喜温嗜酸硫杆菌SM-1在不同温度下基因组的可塑性

【目的】驯化得到喜温嗜酸硫杆菌(Acidithiobacillus caldus)SM-1在低于最适生长温度下具有较高生长活力的突变菌株,并认知喜温嗜酸硫杆菌在不同温度下的基因组可塑性。【方法】利用实验室长期进化实验对菌株进行3个温度的驯化:37、40、45°C。运用454测序技术对驯化获得的菌株进行基因组重测序,通过比较基因组分析驯化株基因组单核苷酸位点变化(SNPs),对包含位点变化的基因从功能上进行分类,在此基础上,分析可能与温度适应性相关的基因。【结果】通过不同温度下的长期驯化,得到了在低于最适生长温度下具有较高活力的菌株;重测序结果发现,SM-1基因组具有较好的可塑性,不同温度(37、40、45°C)生长的菌株中,基因组中分别有418、384和347个核苷酸位点发生累计变化,其中3个温度下有20个相同的非同义突变位点,分别分布于编码重金属和毒性抗性系统、DNA甲基化和蛋白乙酰化酶、核酸代谢相关酶类等相关基因上;相比而言,在低于最适生长温度(37、40°C)下生长菌株特有的位点变化涉及能量代谢、信号转导以及DNA/RNA稳定性相关基因;其中,2个低温菌株共同发生位点变化的基因有3个,其中两个编码转座相关的蛋白Atc_1031与Atc_1623,另一个编码假想蛋白Atc_1130,该蛋白分别与外膜蛋白组装因子B和二硫键形成蛋白具有23%和35%的相似性。另外,不同生长温度下相关蛋白中氨基酸的组成也发生变化。【结论】喜温嗜酸硫杆菌SM-1基因组具有较好的可塑性,对于其基因组变化的研究结果为认识微生物温度适应性提供了组学数据。本研究揭示喜温嗜酸硫杆菌(At.caldus)SM-1可能通过多种途径适应向低温过渡生长,既包括微生物通用的环境适应机制,也存在菌株特有的温度适应途径。     

蜜蜂表皮蛋白apidermin (apd)基因家族3个新成员的特性鉴定及昆虫APD家族序列特征的分析

Apidermin (APD)蛋白家族是一个新的昆虫结构性表皮蛋白家族。本研究结合生物信息学和RT-PCR扩增, 对意大利蜜蜂Apis mellifera ligustica（简称“意蜂”）的apd-1-like, apd-3-like和中华蜜蜂Apis cerena cerena（简称“中蜂”）的apd-2 等3个新的apd基因的结构特征和表达进行了分析, 并分析了昆虫APD蛋白家族的序列特征。结果显示, 在西方蜜蜂Apis mellifera（简称“西蜂”）中, apd基因家族的6个成员串联排列在基因组序列第4号连锁群上, 它们在A. m. ligustica雄蜂头部中的转录水平差异明显, 且其启动子序列所含顺式元件也不同。中蜂apd-2和意蜂apd-1-like都含有3个外显子和2个内含子, 而意蜂apd-3-like则由4个外显子和3个内含子组成。蛋白序列分析结果显示, 目前已知的10条APD蛋白序列N末端均具有相似的信号肽序列, 其成熟蛋白分子量为6.0~37.0 kD, pI为6.2~10.8。其中西蜂的APD1-3、APD-like和东方蜜蜂Apis cerena的APD-2等5条较短的多肽中疏水氨基酸残基达52%~67%, 且Ala含量最为丰富（占25%~34%）; 而丽蝇蛹集金小蜂Nasonia vitripennis的APD 1-3和西蜂APD-1-like, APD-3-like等另外5条APD多肽富含Gly（21%~30%）, 其序列中疏水氨基酸残基含量为35%~41%。多肽序列多重比对和系统进化分析结果显示, APD家族可划分为2个亚家族。亚家族Ⅰ含有西蜂APD 1-3和东方蜜蜂APD-2等4条较短的多肽序列, 其N末端为一个长33 aa的保守基序; 亚家族Ⅱ由另外6条相对较长的多肽序列组成, 其N末端保守基序长50 aa, C末端保守基序长16 aa。本文所描述的APD蛋白家族序列特征有助于以后从其他昆虫中鉴定新的apd基因。     

