微生物基因组课件

微生物基因组学学微生物基因组学1目录一基因组和基因组学的定义二基因组学发展的历史三微生物基因组研究概况四微生物基因组的特点五微生物基因组计划概况六微生物基因组研究的意义七微生物基因组研究进展

目录一基因组和基因组学的定义2一基因组和基因组学的定义基因组学(genomics)来源于“genome”这个词,是一门对生命有机体全基因组序列进行分析、比较和注释的新兴学科。基因组（genome）序列为我们提供了有机体的最基本信息，序列中的基因和调控位点就是该有机体的“零部件”和“运行指令”，同时它还提供该有机体进化方面的线索，序列就自然而然地成为研究诸多新物种的出发点。基因组学是二十世纪医学和生物学飞跃发展中最激动人心的成果之一，并将为二十一世纪的医学和生物学打下了坚实的基础。一基因组和基因组学的定义3二基因组学发展的历史

DNA双螺旋结构的提出

Sanger双脱氧末端终止法测序和DNA自动测序仪的发明PCR技术生物信息学软硬件设施的发展二基因组学发展的历史4理论上的三大发现：（1）DNA是遗传物质（2）DNA的双螺旋结构（3）遗传信息的传递方式技术上的三大发明：（1）限制性核酸内切酶（2）载体技术（3）逆转录酶

理论上的三大发现：5三微生物基因组研究概况微生物基因组重要纪事年限 事件1994年

美国DOE启动MGP1995年

《Science》发表了第一株细菌-流感嗜血杆菌全基因组1995年

发表了集胞藻菌株PCC6803的测序和注释1996年

《

Science》发表了第一个完成的古细菌-詹氏甲烷球菌全基因组序列1996年

酵母基因组序列发表1997年

大肠杆菌K-12基因组序列发表三微生物基因组研究概况6研究现况及内容研究现况及内容7四微生物基因组的特点四微生物基因组的特点8五微生物基因组计划概况1微生物基因组对人类基因组的影响微生物基因组相对较小，易于操作，它的研究比人类基因组计划先行一步，起到了“开路先锋”的作用微生物基因组学所取得的理论和技术进展，为人类基因组计划提供了及有益的借鉴微生物基因组计划的发展，可以为研究人类未知基因的功能提供宝贵的线索五微生物基因组计划概况9一些模式生物，如大肠杆菌和酿酒酵母菌，本身就是人类基因组计划的研究内容人类基因组计划的强大资金投入和在人类基因组计划中发展和完善起来的生物信息学技术又极大地促进了微生物计划的飞速发展由于微生物种类的多样性，可以估计，人类在微生物基因组的总测序量将会超过人类基因组计划一些模式生物，如大肠杆菌和酿酒酵母菌，本身就是人类基因组计划102微生物基因组计划（MGP)1994年:美国DOE(Departmentofenergy)启动MGP;MGP是对人类基因计划的延续，该计划主要是对环境或能源相关，系统发生学相关，或具有潜在商业应用性的微生物基因组进行完全测序，目的是为了更好的了解地球上的微生物资源。截至2003年4月，MGP已完成约100株微生物基因组的测序。它的研究计划还包括和应用微生物学相关的生物技术，如纤维素降解，碳吸收等等。2微生物基因组计划（MGP)113测序微生物的类别几乎所有类别的病毒模式微生物极端环境微生物病原原核生物环境降解微生物3测序微生物的类别124微生物测序及分析流程图4微生物测序及分析流程图13六微生物基因组研究的意义1基因组研究在医学的应用2基因组研究的生物技术应用3环境微生物基因组学的生态学管理4生物质能源与微生物和微生物基因组

