www.themegallery.com2 2、微生物种群基因组学与生态学、微生物种群基因组学与生态学微生物多样性与生态学微生物多样性与生态学 微生物在地球地质演化、气候变化、地球化学循环及生物进化等方面微生物在地球地质演化、气候变化、地球化学循环及生物进化等方面 起核心作用。起核心作用。 微生物的活动保持着地球的元素循环（微生物的活动保持着地球的元素循环（C、N、S）的平衡。）的平衡。 微生物种的分类和特征描述，目前主要依赖于分离纯化技术。微生物种的分类和特征描述，目前主要依赖于分离纯化技术。www.themegallery.com免培养分子种系发生学免培养分子种系发生学 微生物中的微生物中的99.9%以上，不能人工培养。以上，不能人工培养。 环境中免培养分子种系发生学的研究。环境中免培养分子种系发生学的研究。 研究方法：直接从环境的天然微生物群体中提取总研究方法：直接从环境的天然微生物群体中提取总DNA，酶切，构建，酶切，构建 DNA文库，对重组克隆进行筛选、分拣和测序，种系分析。文库，对重组克隆进行筛选、分拣和测序，种系分析。 研究常用的标记物：小亚基研究常用的标记物：小亚基rRNA基因，具有普遍性和保守性的特点。基因，具有普遍性和保守性的特点。www.themegallery.comwww.themegallery.com环境微生物基因组学环境微生物基因组学环境基因组学（环境基因组学（environmental genomic）或泛基因组学）或泛基因组学 （metagenomic） 研究流程研究流程: 样品采集样品采集 文库构建：文库构建：BAC文库（文库（200kb），），Fosmid文库（文库（32-45kb） 文库筛选和分析文库筛选和分析www.themegallery.com细菌人工染色体文库构建细菌人工染色体文库构建www.themegallery.comFosmid文库构建文库构建www.themegallery.com定向研究微生物的特征定向研究微生物的特征海洋古生菌的研究海洋古生菌的研究 分布广泛：在海洋分布广泛：在海洋100-5000米，以米，以105/ml密度存在，占海洋微生物密度存在，占海洋微生物 20%以上；以上； 在非极端环境中也广泛存在（有氧的海洋和陆地）。在非极端环境中也广泛存在（有氧的海洋和陆地）。 纳古生菌（纳古生菌（Nanoarchaeum）的发现）的发现 基因的排列、数量和编码蛋白质基因的研究基因的排列、数量和编码蛋白质基因的研究 耐热的耐热的DNA聚合酶的发现聚合酶的发现www.themegallery.com生物勘探（生物勘探（bioprospecting） 土壤中，土壤中，99%微生物未能培养微生物未能培养 从土壤中提取土著微生物的总从土壤中提取土著微生物的总DNA，构建文库，构建文库 开发抗生素、酶和其他天然产物开发抗生素、酶和其他天然产物 酶的体外定向进化酶的体外定向进化 抗生素生物合成基因簇的发现抗生素生物合成基因簇的发现www.themegallery.com比较生态系统基因组学比较生态系统基因组学comparative ecosystem genomics举例：不同水域举例：不同水域BAC文库的分析文库的分析www.themegallery.com3、基因组学在生物催化和生物降解中的应用、基因组学在生物催化和生物降解中的应用生物降解生物降解 生物催化生物催化 生物治理生物治理www.themegallery.comwww.themegallery.com微生物群体基因组学www.themegallery.com起异化作用质粒的基因组学起异化作用质粒的基因组学 质粒质粒-染色体外的遗传因子染色体外的遗传因子 携带：抗生素基因、致病基因、代谢各种化学物质的基因携带：抗生素基因、致病基因、代谢各种化学物质的基因 异化作用基因：异化作用基因： 例如可利用辛烷、甲苯、樟脑、萘、烟碱、对甲苯磺酸以及例如可利用辛烷、甲苯、樟脑、萘、烟碱、对甲苯磺酸以及2,4- 二氯二氯-乙酰苯酯等物质的基因。