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；朱晨光復校12.1介紹介紹病原菌的致病機理，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與分子調節(jié)是非常復雜的，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緊密協(xié)調的一種反映。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）細菌侵

2、襲宿主組織或細胞，存在于宿主細胞中并在宿主細胞中繁殖，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）。微生物感染被復雜的調節(jié)網(wǎng)絡所調控，包括種特異性的細胞與細胞之間的交流。20世紀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）標志著基因組時代的來臨，研究全基因組范圍內細菌毒力特征的分子特性的方案使科學家對細菌致病

3、機理的研究方式發(fā)生改變。目前，已經(jīng)有至少25個親源關系很遠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、陣列的應用（見第6章）使得對微生物感染相關的多個基因和蛋白可同時平行鑒定并進行功能分析。病原菌的全基因組序列可被用于很多領域，從鑒定新的毒力相關基因與致病島，到設計新的抗微生物制劑（見13章）。在本章，將討論用生物信息學技術在全基因組范圍內尋找多種毒力基因的侯選基因、可重復的DNA元件以及水平獲得的如致病島之類DNA序列。12.2.1從序列同源性預測毒力基因從序列同源性預測毒力基因對一個微生物全基因組序列的認識，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，因為生物信息技術只能識別功能已被闡述清楚的候選基因。對細菌基因組序列的比較分析提示很大部分（通常3040%）預測的基因為未知功能或只能假定其功能的基因?；谛蛄行畔⒈旧恚茈y簡單預測

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的那些序列，因為與宿主致病相關的毒力因子常定位于細胞表面或用于胞外運輸（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、結構基序分析和其他典型的與表面或輸出相關的蛋白特征分析，這些蛋白包括跨膜結構域、導肽、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胞結合域。最終，基于基因組序列的全基因表達譜可用于尋找與已知的毒力基因共同調節(jié)表達的新毒力基因。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