六微生物基因组研究的意义141基因组研究在医学的应(1)致病相关基因的鉴定

致病物质多为病原体细胞壁成分、表面蛋白和一些分泌性蛋白质,因此可以用PHD预测基因组的跨膜蛋白，SIGNALP预测分泌性蛋白质。

致病相关基因的预测：功能相同的蛋白质往往相邻并受共同的调控序列调控，同一菌种的致病菌株与非致病菌株的基因组进行比较。1基因组研究在医学的应15（2）设计特异的实验诊断方法实验技术PCR杂交技术应用鉴定病原种类进行临床诊断病原分型的流行病学研究预测疾病进展及临床疗效（2）设计特异的实验诊断方法16（3）疫苗的研究通过全基因组序列的同源性比较，寻找致病菌的属特异、群特异、种特异、型特异、甚至亚型特异的抗原Pizza等和Tettelin等对血清型B脑膜炎奈瑟菌近350种抗原的研究Wizemann等对肺炎链球菌的基因组的抗原性蛋白研究（4）新型抗生素的开发基因组学不但可以鉴定、确证靶位,开发高通量药物筛选系统,而且对于药物开发其他阶段如先导物优化、毒性研究、临床研究等都有重要作用。（3）疫苗的研究172基因组研究的生物技术应用（1）生物降解作用抵御放射性物质降解单体或复合植物聚合物，如木聚糖和纤维素降解四氯乙烯降解多种毒性有机废料，包括多种芳香族化合物（2）酶工业耐热耐热耐寒耐盐，降解塑料降解塑料2基因组研究的生物技术应用18（2）食品生物技术基因组学与营养学

随着人类基因组测序工作的完成以及相应的功能基因组学研究手段的建立，使今天的营养学研究可以更全面、更深入地集中在饮食与基因相互作用这一重要基础课题上，并诞生了一门新兴学科——营养基因组学(Nutrigenomics)。基因组学在食品工业中的应用

一是基因组研究和生物技术在改良作物种植和开发中的应用。二是食品发酵用高级微生物的开发，改善食品风味、功能特性。（3）抗生物质

生产抗生素，用于人类，兽医和农业产生杀昆虫毒素蛋白，转基因抗昆虫植物（2）食品生物技术193环境微生物基因组学的生态学管理（1）环境微生物基因组学环境微生物基因组是由Handelsman等于1998年提出,意指生境中全部微小生物或样品中细菌和真菌基因组总和。（2）环境微生物基因组学研究过程环境样品DNA高效率提取纯化克隆策略筛选策略富集策略3环境微生物基因组学的生态学管理20（3）环境微生物基因组学的生态作用解析未培养微生物土壤污染修复畜禽养殖除臭鉴定新物种研究微生物种群与群落复杂性研究物种进化模式（3）环境微生物基因组学的生态作用214生物质能源与微生物和微生物基因组

（1）微生物基因组在燃料乙醇开发中的应用

燃料乙醇的生产过程包括:木质素、纤维素首先被转化成糖类,一般由微生物分泌的纤维素酶完成;糖类在微生物作用下,经发酵作用转化成乙醇。（2）微生物基因组在生物质制氢中的应用生物质制氢技术可以分为2类:一类是以生物质为原料利用热物理化学原理和技术制取氢气，另一类是利用生物途径转换制氢。4生物质能源与微生物和微生物基因组

22（3）沼气发酵中的微生物我国的沼气发酵技术主要用于处理禽畜粪便和有机废水。而发达国家则主要发展厌氧技术,用于处理禽畜粪便和高浓度有机废水。（3）沼气发酵中的微生物23七微生物基因组研究进展

微生物基因组研究的现状

鉴于微生物在多领域发展中具有重要价值,因此许多国家纷纷制订了微生物基因组研究计划。一些国家首先对人类重要病原微生物进行了大规模的序列测定,另外,还对有益于能源生产、改善环境以及工业加工的细菌开展了基因组序列测定工作。七微生物基因组研究进展

微生物基因组研究的现状241模式微生物研究

其目的在于利用模式生物基因组与人类基因组之间编码顺序和组织结构上的同源性,用单一或简单的生物模式阐明高等生物特别是人的基因在结构、功能以及物种进化上的内在联系。2最小基因组研究

目前研究最小基因组的手段主要是插入基因突变和同源重组删除基因分析。1模式微生物研究253病原微生物基因组研究

目前病原微生物基因组研究的重点主要集中在深化认识微生物之间关系的基础上寻找对付感染的新措施;利用微生物基因组寻找新的药物作用靶位,利用比较基因组技术对抗微生物药物进行靶向设计;寻找新的诊断试剂和诊断标记;研制新的疫苗。4生物信息学研究

生物信息学是用数理和信息科学的观点、理论和方法,通过处理和分析呈指数增长的生物学数据,来研究生命现象的一门新兴学科。3病原微生物基因组研究265比较基因组学研究

比较基因组学是随着微生物基因组数据的增多而发展起来的,其最初目的是通过模式生物和人类基因组的比较阐明高等生物特别是人的基因在结构、功能以及物种进化上的内在联系。5比较基因组学研究27国内本领域状况及主要差距

