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1、后基因组时代的微生物遗传学 微生物遗传学是建立在经典遗传学基础上的、揭示微生物遗传和变异的一门独立的学科。微生物遗传学研究的内容包括微生物生长、发育、分化、代谢以及进化等生命现象的基本规律。粗糙脉孢菌(Neurospora crassa)四分体的遗传分析为孟德尔式遗传提供了直接证据,对大肠杆菌以及噬菌体遗传的研究还直接导致了分子遗传学的诞生。例如肺炎双球菌(Diplococcus pneumoniae)的转化实验,烟草花叶病毒重建实验和噬菌体感染实验证明生命体的遗传物质是核酸。同样,通过对大肠杆菌乳糖操纵子的研究,开启了基因表达调控研究的大门。而重组 DNA在大肠杆菌中成功实现分子克隆则是最早
2、的基因工程技术的雏形。因而,可以说在遗传学领域以及生物技术领域所取得的成功或多或少都与微生物遗传学的研究相关1。客观上讲,微生物遗传学的发展得益于其材料的优势。微生物细胞结构简单,多以单细胞或多细胞但极少分化的形态存在,营养体多为单倍体,在合成培养基上繁殖迅速并能形成单个菌落,能够进行杂交、转导和转化等,从而有利于遗传分析。此外,高等动植物遗传学的研究也往往借鉴微生物遗传学的方法。例如,在动植物遗传学研究中合成培养基的应用,单倍体细胞的培养以及突变型的筛选等等。近年来,随着科技的进步,高等动植物遗传学的研究得以跨越式发展。人类基因组计划和部分重要农作物基因组测序的完成,使得针对人类生命和健康的
3、研究以及农作物遗传育种研究都取得了极其丰硕的成果。相比之下,虽然微生物遗传学也是发展迅速,但受到的关注不足。众所周知,微生物所具有的广泛的物种多样性和遗传多样性是其他生物所不能比拟的,微生物同人类健康和工农业生产等都密切相关,微生物还是地球生态系统的重要组成部分,是生命进化过程中不可或缺的一环。因而,有必要进一步加强微生物遗传学研究以及宣传力度。微生物种类繁多,但基因组相对较小,容易测定和序列拼接。从 1995 年完成第一个微生物流感嗜血杆菌(Haemophilus influenzae)的基因组起2,已经有 1 860 个微生物的全基因组完成序列分析和公布发表(http:/www.genom
4、esonline.org),另有 9 200 多个微生物基因组正在测定和拼接中。海量的微生物基因组序列信息为微生物遗传 学的研究提供了广阔的空间和全新的视角。微生物基因组的信息使人们首先看到其遗传物质的全貌,再对其功能进行更为详细的研究和验证,这又促进了新的遗传学研究方法的产生和应用。生物信息学的引入,极大地提高了人们对微生物基因功能预测的准确度。基因芯片、蛋白芯片以及CHIP-Chip等方法的产生,使人们可以从整体水平判断和分析微生物基因表达和代谢调控的规律等3。为了展示在后基因组时代微生物遗传学领域具有创新性的研究成果及研究进展,向公众普及微生物遗传学知识,本期专门推出“微生物遗传学与基因
5、组学专刊”。DNA 复制是生命的最基本特征,微生物基因组序列信息为预测基因组的复制起始位点提供了可能。在本刊中,郭锋彪等对 11 种细菌基于基因组研究的强烈的复制链组成偏差进行了介绍和评述,尤其是向人们展示了一些专性寄生(共生)细菌所特有的基因组学特征(详见本期第1039 页)。同复制起始位点一样,启动子是控制基因转录的基本元件,李姗姗等根据螺旋藻(Spirulina platensis)基因组信息很好地预测并克隆了耐盐相关基因启动子(详见本期第 1134 页)。微生物基因的表达调控是其表型特征的决定因素,其精确性和复杂性超乎人们想象。谢楚池等针对广泛存在于细菌当中的几丁质酶基因的表达调控进行
6、了综述,向人们展示了细菌所具有的极为精细和复杂的几丁质酶表达调控机制,从基础理论研究和应用方面都值得人们关注(详见本期第1029页)。除基因组DNA外,微生物中还存在大量的染色体外遗传物质,如芽胞杆菌中大的环形质粒。众多的大小不同的各式质粒或染色体外遗传物质显著增强了微生物对各种环境的适应性,同时也可能促进了生命的进化。苏云金芽胞杆菌(Bacillus thuringiensis)中存在不少于 10 种以上的大小不同的质粒,而且拷贝数也各不相同,对这些大质粒的克隆和测序将进一步加深人们对 DNA 复制等生命过程的认识(详见本期第 1141 页)。病原微生物是引起人类疾病的主要元凶之一。尤其是近
7、年来越来越多耐药细菌和真菌的出现,极大地威胁着人类的生存、健康和社会安定。从遗传学角度解读病原微生物的生命特征和致病机理,将有利于寻找新的药物靶点,开发新的药物以及从根本上消除病原微生物的隐 1028 HEREDITAS(Beijing)2011 第 33 卷 患。在本期中,王倩和崔志峰就近年来出现的真菌多向耐 药性等问题进行了综述,对条件致病真菌中多向耐药性ABC 转运蛋白的种类、药物外排机制以及基因表达调控网络等作了简要介绍和评述(详见本期第 1048 页)。陆勇军等则对致病细菌嗜肺军团菌(Legionella pneumo-phila)的毒力分泌系统和效应蛋白作了较为详细的介绍,向人们揭
8、示了一个小小的细菌所拥有的近乎完美的生存策略和精致的杀伤武器,同时让人们看到了病原菌-宿主相互作用中极其复杂的一面(详见本期第 1093 页)。蜡状芽胞杆菌(Bacillus cereus)能分泌食物毒素、炭疽毒素和杀虫毒素,喻婵等利用基因组测序等获得的信息,对蜡状芽胞杆菌的碳水化合物代谢途径、氨基酸代谢途径和能量代谢途径进行了分析和比较,发现不同类群的蜡状芽胞杆菌在代谢途径上各具特点(详见本期第 1057 页)。工业微生物在各国的工业化进程中都起着至关重要的作用。来源于丝状真菌的-内酰胺类抗生素的发现和使用更是创造了人类医疗史上的奇迹,也开启了抗生素工业的先河。通过传统的诱变育种,青霉素的产
