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

1、NG80-2首株發(fā)現(xiàn)的可以降解重質(zhì)烷烴的嗜熱微生物，同時(shí)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(chǔ)上(見本試驗(yàn)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(xué)研究。對(duì)于嗜熱微生物采油機(jī)制和嗜熱脫氮土壤芽胞桿菌的基因組學(xué)研究具有重要意義。通過(guò)鳥槍法測(cè)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(gè)(其中2525個(gè)基因有確定或假設(shè)的功

2、能)，16sRNA，23sRNA和5sRNA各10個(gè)，tRNA 87個(gè)，IS序列54處，已經(jīng)失活的溶原化噬菌體一個(gè)。此外，NG80.2還包含一個(gè)57.7kb大小的接合質(zhì)粒(pLW1071)，平均GC含量為39.7％，編碼55個(gè)基因(其中42個(gè)有確定或假設(shè)的功能)。 在完成NG80-2基因注釋基礎(chǔ)上，通過(guò)生物信息學(xué)分析，預(yù)測(cè)了可能的長(zhǎng)鏈烷烴羥化酶，最終經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)(見唐赟的博士畢業(yè)論文)。編碼該酶的基因位于質(zhì)粒pLW1071上，具有

3、獨(dú)立的啟動(dòng)子和終止子。同時(shí)對(duì)長(zhǎng)鏈烷烴下游途徑的相關(guān)基因進(jìn)行了預(yù)測(cè)。然而，在NG80-2基因組上沒有發(fā)現(xiàn)表面活性劑合成相關(guān)的基因。 在NG80-2基因組注釋的基礎(chǔ)上，對(duì)其代謝網(wǎng)絡(luò)進(jìn)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(bǔ)反應(yīng)，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(cè)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(gè)可能的生物素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白BioY，推測(cè)可以從環(huán)境中獲得生物素。 通過(guò)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(zhì)組結(jié)構(gòu)，并與G kaustophilus H1A426具有極為相似的基因組結(jié)構(gòu)，相對(duì)于其它14株完成基因組測(cè)序的芽胞桿菌科菌株在基因組復(fù)制終點(diǎn)(Ter)附近區(qū)域(約0.9Mb)高度特異。推測(cè)

5、在土壤芽胞桿菌進(jìn)化過(guò)程中，這一區(qū)域可能發(fā)生過(guò)大范圍或頻繁的基因重組、插入或轉(zhuǎn)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(zhǎng)鏈烷烴作為唯一碳源，我們對(duì)其碳代謝相關(guān)基因進(jìn)行了詳細(xì)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(lái)源多糖的代謝途徑，表明。NG80-2在獲得降解長(zhǎng)鏈烷烴的能力之前可能是一種土壤菌。通過(guò)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(xì)菌中發(fā)現(xiàn)的一種新的降解途徑。 NG80-2基因組編碼10個(gè)分泌型蛋白/肽酶，同時(shí)還編碼4個(gè)芳香化合物的降解途徑以及硫化烷烴降解途徑，我們推測(cè)這些酶和途徑可能與NG80-2在油藏環(huán)境下營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)(包括碳，氮和硫源等)的利用有關(guān)。 通過(guò)生物信息學(xué)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(jī)制相關(guān)；從16株芽胞桿菌科菌株

7、所共有的1196個(gè)同源基因GC含量的分析結(jié)果推測(cè)它們?cè)缙诘淖嫦瓤赡苁且恢闓C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(zhǎng)期受到來(lái)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(jìn)化的最好的材料之一。本文鑒定了4個(gè)革蘭氏陰性菌的O抗原基因簇，并通過(guò)基因缺失和互補(bǔ)的方法鑒定了5個(gè)O-抗原聚合酶基因，2個(gè)糖基轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移是O抗原多樣性形成的一個(gè)重要原因，生物信息學(xué)分析顯示，大腸桿菌O24的O抗原基因簇來(lái)源于3個(gè)不同的祖先，通過(guò)至少2次以上的重組事件形成，是目前發(fā)闡明的進(jìn)化來(lái)源最為清楚的有多個(gè)起源的O抗原基因簇。其O抗原基因簇上存在6個(gè)殘余的插入序列，在介導(dǎo)基因橫向轉(zhuǎn)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(gè)

9、不同的進(jìn)化來(lái)源，gne的多樣性可能是基因橫向轉(zhuǎn)移的結(jié)果。通過(guò)模建并分析大腸桿菌O23中Gne的高級(jí)結(jié)構(gòu)，推測(cè)與O23中Gne來(lái)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(duì)進(jìn)化上緊密相關(guān)的16對(duì)O抗原基因簇中同源基因的分析顯示，糖基轉(zhuǎn)移酶和O抗原處理酶基因相對(duì)單糖合成酶基因承受較小的負(fù)向選擇壓力，具有更快的變異速率，從分子進(jìn)化角度解釋了前2類基因?qū)?/p>