目前，国外先进国家在将基因组学技术实用化方面，特别是用于人类疾病预防和诊断方面进展非常快，目前在北美以及欧洲，基因诊断已经成为一个正式的临床科室在各个医院开始门诊工作，相关实验室检查也已经进入社会保险系统，而在我国尽管基因技术在实验室上游工作中进展十分迅速，但是如何利用这些成果为广大人民群众以及社会作出实际的贡献还基本处于空白区，虽然也有相关单位开展这方面的工作，但是由于没有完善的标准和行业规范，效果很不理想，甚至在部分地区产生了很大负面影响，严重影响了相关基因诊断的声誉。国内本领域状况及主要差距

目前，国外先进国家在将基因28其次，国内目前各个医学教育单位还没有一个完全系统化的人才培养体系，从事此行业的人员大多来自其他医疗科室，由于对于临床基因诊断特殊性的不了解和相关技术的不熟悉，不能完全发挥出此项技术的全部能量，特别是由于缺乏统一的技术规范，使得各个实验的结果可比较性很难控制，相关数据无法公用，造成严重的资源浪费。其次，国内目前各个医学教育单位还没有一个完全系统化的人才培养29微生物基因组学学微生物基因组学30目录一基因组和基因组学的定义二基因组学发展的历史三微生物基因组研究概况四微生物基因组的特点五微生物基因组计划概况六微生物基因组研究的意义七微生物基因组研究进展

目录一基因组和基因组学的定义31一基因组和基因组学的定义基因组学(genomics)来源于“genome”这个词,是一门对生命有机体全基因组序列进行分析、比较和注释的新兴学科。基因组（genome）序列为我们提供了有机体的最基本信息，序列中的基因和调控位点就是该有机体的“零部件”和“运行指令”，同时它还提供该有机体进化方面的线索，序列就自然而然地成为研究诸多新物种的出发点。基因组学是二十世纪医学和生物学飞跃发展中最激动人心的成果之一，并将为二十一世纪的医学和生物学打下了坚实的基础。一基因组和基因组学的定义32二基因组学发展的历史

DNA双螺旋结构的提出

Sanger双脱氧末端终止法测序和DNA自动测序仪的发明PCR技术生物信息学软硬件设施的发展二基因组学发展的历史33理论上的三大发现：（1）DNA是遗传物质（2）DNA的双螺旋结构（3）遗传信息的传递方式技术上的三大发明：（1）限制性核酸内切酶（2）载体技术（3）逆转录酶

理论上的三大发现：34三微生物基因组研究概况微生物基因组重要纪事年限 事件1994年

美国DOE启动MGP1995年

《Science》发表了第一株细菌-流感嗜血杆菌全基因组1995年

发表了集胞藻菌株PCC6803的测序和注释1996年

《

Science》发表了第一个完成的古细菌-詹氏甲烷球菌全基因组序列1996年

酵母基因组序列发表1997年

大肠杆菌K-12基因组序列发表三微生物基因组研究概况35研究现况及内容研究现况及内容36四微生物基因组的特点四微生物基因组的特点37五微生物基因组计划概况1微生物基因组对人类基因组的影响微生物基因组相对较小，易于操作，它的研究比人类基因组计划先行一步，起到了“开路先锋”的作用微生物基因组学所取得的理论和技术进展，为人类基因组计划提供了及有益的借鉴微生物基因组计划的发展，可以为研究人类未知基因的功能提供宝贵的线索五微生物基因组计划概况38一些模式生物，如大肠杆菌和酿酒酵母菌，本身就是人类基因组计划的研究内容人类基因组计划的强大资金投入和在人类基因组计划中发展和完善起来的生物信息学技术又极大地促进了微生物计划的飞速发展由于微生物种类的多样性，可以估计，人类在微生物基因组的总测序量将会超过人类基因组计划一些模式生物，如大肠杆菌和酿酒酵母菌，本身就是人类基因组计划392微生物基因组计划（MGP)1994年:美国DOE(Departmentofenergy)启动MGP;MGP是对人类基因计划的延续，该计划主要是对环境或能源相关，系统发生学相关，或具有潜在商业应用性的微生物基因组进行完全测序，目的是为了更好的了解地球上的微生物资源。截至2003年4月，MGP已完成约100株微生物基因组的测序。它的研究计划还包括和应用微生物学相关的生物技术，如纤维素降解，碳吸收等等。2微生物基因组计划（MGP)403测序微生物的类别几乎所有类别的病毒模式微生物极端环境微生物病原原核生物环境降解微生物3测序微生物的类别414微生物测序及分析流程图4微生物测序及分析流程图42六微生物基因组研究的意义1基因组研究在医学的应用2基因组研究的生物技术应用3环境微生物基因组学的生态学管理4生物质能源与微生物和微生物基因组