9、量提高了 1 000 多倍,核黄素的产量更是提高了 40 000 倍。然而,传统的诱变育种不能告诉人们产量提高的确切原因。同时对高产菌株而言,传统的诱变育种越来越难取得效果。近年来,随着越来越多的工业微生物基因组序列的公布,使人们可以更全面地了解千百年来一直为人类所利用的这些重要微生物的全貌。在本期中,陈献忠等对后基因组时代丝状真菌作为异源表达系统在基因组学技术研究和代谢工程研究中的贡献和进展作了较为全面的评述,提出国内在该领域亟待发展的建议(详见本期第 1067 页)。胡又佳和朱宝泉则以头孢菌素的生产菌株为例,详细地介绍了我国在顶头孢霉(Acremonium chrysogenum)分子遗传
10、育种方面的研究进展,并对今后发展进行了展望(详见本期第 1079 页)。然而,传统的诱变育种还是目前工业微生物领域最主要的手段,许本波等就向读者展示了利用微波和紫外诱变技术筛选高产 PUFAs 深黄被孢霉(Mortierella isabellina)的实例(详见本期第 1147 页)。微生物是天然产物的重要来源之一,如临床上所用的一半以上的抗生素都来源于放线菌。在本期里,李文利等综述了近年来从放线菌中分离的萜类化合物以及它们的生物合成途径,提出随着对其生物合成机制的深入了解,将从微生物中发现更多的不同类型的萜类等次级代谢产物(详见本期第 1087 页)。合成生物学是一门新兴的交叉学科,是利用
11、工程学的手段和原理来阐述生命运行的系统规律,并对其进行有目的的优化和改造。由于微生物结构简单,遗传物质相对清楚,分子改造技术相对成熟,目前合成生物学还主要以微生物为材料进行研究和探索,因而合成生物学和微生物遗传学紧密相关。为此,梁泉峰等就现阶段的合成生物学与微生物遗传学的关系进行了阐述,并简要介绍了微生物遗传物质的合成、设计和精简,遗传元件的标准化以及遗传线路的模块化等(详见本期第 1102 页)。付爱思 等则对近年来利用遗传改造生物代谢途径生产生物柴油的研究做了介绍和评述,并对合成生物学在生物柴油生产中的应用作了展望(详见本期第 1121 页)。微生物遗传学为合成生物学奠定了基础,合成生物学
12、的发展也必然促进微生物遗传学的发展。此外,在本期中,孟繁梅等还对噬菌体展示技术进行了综述,对该基因工程重组表达技术的发展历程进行了系统的回顾和展望(详见本期第 1113 页)。当然,微生物遗传学涵盖的内容远远不止本刊所述的内容。如近期在细菌当中发现了同真核生物一样的表观遗传调控,证明生命体即使是最简单的物种也具有完善的生存策略和基因表达调控机制4。有关小 RNA 的调控已经成为微生物遗传学研究的一道亮丽风景,从单细胞原核生物到具有相对复杂分化的丝状真菌都存在方式各异的小 RNA 调控5。而除了证明大肠杆菌具有类似于真核细胞的拟核外,还发现在大肠杆菌的拟核 DNA 上存在有大量的 DNA 结合蛋
13、白,这些蛋白除了起基本的固定支撑作用以外,也广泛参与细菌的复制、转录和翻译等过程6。微生物同动植物以及微生物之间都存在广泛的相互作用,如内生以及共生等等,但其相互作用的遗传机制尚有待深入研究。总之,随着基因组、蛋白质组、转录组以及代谢组等相关技术的发展及应用,有可能使我们在整体水平上了解生命体之间相互作用的遗传机制。本期专刊中的 11 篇综述文章和 3 篇研究论文只是从微生物遗传学的几个侧面向人们展示微生物遗传学在后基因组时代的部分研究进展。我们希望籍此引起更多的读者对微生物遗传学领域的关注,进而推动我国微生物遗传学的发展。参考文献(References):1 盛祖嘉.微生物遗传学(第三版).
14、北京:科学出版社,2007.2 Fleischmann RD,Adams MD,White O,Clayton RA,Kirkness EF,Kerlavage AR,Bult CJ,Tomb JF,Dougherty BA,Merrick JM,et al.Whole-genome random sequencing and assembly of Haemophilus influenzae Rd.Science,1995,269(5223):496512.3 Wade JT,Struhl K,Busby SJ,Grainger DC.Genomic analysis of protein
15、-DNA interactions in bacteria:insights into transcription and chromosome organization.Mol Mi-crobiol,2007,65(1):2126.4 Balleza E,Lpez-Bojorquez LN,Martnez-Antonio A,Resendis-Antonio O,Lozada-Chvez I,Balderas-Martnez YI,Encarnacin S,Collado-Vides J.Regulation by tran-scription factors in bacteria:bey
16、ond description.FEMS Microbiol Rev,2009,33(1):133151.5 Frhlich KS,Vogel J.Activation of gene expression by small RNA.Curr Opin Microbiol,2009,12(6):674682.6 Rimsky S,Travers A.Pervasive regulation of nucleoid structure and function by nucleoid-associated proteins.Curr Opin Microbiol,2011,14(2):136141.