第二章、基因组时代的微生物生理学.ppt

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　　第二章、基因组时代的微生物生理学

　　本节结合教材第4章，介绍基因组时代微生物生理学的研究方法，先是强调一下极端微生物，生活在极端环境中，涉及到特殊的生理代谢适应机制，为后面讲微生物代谢途径做铺垫，同时激发同学学习微生物生理学的兴趣。介绍组学的概念，包括基因组学、蛋白质组学、代谢组学等概念，以及一些常用的研究方法。

　　本章内容和要求：

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　　一、 微生物生理的研究对象 微生物生理的研究对象是所有的微生物的生理特征， 尤其是特殊环境下微生物的生理特征，通过对这些 微生物的认识理解微生物生理学的基本概念。

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　　三界分类系统

　　1977年，沃斯通过比较不同来源的16SrRNA或18SrRNA的序列同源性，提出在地球上存在第三中生命形式—一古细菌(Arcnaghacteha)，为了突出和细菌的区别后来更名为古菌。在1990年，沃斯正式提出了三界分类系统：生物分为真核生物、细菌和古菌。1996年对一种古菌——詹氏甲烷球菌的序列测定则更加全面的证明了沃斯的分类法，美国的《科学》杂志将这一事件列为重大突破之一，并将其成为微生物学的革命。

　　古菌是一群具有独特基因结构或系统发育生物大分子序列的单细胞生物，大多生活在地球上如超高温、高酸碱度、高盐浓度、严格无氧状态等极端环境或生命出现初期的自然环境。古菌主要包括三大类：产甲烷菌、极端嗜热菌和极端嗜盐菌。

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　　标题： 三界分类系统的意义

　　正文： 三界分类系统的提出人们对生命形式的理解更加深入和全面 古菌研究正在世界范围内升温， 由于古菌一般都生存在极端的环境中，且大多数都不致病，这为工业应用提供了巨大的潜力。 我们对于古菌的认识还及其有限。

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　　三界分类系统的特征比较

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　　(Gp:) 三界生物界限

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　　谁是最早的细胞?

　　标题： 讲到这儿，我们会想起生化上讲的关于生命起源的问题

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　　标题： 细菌是最古老的域?

　　正文： 细胞结构简单 核糖体RNA所进行的进一步比较表明 由原核到真核得化石证据 2002年，法国进化生物学家塞林纳·布罗切和赫尔夫·菲利普认为最古老的生物是一种只生活在温度适宜地区的称为浮霉状菌目的另一细菌类群

　　法国巴黎大学的帕特里克·福特勒教授认为“露卡”也许是真核生物 细菌等一些进化速度更快的直系后代看上去比实际要“老成”。 真核生物也充斥着原始结构 细菌制造蛋白质方面效率高

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　　标题： 最早的生物是超耐温菌，“露卡”是否属于嗜热古菌

　　正文： 古细菌的生长环境更接近原始地球的状态 根据比较基因所绘制的系谱表明，最早的生物是超耐温菌(生活在80摄氏度以上的有机物) 1996年，科学家们解析了从深海发现的古细菌物种詹氏甲烷球菌(Methanococcus/annaschii)的基因组全序列

　　温度极高环境的生命需要特殊的酶保护(旋转酶) 采用不同基因绘制的谱系不同 比较100多基因组全序列只有60基因相同

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　　标题： 伍斯进化树 (三域学说)

　　正文： 极端环境 小亚基核糖体核酸(ssu rrna)分子作为分子记时器 詹氏甲烷球菌_三域学说的第一个基因组学证据(1738) 真核细胞细胞器(内共生体) “基因水平转移”假说

　　极端环境 古菌与细菌的差异(44%具有细菌蛋白特征，只有13%的像真核生物的蛋白质) 詹氏甲烷球菌(30%编码未知基因) 许多源于细菌的核基因编码那些在细胞质、而不是线粒体中起作用的蛋白质 酵母细胞核基因中，与细菌基因有亲缘关系的比与古菌有亲缘关系的多一倍

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　　标题： 极端微生物(Extremophiles)

　　正文： 极端微生物是最适合生活在极端环境中的微生物的总称，包括嗜热、嗜冷、嗜酸、嗜碱、嗜压、嗜金、抗辐射、耐干燥和极端厌氧等多种类型。 极端微生物是过去30年微生物研究的重要发现 研究极端微生物的特性对探索生命的起源、微生物的育种及开发利用等具有重要意义。它们在医药、食品、化工、环保等领域有着重大的应用潜力。

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　　标题： 二、微生物生理学的研究方法

　　正文： 传统的研究生理功能的方法：侧重于单基因或蛋白 PCR—扩增DNA片段 基因突变 转录分析 DNA迁移分析 引物延伸实验 印记分析(Blot分析) Southern,Northern,Western 双杂交分析，单杂交分析，三杂交分析等

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　　正文： 基因组时代下研究生理功能的方法有：引入组学概念 基因组克隆 基因组测序 生物信息学 基因芯片 蛋白质组学

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　　1990年美国正式开始实施的《人类基因组作图及测序 计划》。 ? 测定和分析人体基因组全部核苷酸排列次序è 揭示 携带的全部遗传信息è 阐明遗传信息表达规律及其 最终生物学效应。

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　　?人类基因组“工作框架图”在2000年 　6月26日宣布完成绘制(历时10年)， 　2003年4月14日美英日法德中等国的 　科学家宣布完成人类基因组的测序 　工作。 ?我国参与研究的第3号染色体，共计3000万个碱基对，约占人类基因组全部序列1%(中科院遗传所人类基因组中心杨焕明教授负责，1999年9月加入这一研究计划)。

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　　早在1995就发表了微生物的第一个全基因组的遗传密码序列(流感嗜血杆菌Haemophilus influenzae Rd，有183万个碱基对，1743个基因)。 Eukaryotes: 259?? Bacteria: 1374??? Archaea: 113 后基因组学的主要任务是研究基因或基因组的精细结构和功能 从目前传统的微生物学内各分支领域来看，以了解微生物之间、微生物与其他生物、微生物与环境的相互作用为研究内容的微生物生理学、环境微生物学等，乃至形成时间不太长的细胞微生物学将会在基因组学的基础上取得突破性发展，甚至发生难以预测的体系更新。

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　　微生物基因组学

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　　从人类基因组计划到后基因组时代

　　对我们的启示

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　　线性思维

　　复杂性思维

　　后基因组时代的生物学认识论(1)

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　　整体观

　　局部观

　　后基因组时代的生物学认识论(2)

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　　后基因组时代的微生物生理学

　　— 大规模平行分析 — 整体分析 — 分析与综合相结合、 — 计算机技术与实验 技术结合

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　　标题： 本章小结

　　正文： 20 世纪中叶生命科学进入了分子生物学的时代, 生理学获得巨大发展。微生物生理学已成为一个利用生物化学、遗传学、细胞生物学、分子生物学等多学科知识和技术手段研究微生物生命活动规律以及和周围环境之间关系的学科。当前，随着基因组测序的成功运用,越来越多的微生物基因组完成测序，组学概念和生物信息学的引入，微生物生理学研究又将进入一个发展的新时期，因而同学们要了解当前微生物生理学发展的新阶段，新方法，掌握多学科的知识。