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12.病原菌与环境中重要微生物的功能基因组分析

DorotheaKThompsonJizhongZhou

魏华译；刘妍初校；朱晨光复校

12.1介绍

病原菌的致病机理，特别是动物宿主与引起它们患病的病原菌之间相互作用

的分子基础与分子调节是非常复杂的，并且涉及多个毒力因子的共同控制。生理

特性与毒力特性的广谱性是多种基因功能表达紧密协调的一种反映。通常，病原

菌的感染循环始于黏附并定植于宿主，然后（有时）细菌侵袭宿主组织或细胞，

存在于宿主细胞中并在宿主细胞中繁殖，最后释放出来再感染新的宿主（参见

Finlay与Falkow1997年发表的一篇综述）。微生物感染被复杂的调节网络所调

控，包括种特异性的细胞与细胞之间的交流。20世纪90年代中期,流感嗜血杆

菌(Haemophilusinfluenzae)全基因组序列的发表（Fleischmann等人发表于1995

年）标志着基因组时代的来临，研究全基因组范围内细菌毒力特征的分子特性的

方案使科学家对细菌致病机理的研究方式发生改变。

目前，已经有至少25个亲源关系很远的病原菌全基因组序列得到解析，并

且，其它一些病原微生物的全基因组序列的测定工作也正在进行中（见第二章）。

我们已经知道了一些病原菌如幽门螺杆菌（Helicobacterpylori）(Tomb等人，1997；

Alm等人，1999)，结核分枝杆菌（Mycobacteriumtuberculosis）(Cole等人，1998)，

生殖道支原体(Mycoplasmagenitalium)(Fraser等人，1995)，铜绿假单胞菌

(Pseudomonasaeruginosa)(Stover等人，2000)，肺炎链球菌(Streptococcus

pneumoniae)(Hoskin等人，2001)，霍乱弧菌(Vibriocholerae)(Heidelberg等人，

2000)，单核细胞增生性李斯特菌(Listeriamonocytogenes)(Glaser等人，2001)的

全基因组序列信息，最近炭疽芽胞杆菌(Bacillusanthracis)(Read等人，2003)的全

基因组序列也被测出。大量的环境中重要的真菌与古菌，包括金属离子还原菌

Shewanellaoneidensis（Heidekberg,2002），耐放射异常球菌Deinococcus

radiodurans(White等人，1996b)，耐高温多型古菌

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Pyroccusfuriosus(Robb等人，2001)的全基因组序列也已经被测定（见第二

章）。

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一个微生物全基因组的生物信息学分析可用来寻找与感染相关的基因，以及

潜在的抗生素药物作用的新靶点。比较分析多个种系相差很大的病原微生物和种

系相近的病原微生物，可以揭示天然群落中细菌基因的易变性，种属多样性的分

子机制，以及细菌致病机理的进化与引起不同发病情况的菌株特异性的基础。由

于大量的古菌已被测序，比较基因组可以揭示古菌（特别是crenarchaeal和

euryarchaeal分支）、细菌、真菌之间的差异。另外，象DNA微阵列这类功能基

因组工具对我们理解微生物感染后导致宿主临床病变的一些宿主的基因表达起

了非常重要的作用。最早应用微阵列技术对环境中重要微生物功能基因的研究主

要针对少量的几个使微生物能在恶劣环境中生存的特定基因，如这些基因的功

能、调节网络、基本的表型以及特异的酶系统等。最终，蛋白组学将加深我们对

基因功能的了解，为预测毒力因子和未知基因以及了解病原微生物的转录后与翻

译后调节作用提供新的视角。

本章将讨论基因组序列与生物信息学分析在鉴定毒力因子中的作用、比较基

因组在病原微生物的基因多样性与进化中的作用、基于遗传和微阵列的