微生物功能基因组学研究

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1、!"卷"期微生物学报&’()!".’)"#$$"年%月!"#$%&"’()&(*(+&"$,&-&"$*+,-#$$"!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!微生物功能基因组学研究黄留玉王恒!史兆兴朱厚础苏国富（军事医学科学院生物工程研究所北京2$$$02）!"#$%&"’()*+#,"%+’(-.+%/"#04+9,@E>+A+F9,@4-,@(>9,@G?>H?9’:>,@H?+4’+C?+G+1+’I+（!"#$%$&$’()*%($

2、’+,"(-(./，0+12’3/()4%-%$15/4’2%+1-6+%’"+’#，*’%7%".2$$$02，8,%"1）关键词：微生物功能基因组学，药物靶位，疫苗，生物功能图谱中图分类号：J/""文献标识码：K文章编号：$$$25%#$/（#$$"）$"5$!"#5$0［2］自从2//3年流感嗜血杆菌的基因组序列测定完成之后，目前已有03种（株）微生物的基因组完成［#］测序，2%$多种（株）微生物的基因组测序正在进行中。随着各种微生物基因组测序工作的不断完成和序列信息的积累，微生物基因组学研究的重

3、点已由结构基因组学向功能基因组学转移。微生物功能基因组学研究不仅要阐明微生物基因组内每个基因的作用或功能，还要研究基因的调节及表达谱，进而从整个基因组及其全套蛋白质产物的结构、功能、机理的高度去了解微生物生命活动的全貌，揭示微生物世界的各种前所未知的规律，并使之为人类和社会服务。与真核生物相比，虽然微生物的基因组相对简单，但微生物基因组学研究仍具有重大的科学和经济意义。在细菌基因组中，既有编码在极端环境下起催化作用的酶的基因，也有编码分解化学污染物的酶的基因，这些基因在真核细胞是不存在的。通过微生物功能

4、基因组学研究，还能发现药物靶位和疫苗抗原。微生物基因的功能及表达研究结果也能为研究复杂生物的基因功能提供参考。近些年微生物功能基因组学研究受到了普遍重视。日本组织了十几所大学和研究机构，计划用3［"］年时间完成大肠杆菌的功能基因组研究。日本还与欧洲联合正在开展枯草杆菌功能基因组学研［!］究。其它微生物的功能基因组学研究也在进行中。由于微生物的种类繁多，功能基因组研究的内容又较丰富，要全面介绍微生物功能基因组学研究是困难的。本文仅从未知功能基因的鉴定、药物靶位及疫苗抗原研究、致病机制研究、生物功能图谱研究

5、!个方面进行简要的评述。1未知功能基因的鉴定一株微生物的基因组序列测定完成后，虽然对其基因组进行了功能注释，但仍有许多开放阅读框（LM-,N-9O8’P=，LN8）的功能不明确。例如，到序列发表时，仍有!#Q的流感嗜血杆菌、";Q大肠杆菌、［3］"%Q的肺炎链球菌的基因组编码区的功能未知。对这些未知功能基因进行功能鉴定，是微生物功能基因组学研究的重要方面，也是深入开展微生物功能基因组学研究的基础。基金项目：国家重大基础研究发展规划（/0"）项目（12///$3!2$"）和首都二四八重大创新工程项目（4$

6、2$#2$"%$22/）作者简介：黄留玉（2/%#5），男，河南省平舆县人，研究员，硕士，主要从事基因工程及微生物学研究。6-(789:：;%52$5;";#2$!!；<5=9>(：?+9,@(AB,>C)D=>)9C)C,收稿日期：#$$#5225$0，修回日期：#$$"5$#52#3期黄留玉等：微生物功能基因组学研究-33未知功能基因的鉴定方法可分为两大类。一类是高通量的初步鉴定技术，另一类是系统分析技术。高通量的鉴定方法主要是生物信息学技术、基因芯片技术和蛋白质组学技术等。利用生物信息学技术研究未

7、知功能的基因，主要依靠两个途径：一是在!"#层面上进行比较分析，根据该基因与已知功能基因的同源性，可以初步明确基因的功能；二是比较该基因编码产物（蛋白质）的序列和结构，对基因进行功能分类。基因芯片技术主要是通过检测环境因素对未知功能基因表达的影响，推测基因的可能功能。［,］$%&’()*+等应用大肠杆菌的-./0个预测的1$2制备一个高密度芯片，比较了热休克处理前后大肠杆［6］菌的基因表达变化，结果显示30多个未知功能的基因可能与热休克有关。45等应用!"#芯片研究枯草杆菌在厌氧条件下($"#表达的变化

8、，找到了一些与能量代谢、铁镊取、碳代谢及应激反应相关的基因。蛋白质组学技术主要是研究未知蛋白的物理特性和在不同生长条件下的蛋白表达的变化，对未［:］知功能的基因进行初步的功能分类。7588)9等应用蛋白质组学技术比较了大肠杆菌生长在36;和-;时蛋白表达谱的变化，发现在-;时,0<的蛋白表达被抑制，但同时有,/个蛋白高表达，提示这些基因与冷休克相关。这些方法因其高通量，常被用作研究基因功能的首选方法，但这些方法只能对基因的功能进行初步的描述