病原菌與環(huán)境中重要微生物的功能基因分析

1、12.病原菌與環(huán)境中重要微生物的功能基因組分析病原菌與環(huán)境中重要微生物的功能基因組分析DotheaKThompsonJizhongZhou魏華譯；劉妍初校；朱晨光復(fù)校12.1介紹介紹病原菌的致病機(jī)理，特別是動物宿主與引起它們患病的病原菌之間相互作用的分子基礎(chǔ)與分子調(diào)節(jié)是非常復(fù)雜的，并且涉及多個毒力因子的共同控制。生理特性與毒力特性的廣譜性是多種基因功能表達(dá)緊密協(xié)調(diào)的一種反映。通常，病原菌的感染循環(huán)始于黏附并定植于宿主，然后（有時）細(xì)菌侵

2、襲宿主組織或細(xì)胞，存在于宿主細(xì)胞中并在宿主細(xì)胞中繁殖，最后釋放出來再感染新的宿主（參見Finlay與Falkow1997年發(fā)表的一篇綜述）。微生物感染被復(fù)雜的調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)所調(diào)控，包括種特異性的細(xì)胞與細(xì)胞之間的交流。20世紀(jì)90年代中期流感嗜血桿菌(Haemophilusinfluenzae)全基因組序列的發(fā)表（Fleischmann等人發(fā)表于1995年）標(biāo)志著基因組時代的來臨，研究全基因組范圍內(nèi)細(xì)菌毒力特征的分子特性的方案使科學(xué)家對細(xì)菌致病

3、機(jī)理的研究方式發(fā)生改變。目前，已經(jīng)有至少25個親源關(guān)系很遠(yuǎn)的病原菌全基因組序列得到解析，并且，其它一些病原微生物的全基因組序列的測定工作也正在進(jìn)行中（見第二章）。我們已經(jīng)知道了一些病原菌如幽門螺桿菌（Helicobacterpyli）(Tomb等人，1997；Alm等人，1999)，結(jié)核分枝桿菌（Mycobacteriumtuberculosis）(Cole等人，1998)，生殖道支原體(Mycoplasmagenitalium)(Fr

4、aser等人，1995)，銅綠假單胞菌(Pseudomonasaeruginosa)(Stover等人，2000)，肺炎鏈球菌(Streptococcuspneumoniae)(Hoskin等人，2001)，霍亂弧菌(Vibriocholerae)(Heidelberg等人，2000)，單核細(xì)胞增生性李斯特菌(Listeriamonocytogenes)(Glaser等人，2001)的全基因組序列信息，最近炭疽芽胞桿菌(Bacillus

5、anthracis)(Read等人，2003)的全基因組序列也被測出。大量的環(huán)境中重要的真菌與古菌，包括金屬離子還原菌Shewanellaoneidensis（Heidekberg2002），耐放射異常球菌Deinococcusradiodurans(White等人，1996b)，耐高溫多型古菌Pyroccusfuriosus(Robb等人，2001)的全基因組序列也已經(jīng)被測定（見第二章）。白的研究?；蛐蛄蟹治雠c高通量的工具如DNA微

6、陣列的應(yīng)用（見第6章）使得對微生物感染相關(guān)的多個基因和蛋白可同時平行鑒定并進(jìn)行功能分析。病原菌的全基因組序列可被用于很多領(lǐng)域，從鑒定新的毒力相關(guān)基因與致病島，到設(shè)計新的抗微生物制劑（見13章）。在本章，將討論用生物信息學(xué)技術(shù)在全基因組范圍內(nèi)尋找多種毒力基因的侯選基因、可重復(fù)的DNA元件以及水平獲得的如致病島之類DNA序列。12.2.1從序列同源性預(yù)測毒力基因從序列同源性預(yù)測毒力基因?qū)σ粋€微生物全基因組序列的認(rèn)識，使我們可以在公共數(shù)據(jù)庫中

7、基于已知的毒力因子來預(yù)測毒力基因。但要注意，并不是在所有情況中序列相似的基因都具有相似的功能。在鑒定一個假定的毒力基因的時候，對假定的毒力基因是否具有與已知的同源毒力基因相同的功能，經(jīng)驗(yàn)性的決定是必不可少的。用大量的基因組數(shù)據(jù)來鑒定假定的毒力基因存在著限制，因?yàn)樯镄畔⒓夹g(shù)只能識別功能已被闡述清楚的候選基因。對細(xì)菌基因組序列的比較分析提示很大部分（通常3040%）預(yù)測的基因?yàn)槲粗δ芑蛑荒芗俣ㄆ涔δ艿幕颉；谛蛄行畔⒈旧?，很難簡單預(yù)測

8、毒力基因的新功能或未鑒定的基序(Weinstock，2000)。為了鑒定可能的毒力相關(guān)基因，有必要在數(shù)據(jù)庫中尋找更具普遍特征的蛋白序列如與跨膜或分泌蛋白相關(guān)的那些序列，因?yàn)榕c宿主致病相關(guān)的毒力因子常定位于細(xì)胞表面或用于胞外運(yùn)輸（Weinstock，2000）。如腦膜炎奈瑟氏菌（N.meingitidis）的一個毒力血清B株（MC58）的全基因組序列被用于尋找潛在的可開發(fā)成基因疫苗的新毒力基因（Pizza等人，2000）。腦膜炎奈瑟氏菌基

9、因組的開放閱讀框（F）已被用于序列分析、結(jié)構(gòu)基序分析和其他典型的與表面或輸出相關(guān)的蛋白特征分析，這些蛋白包括跨膜結(jié)構(gòu)域、導(dǎo)肽、已知的表面蛋白同源體、脂蛋白信號、外膜蛋白錨定基序與宿主細(xì)胞結(jié)合域。最終，基于基因組序列的全基因表達(dá)譜可用于尋找與已知的毒力基因共同調(diào)節(jié)表達(dá)的新毒力基因。目前可以用快速且容易理解的方式，從一個生物體的全基因組序列中獲得新的生物信息(Hood等人，1996a，b；Pizza等人，2000)。如流感嗜血桿菌Rd基因組