研究细菌基因组结构的意义

细菌基因组的结构和功能

细菌和病毒一样同属原核生物，因而细菌基因组的结构特点在许多方面与病毒的基因组特点相似，而在另一些方面又有其独特的结构和功能。本节首先介绍细菌染色体基因组的一般结构特点，然后再具体介绍大肠杆菌染色体基因组

的结构和功能。

1细菌染色体基因组结构的一般特点

（1）细菌的染色体基因组通常仅由一条环状双链

DNA分子组成细菌的染色体相对聚集在一起，形成一

个较为致密的区域，称为类核（nucleoid）。类核无

核膜与胞浆分开，类核的中央部分由RNA和支架蛋白

组成，外围是双链闭环的DNA超螺旋。染色体DNA通

常与细胞膜相连，连接点的数量随细菌生长状况和不同的生活周期而异。在DNA链上与DNA 复制、转录有关的信号区域与细胞膜优先结合，如大肠杆菌染色体DNA的复制起点（OriC）、复制终点（TerC）等。细胞膜在这里的作用可能是对染色体起固定作用，另外，在细胞分裂时将复制后的染色体均匀地分配到两个子代细菌中去。有关类核结构的详细情况目前尚不清楚。

（2）具有操纵子结构（有关操纵子结构详见基因表达的调控一章）其中的结构基因为多顺反子，即数个功能相关的结构基因串联在一起，受同一个调节区的调节。数个操纵子还可以由一个共同的调节基因（regulatorygene）即调节子（regulon）所调控。

（3）在大多数情况下，结构基因在细菌染色体基因组中都是单拷贝但是编码rRNA的基因rrn往往是多拷贝的,这样可能有利于核糖体的快速组装，便于在急需蛋白质合成时细胞可以在短时间内有大量核糖体生成。

（4）和病毒的基因组相似，不编码的DNA部份所占

比例比真核细胞基因组少得多。

（5）具有编码同工酶的同基因（isogene）例如，在

大肠杆菌基因组中有两个编码分支酸（chorismicacid）

变位酶的基因，两个编码乙酰乳酸（acetolactate）合成

酶的基因。

（6）和病毒基因组不同的是，在细菌基因组中编码

顺序一般不会重叠，即不会出现基因重叠现象。

（7）在DNA分子中具有各种功能的识别区域如复制

起始区OriC，复制终止区TerC,转录启动区和终止区等。

这些区域往往具有特殊的顺序，并且含有反向重复顺序。

（8）在基因或操纵子的终末往往具有特殊的终止顺序,它可使转录终止和RNA聚合酶从DNA链上脱落。例如大肠杆菌色氨酸操纵子后尾含有40bp的GC丰富区，其后紧跟AT丰富区，这就是转录终止子的结构。终止子有强、弱之分，强终止子含有反向重复顺序，可形成茎环结构，其后面为polyT结构，这样的终止子无需终止蛋白参与即可以使转录终止。而弱终止子尽管也有反向重复序列，但无polyT结构，需要有终止蛋白参与才能使转录终止。

2大肠杆菌染色体基因组的结构和功能

大肠杆菌染色体基因组是研究最清楚的基因组。估计大肠杆菌基因组含有3500个基因，已被定位的有900个左右。在这900个基因中，有260个基因已查明具有操纵子结构，定位于75个操纵子中。在已知的基因中8％的序列具有调控作用。大肠杆菌染色体基因组中已知的基因多是编码一些酶类的基因，如氨基酸、嘌呤、嘧啶、脂肪酸和维生素合成代谢的一些酶类的基因，以及大多数碳、氮化合物分解代谢的酶类的基因。另外，核糖体大小亚基中50多种蛋白质的基因也已经鉴定了。

除了有些具有相关功能的基因在一个操纵子内由一个启动子转录外，大多数基因的相对位置可以说是随机分布的。如控制小分子合成和分解代谢的基因，大分子合成和组装的基因分布在大肠杆菌基因组的许多部位，而不是集中在一起。再如，有关糖酵解的酶类的基因分布在染色体基因组的各个部位。进一步发现，大肠杆菌和与其分类关系上相近的其他肠道菌如志贺氏杆菌属（Shigella）、沙门氏菌属（Salmonella）等具有相似的基因组结构。伤寒沙门氏杆菌（Salmonellatyphimurium）几乎与大肠杆菌的基因组结构相同，虽然有10％的基因组序列和大肠杆菌相比发生颠倒，但是其基因的功能仍正常。这更进一步说明染色体上的基因似乎没有固定的格局，相对位置的改变不会影响其功能。