乙酰苯酯等物质的基因。www.themegallery.comwww.themegallery.comwww.themegallery.com生物治理的工程菌生物治理的工程菌耐辐射异常球菌：耐辐射异常球菌： 能耐受超过能耐受超过15,000Gy(Gray)的强电离辐射；的强电离辐射； 对干旱、紫外线照射及氧化剂有很强的抗性；对干旱、紫外线照射及氧化剂有很强的抗性； 能还原某些金属：如铀、锝等放射性核素；能还原某些金属：如铀、锝等放射性核素； 基因组的测序和注释；基因组的测序和注释； 工程菌的构建工程菌的构建-能转化含放射性同位素的有机废料；能转化含放射性同位素的有机废料； 将抗汞操纵子和甲苯代谢基因导入，构建工程菌。将抗汞操纵子和甲苯代谢基因导入，构建工程菌。www.themegallery.com生物催化生物催化 丙酮丁醇梭菌（丙酮丁醇梭菌（Clostridium acetobutylicum）发酵玉米淀粉生产）发酵玉米淀粉生产 丙酮，制作炸药。丙酮，制作炸药。 黑曲霉（黑曲霉（Aspergillus niger）利用）利用淀粉酶把玉米淀粉转变为葡萄糖，淀粉酶把玉米淀粉转变为葡萄糖， 用葡萄糖异构酶转化为果糖糖浆，制成一种食品增甜剂。用葡萄糖异构酶转化为果糖糖浆，制成一种食品增甜剂。 瑞氏木霉（瑞氏木霉（Trichoderma reesei）利用纤维素酶发酵生产乙醇。）利用纤维素酶发酵生产乙醇。 天蓝色链霉菌（天蓝色链霉菌（Streptomyces coelicolor）生产抗生素、抗肿瘤因）生产抗生素、抗肿瘤因 子和免疫抑制剂。子和免疫抑制剂。 谷氨酸棒杆菌（谷氨酸棒杆菌（Corynebacterium glutamicum）生产氨基酸。）生产氨基酸。 红球菌（红球菌（Rhodococcus）把丙稀氰转化为丙烯酰胺。）把丙稀氰转化为丙烯酰胺。www.themegallery.com生物催化和生物降解的生物信息学生物催化和生物降解的生物信息学www.themegallery.com4、酶的发现与微生物基因组学酶的发现与微生物基因组学www.themegallery.com功能基因组学与酶的发现功能基因组学与酶的发现www.themegallery.com直接分子进化技术直接分子进化技术 突变引入；突变引入； DNA重组；重组； 多轮次诱变；多轮次诱变； 筛选；筛选； 对选择的变异体进行扩增；对选择的变异体进行扩增； 分子进化分子进化www.themegallery.comDNA shuffling 技术技术www.themegallery.com微生物基因组学微生物基因组学- -未来酶发现的方向未来酶发现的方向 微生物基因组序列信息微生物基因组序列信息 高通量筛选高通量筛选 酶分子的直接进化酶分子的直接进化 微生物催化剂生产微生物催化剂生产 与生物信息学工具相结合与生物信息学工具相结合www.themegallery.com5 5、基因组学在药物发现过程中的整合、基因组学在药物发现过程中的整合 药物发现和靶标设计药物发现和靶标设计www.themegallery.com利用计算机分析鉴定靶标利用计算机分析鉴定靶标如何定义一个“好”靶标基因如何定义一个“好”靶标基因 必须性必须性：是实验微生物生长、复制和存活所必需的。：是实验微生物生长、复制和存活所必需的。 选择性选择性：代表微生物的某一独特生物化学特性，与哺乳动物寄主无同：代表微生物的某一独特生物化学特性，与哺乳动物寄主无同 源性或低同源性。源性或低同源性。 