和重大意义也作了简单概述[4]。
关键词 ：微生物基因组 ；测序方法 ；生物信息学 ；进展
1990年启动的人类基因组计划（HGP）是人类科学史上认识自身的伟大科学工程，其主要目标是测定人类基因组的全部序列，进而阐明基因所处的位置、结构、功能、表达调控方式，以及重大疾病的致病机理。以当时的技术水平要在15年内完成这一计划任务是很艰巨的。由于微生物的基因组小,特别是原核生物的基因组几乎无内含子;微生物的许多生物学性状都是单基因控制的,更为重要的是高级形式的生命是从低级生命演化而来的,其演化的物质基础就是基因组;加之微生物结构简单、繁殖速度快、变异易识别、研究周期短、进展迅速。因此,微生物是研究生物进化的良好材料.通过对其基因组的研究分析,将为揭示一系列诸如生命起源、生物发育和进化等生命活动的重大基本问题提供极大的帮助[5]。为了顺利完成人类基因组特别是功能基因组计划，同时也启动了模式生物基因组计划，以期探讨DNA序列测定的新技术新方法以及确定基因功能的表达模式，其中包括大肠埃希菌、流感嗜血杆菌、酿酒酵母等微生物[6]。1995年，Fleischmann等采用全基因组随机测序法成功地完成了流感嗜血杆菌全基因组序列测定和组装，为微生物基因组研究揭开了历史性的新的一页。过去十年中,基因组计划已经使我们对微生物有更深的认识和理解,自从1995年第一个微生物流感嗜血杆菌被测序以来,现在已经有将近300个原核生物已经被测序完成,而且大约还有750个物种正在进行全基因组测序。科学家在早期曾对2 0～3 0个代表性微生物的全基因组进行测序,测序结果反映出我们在微生物基因组学的早期阶段对物种间的序列差异知之甚少,证实了我们低估了微生物在遗传和生物进化上的差异。现在,基因组学集中在对同一物种间不同种类的测序提供了新的思维[7]。
- 微生物基因组的特点
- 原核生物（细菌、古生菌）的基因组
双链环状的DNA分子（单倍体），基因组上遗传信息具有连续性，大肠杆菌和其它原核生物中基因数基本接近由它的基因组大小所估计的基因数；一般不含内含子，遗传信息是连续的而不是中断的。功能相关的结构基因组成操纵子结构，操纵子（operon）：功能相关的几个基因前后相连，再加上一个共同的调节基因和一组共同的控制位点（启动子、操作子等）在基因转录时协同动作。结构基因的单拷贝及rRNA基因的多拷贝，基因组的重复序列少而短。古生菌的基因组在结构上类似于细菌。但是信息传递系统(复制、转录和翻译)则与细菌不同而类似于真核生物[8]。
2、真核微生物（啤酒酵母）的基因组
典型的染色体结构，该基因大小为13.5times;106bp，分布在16条染色体中。
像所有其它的真核细胞一样，酵母菌的DNA也是与四种主要的组蛋白(H2A、H2B、H3和H4)结合构成染色质(chromatin)的14bp核小体核心DNA，染色体DNA上有着丝粒(centromere)和端粒(telomere)，没有明显的操纵子结构，有间隔区（即非编码区）和内含子序列。而原核生物中非编码区或内含子均非常少，而人类基因组测序后发现了大量的非编码区，被称为基因组上的荒漠，估计只有5-10%用于编码基因，重复序列多[9]。
细菌基因组包括染色体、质粒等。一般认为细菌只有一条染色体,但事实上,许多细菌都具有一条以上的染色体,如霍乱孤菌有两条染色体。通过测序以及相关功能性研究,可以比较其基因组成及功能,这方面研究已引起关注。原核生物之间,如细菌与古生菌之间发生大量基因交换,其交换频率究竟如何还不清楚。当分别来自两个相去甚远的生物体基因序列十分相似,超过了已知两个亲源较近的序列相似性时,一般就认为存在基因纵向转移了。运用数据库比较新发现的开放阅读框架时,较容易发现隐藏的基因纵向转移。微生物基因组分析数据表明:基因和基因组的垂直家系(物种形成)进化是通过基因复制来完成的[10]。
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