在已知转录方向的50个操纵子中，27个操纵子按顺时针方向转录，23个操纵子按反时针方向转录，即DNA两条链作为模板指导mRNA合成的机率差不多相等。在大肠杆菌染色体基因组中，差不多所有的基因都是单拷贝基因，因为多拷贝基因在同一条染色体上很不稳定，极易通过同源重组的方式丢失重复的基因序列。另外，由于大肠杆菌细胞分裂极快，可以在20分钟内完成一次分裂，因此，携带多拷贝基因的大肠杆菌并不比单拷贝基因的大肠杆菌更为有利；相反，由于多拷贝基因的存在，使E.coli的整个基因组增大，复制时间延长，因而更为不利，除非在某种环境下，需要有多拷贝基因用来编码大量的基因产物，例如，在有极少量乳糖或乳糖衍生物的培养基上，乳糖操纵子的多拷贝化可以使大肠杆菌充分利用的乳糖分子。但是，一旦这种选择压力消失，如将大肠杆菌移到有丰富的乳糖培养基上，多拷贝的乳糖操纵子便没有存在的必要，相反，由于需要较长的复制时间，这种重复的多拷贝基因会重新丢失。

大肠杆菌染色体基因组中，大多数rRNA基因集中于基因组的复制起点oriC的位置附近。这种位置有利于rRNA基因在早期复制后马上作为模板进行rRNA的合成以便进行核糖体组装和蛋白质的合成。从这一点上看，大肠杆菌基因组上的各个基因的位置与其功能的重要性可能有一定的联系。

3 细菌基因组研究所提供的机遇和挑战

目前，微生物界正面临在下一世纪中如何发展的严峻问题。在20世纪微生物学科为生命科学及人类的健康作出了卓越的贡献。全世界唯一被消灭的天花，痘苗的发展及应用起了关键作用。

由于微生物基因组较小，将会超过其它生物更快地完成基因组的结构与功能分析，获得的信息将会首先被应用于药物、疫苗产品的开发和疾病的防治。例如最近对2株不同的幽门螺杆菌基因组分析和对比，发现1994年自美国分离的菌株199与1987年自英国分离的菌株26695，仅有（6～7）％的基因结构差异。这些不同基因的半数集中在一个高变区中。曾有学者认为，幽门螺杆菌可引起不同临床疾病但也可对人有利，其机理可能与菌的基因结构相关。目前的结果揭示应重点研究这些菌株特异区基因，同时应研究与定居基因表达相关的序列，此外还应考虑过去被忽视的机体因素在幽门螺杆菌致病中的地位。通过对比幽门螺杆菌和最近完成全基因测序的空肠弯曲菌，发现两种菌仅有17％不同的基因序列。其中，幽门螺杆菌有独特的基因使之能在胃酸存在的条件下生存并分解尿素。弯曲菌则比螺杆菌有2倍多的起调控作用的基因。这些基因可能使弯曲菌能适应多种环境，如人肠腔、鸟肠道、牛奶中。因弯曲菌能在外环境中生存，在美国去年引起的腹泻患者达30万人。又如至今未能在体外培养的梅毒螺旋体基因组为1 138 006bp，其毒力因子由一个12个潜在的膜蛋白家族和数个可能的溶血素组成。对比梅毒与引起Lyme病的螺旋体基因组，也发现了致病性的诸多基因。结核杆菌基因组的分析也已完成，含4 411 529 bp，编码约4 000个基因。发现该菌有大量基因是编码脂类合成与分解酶，发现2个富含甘氨酸的新家族，可能是引起该抗原变异的来源。即使尚未完成全基因组分析，国外已对肺炎链球菌、肠球菌和乳球菌的关键基因序列进行了开发研究。最值得我们重视的是，这是个新领域，是可以进行创新研究的高起点。