六微生物基因组研究的意义431基因组研究在医学的应(1)致病相关基因的鉴定

致病物质多为病原体细胞壁成分、表面蛋白和一些分泌性蛋白质,因此可以用PHD预测基因组的跨膜蛋白，SIGNALP预测分泌性蛋白质。

致病相关基因的预测：功能相同的蛋白质往往相邻并受共同的调控序列调控，同一菌种的致病菌株与非致病菌株的基因组进行比较。1基因组研究在医学的应44（2）设计特异的实验诊断方法实验技术PCR杂交技术应用鉴定病原种类进行临床诊断病原分型的流行病学研究预测疾病进展及临床疗效（2）设计特异的实验诊断方法45（3）疫苗的研究通过全基因组序列的同源性比较，寻找致病菌的属特异、群特异、种特异、型特异、甚至亚型特异的抗原Pizza等和Tettelin等对血清型B脑膜炎奈瑟菌近350种抗原的研究Wizemann等对肺炎链球菌的基因组的抗原性蛋白研究（4）新型抗生素的开发基因组学不但可以鉴定、确证靶位,开发高通量药物筛选系统,而且对于药物开发其他阶段如先导物优化、毒性研究、临床研究等都有重要作用。（3）疫苗的研究462基因组研究的生物技术应用（1）生物降解作用抵御放射性物质降解单体或复合植物聚合物，如木聚糖和纤维素降解四氯乙烯降解多种毒性有机废料，包括多种芳香族化合物（2）酶工业耐热耐热耐寒耐盐，降解塑料降解塑料2基因组研究的生物技术应用47（2）食品生物技术基因组学与营养学

随着人类基因组测序工作的完成以及相应的功能基因组学研究手段的建立，使今天的营养学研究可以更全面、更深入地集中在饮食与基因相互作用这一重要基础课题上，并诞生了一门新兴学科——营养基因组学(Nutrigenomics)。基因组学在食品工业中的应用

一是基因组研究和生物技术在改良作物种植和开发中的应用。二是食品发酵用高级微生物的开发，改善食品风味、功能特性。（3）抗生物质

生产抗生素，用于人类，兽医和农业产生杀昆虫毒素蛋白，转基因抗昆虫植物（2）食品生物技术483环境微生物基因组学的生态学管理（1）环境微生物基因组学环境微生物基因组是由Handelsman等于1998年提出,意指生境中全部微小生物或样品中细菌和真菌基因组总和。（2）环境微生物基因组学研究过程环境样品DNA高效率提取纯化克隆策略筛选策略富集策略3环境微生物基因组学的生态学管理49（3）环境微生物基因组学的生态作用解析未培养微生物土壤污染修复畜禽养殖除臭鉴定新物种研究微生物种群与群落复杂性研究物种进化模式（3）环境微生物基因组学的生态作用504生物质能源与微生物和微生物基因组

（1）微生物基因组在燃料乙醇开发中的应用

燃料乙醇的生产过程包括:木质素、纤维素首先被转化成糖类,一般由微生物分泌的纤维素酶完成;糖类在微生物作用下,经发酵作用转化成乙醇。（2）微生物基因组在生物质制氢中的应用生物质制氢技术可以分为2类:一类是以生物质为原料利用热物理化学原理和技术制取氢气，另一类是利用生物途径转换制氢。4生物质能源与微生物和微生物基因组

51（3）沼气发酵中的微生物我国的沼气发酵技术主要用于处理禽畜粪便和有机废水。而发达国家则主要发展厌氧技术,用于处理禽畜粪便和高浓度有机废水。（3）沼气发酵中的微生物52七微生物基因组研究进展

微生物基因组研究的现状

鉴于微生物在多领域发展中具有重要价值,因此许多国家纷纷制订了微生物基因组研究计划。一些国家首先对人类重要病原微生物进行了大规模的序列测定,另外,还对有益于能源生产、改善环境以及工业加工的细菌开展了基因组序列测定工作。七微生物基因组研究进展

微生物基因组研究的现状531模式微生物研究

其目的在于利用模式生物基因组与人类基因组之间编码顺序和组织结构上的同源性,用单一或简单的生物模式阐明高等生物特别是人的基因在结构、功能以及物种进化上的