Geobacillus thermodenitrificans NG80-2的基因組學研究和某些腸道菌O抗原的分子進化研究.pdf

1、NG80-2首株發(fā)現(xiàn)的可以降解重質烷烴的嗜熱微生物，同時也是第一株完成基因組破譯的嗜熱脫氮土壤芽胞桿菌。本論文在NG80-2全基因組破譯的基礎上(見本試驗室王威的博士畢業(yè)論文)，首次完成了其基因組注釋和基因組學研究。對于嗜熱微生物采油機制和嗜熱脫氮土壤芽胞桿菌的基因組學研究具有重要意義。通過鳥槍法測序，得到大小為3.55Mb的基因組序列。NG80-2基因組平均GC含量為49.01％，編碼基因3446個(其中2525個基因有確定或假設的功

2、能)，16sRNA，23sRNA和5sRNA各10個，tRNA 87個，IS序列54處，已經(jīng)失活的溶原化噬菌體一個。此外，NG80.2還包含一個57.7kb大小的接合質粒(pLW1071)，平均GC含量為39.7％，編碼55個基因(其中42個有確定或假設的功能)。 在完成NG80-2基因注釋基礎上，通過生物信息學分析，預測了可能的長鏈烷烴羥化酶，最終經(jīng)實驗證實(見唐赟的博士畢業(yè)論文)。編碼該酶的基因位于質粒pLW1071上，具有

3、獨立的啟動子和終止子。同時對長鏈烷烴下游途徑的相關基因進行了預測。然而，在NG80-2基因組上沒有發(fā)現(xiàn)表面活性劑合成相關的基因。 在NG80-2基因組注釋的基礎上，對其代謝網(wǎng)絡進行了全面、系統(tǒng)的分析。NG80-2基因組編碼完整的TCA，糖酵解途徑，乙醛酸回補反應，20種氨基酸的合成途徑，核苷酸/脫氧核苷酸合成途徑以及除生物素以外主要的維生素與輔酶合成途徑。在已完成基因組測序的16株芽胞桿菌科菌株中，只有NG80-2和G kaus

4、tophilus HTA426編碼完整的維生素B12合成途徑。NG80-2缺乏生物素的合成途徑，但其基因組編碼一個可能的生物素轉運蛋白BioY，推測可以從環(huán)境中獲得生物素。 通過基因組比較和分析，發(fā)現(xiàn)NG80-2具有土壤芽胞桿菌屬典型的蛋白質組結構，并與G kaustophilus H1A426具有極為相似的基因組結構，相對于其它14株完成基因組測序的芽胞桿菌科菌株在基因組復制終點(Ter)附近區(qū)域(約0.9Mb)高度特異。推測

5、在土壤芽胞桿菌進化過程中，這一區(qū)域可能發(fā)生過大范圍或頻繁的基因重組、插入或轉移事件，是造成土壤芽胞桿菌與芽胞桿菌科其它屬發(fā)生分化的重要原因。 由于NG80-2可以長鏈烷烴作為唯一碳源，我們對其碳代謝相關基因進行了詳細分析，發(fā)現(xiàn)在NG80-2基因組上存在多處纖維二糖、木聚糖等植物來源多糖的代謝途徑，表明。NG80-2在獲得降解長鏈烷烴的能力之前可能是一種土壤菌。通過密碼子偏好，GC含量，δ differences，氨基酸組成差異等

6、特征分析，發(fā)現(xiàn)NG80-2基因組上存在19處可能的外源片段。其中，鄰氨基苯甲酸降解途徑是在細菌中發(fā)現(xiàn)的一種新的降解途徑。 NG80-2基因組編碼10個分泌型蛋白/肽酶，同時還編碼4個芳香化合物的降解途徑以及硫化烷烴降解途徑，我們推測這些酶和途徑可能與NG80-2在油藏環(huán)境下營養(yǎng)物質(包括碳，氮和硫源等)的利用有關。 通過生物信息學分析，發(fā)現(xiàn)NG80-2的密碼子偏好及氨基酸組成差異可能與嗜熱機制相關；從16株芽胞桿菌科菌株

7、所共有的1196個同源基因GC含量的分析結果推測它們早期的祖先可能是一株GC含量較高的菌株。 O-抗原是革蘭氏陰性菌最主要的表面多糖抗原，由于長期受到來自宿主的選擇壓力，具有非常豐富的多樣性，O-抗原合成基因簇因此成為研究分子進化的最好的材料之一。本文鑒定了4個革蘭氏陰性菌的O抗原基因簇，并通過基因缺失和互補的方法鑒定了5個O-抗原聚合酶基因，2個糖基轉移酶以及大腸桿菌O23 O抗原基因簇中的UDP-N-GlcNac 4-epi

8、merase基因(gne)。 O抗原基因的橫向轉移是O抗原多樣性形成的一個重要原因，生物信息學分析顯示，大腸桿菌O24的O抗原基因簇來源于3個不同的祖先，通過至少2次以上的重組事件形成，是目前發(fā)闡明的進化來源最為清楚的有多個起源的O抗原基因簇。其O抗原基因簇上存在6個殘余的插入序列，在介導基因橫向轉移和基因失活方面發(fā)揮了重要作用。 gne存在于許多不同血清型的大腸桿菌和志賀氏菌的O-抗原基因簇中，系統(tǒng)發(fā)育樹顯示它們有3個

9、不同的進化來源，gne的多樣性可能是基因橫向轉移的結果。通過模建并分析大腸桿菌O23中Gne的高級結構，推測與O23中Gne來源相同的Gne均具有UDP-N-GlcNac 4-epimerase和UDP-N-GalNac 4-epimerase雙重活性。此外，對進化上緊密相關的16對O抗原基因簇中同源基因的分析顯示，糖基轉移酶和O抗原處理酶基因相對單糖合成酶基因承受較小的負向選擇壓力，具有更快的變異速率，從分子進化角度解釋了前2類基因對