广谱性广谱性：广谱药物和窄谱药物的鉴定：广谱药物和窄谱药物的鉴定 实用性实用性：可溶性蛋白和膜蛋白的选择：可溶性蛋白和膜蛋白的选择 基因组比较和靶标优选基因组比较和靶标优选：利用比较基因组学、转录物组和蛋白质组学：利用比较基因组学、转录物组和蛋白质组学 检验必需性检验必需性：敲除基因，验证表型，及动物实验的验证：敲除基因，验证表型，及动物实验的验证www.themegallery.com药靶基因的类型药靶基因的类型 种族特异性基因种族特异性基因 毒力基因毒力基因 病原体共有基因病原体共有基因 菌物特异酶基因菌物特异酶基因 细菌膜转运蛋白细菌膜转运蛋白www.themegallery.com结构基因组学结构基因组学 公共蛋白质数据库（公共蛋白质数据库（PDB)提供蛋白结构信息提供蛋白结构信息 利用利用X射线结晶学射线结晶学和和核磁共振技术（核磁共振技术（NMR）解析蛋白质三级结构。解析蛋白质三级结构。 结构基因组学的技术难题：膜蛋白的表达、纯化结构基因组学的技术难题：膜蛋白的表达、纯化 结构基因组学在药物发现过程中的整合：结构基因组学在药物发现过程中的整合： 利用利用蛋白和配体复合物蛋白和配体复合物的结构解析，进行优选物的鉴定和优化，如蛋的结构解析，进行优选物的鉴定和优化，如蛋 白酶的抑制剂药物的发现，人类免疫缺乏症病毒蛋白酶抑制剂白酶的抑制剂药物的发现，人类免疫缺乏症病毒蛋白酶抑制剂 amprenavir（Agenerase）www.themegallery.comProtein crystalwww.themegallery.comProtein crystalwww.themegallery.comX-ray diffractionwww.themegallery.comamprenavirwww.themegallery.com新天然产物的发现与基因组学新天然产物的发现与基因组学 筛选微生物的次级代谢产物筛选微生物的次级代谢产物 运用组合化学构建化学小分子库运用组合化学构建化学小分子库 开发次级代谢产物用于抗菌、抗癌、抗炎症、抗寄生虫以及作为免疫开发次级代谢产物用于抗菌、抗癌、抗炎症、抗寄生虫以及作为免疫 抑制剂、除草剂和杀虫剂。抑制剂、除草剂和杀虫剂。 天然产物基因簇的克隆及测序天然产物基因簇的克隆及测序www.themegallery.com基因组扫描基因组扫描www.themegallery.comwww.themegallery.com探索环境泛基因组探索环境泛基因组 分离环境中的总分离环境中的总DNA，克隆到，克隆到BAC载体上，在异源寄主菌中筛选新载体上，在异源寄主菌中筛选新 的表型。的表型。 抗生素生物合成基因簇的发现，例抗生素生物合成基因簇的发现，例violacein，长链，长链N- acyltyrosine衍生天然产物，衍生天然产物，tubomycin合成基因簇的发现。合成基因簇的发现。 海洋环境微生物资源的利用是医药工业提供新化合物的来源。海洋环境微生物资源的利用是医药工业提供新化合物的来源。www.themegallery.com药物基因组学药物基因组学 药物基因组学是药物基因组学是功能基因组功能基因组学和学和分子药物学分子药物学的结合，研究由于个体的的结合，研究由于个体的 遗传差异导致了对药物的不同反应。遗传差异导致了对药物的不同反应。 第二人类基因组计划（第二人类基因组计划（Second Human Genome Project）- SNP（single nucleotide polymorphism）的研究，在临床诊）的研究，在临床诊 断、药物开发、疾病相关基因鉴定和药物基因组学领域具有巨大的实断、药物开发、疾病相关基因鉴定和药物基因组学领域具有巨大的实 用价值。人类全基因组中估计大约有用价值。人类全基因组中估计大约有3000,000个个SNPs，约，约 200,000个个cSNPs。www.themegallery.com药物基因组学的研究方法药物基因组学的研究方法 构建全基因组基因多态性图谱构建全基因组基因多态性图谱 发现各种疾病和各种药物反应表现型差异