毛竹基因组大小和序列构成的比较分析

毛竹(P. pubescens)是世界重要的竹类植物之一, 是中国分布范围最广、种植面积最大(占全国竹林总面积的2/3以上)、经济价值最高的竹种. 毛竹属于禾本科, 为四倍体(4x = 48), 是该科中特殊的草本植物. 禾本科中多个基因组已被或正在被测序, 但竹类植物基因组研究还未见报 道. 本研究以被测序的玉米(B73)和水稻(日本晴) 基因组作为内参, 利用流式细胞仪(FCM)获得大小约为2034 Mb毛竹基因组, 其与玉米基因组大小相仿, 远大于水稻基因组. 为了明确毛竹基因组是否与玉米基因组一样由大量重复序列组成, 进行了毛竹基因组随机测序, 获得近1000条基因组调查序列(GSS). 序列分析表明, 毛竹基因组的重复序列组成比例23.3%, 明显低于玉米(65.7%); 其重复序列主要由Ty1/Copia和Gypsy/DIRS1 2类LTR逆转座子(14.7%)构成, DNA转座子和其他重复序列比例均较低. 但由于测序数量等原因,该结果还有待今后更大规模的基因组测序分析. 本研究对毛竹和其他竹种的基因组学研究提供了一些有价值的基础数据, 同时该研究是第一次对竹类植物基因组的序列构成进行了初步描述.     

雨生红球藻低覆盖度基因组草图分析

开展雨生红球藻基因组测序研究,对于解读绿藻起源与进化及生物逆境胁迫响应机制,以及推动雨生红球藻产业发展都具有重要意义。利用Illumina Hiseq 2500对雨生红球藻(Haematococcus pluvialis)进行高通量测序,获得低覆盖度全基因组草图。通过计算k-mer分布预测该基因组草图大小约为547Mb,GC含量为59.2%,为纯合或单倍体。共得到11 059个预测基因,平均基因长度为1 711bp,平均CDS长度为681bp;平均每个基因包含3.2个外显子,外显子的平均长度为353bp。代谢通路分析表明,具有完整的糖酵解、三羧酸循环、磷酸戊糖途径、嘌呤和嘧啶合成等基本代谢通路。     

喜温嗜酸硫杆菌SM-1的ROS防护机制

【目的】从基因组水平探讨生物冶金微生物——喜温嗜酸硫杆菌(Acidithiobacillus caldus)的活性氧类物质(Reactive oxygen species,ROS)防护机制。【方法】采用罗氏454 GS FLX测序平台对喜温嗜酸硫杆菌SM-1进行全基因组测序,利用NCBI非冗余蛋白数据库、Uniport蛋白数据库对全基因组序列进行功能注释,并采用基因组百科全书数据库(KEGG)进行基因组代谢途径重构,通过比较基因组学方法分析SM-1基因组中参与ROS防护相关的基因及可能的分子机制。【结果】SM-1细胞内的酶促抗氧化系统可用于清除细胞内产生的ROS物质,而非酶促抗氧化系统可用于维持细胞内的还原性内环境;细胞内的DNA损伤修复系统可用于修复DNA的氧化损伤从而保持个体遗传物质的稳定性。此外,SM-1基因组中大量的转座元件可能会增加基因组的可塑性以适应极端冶金环境。【结论】SM-1基因组序列的获得为从整体水平揭示喜温嗜酸硫杆菌适应生物冶金环境ROS氧化损伤的防护机制提供了帮助,对于SM-1的ROS防护机制的认知也为进一步通过遗传改造、提升其在高浓度重金属离子冶金环境中的抗性、提高冶金效率提供了理论指导。     

木酮糖激酶表达水平对酿酒酵母木糖代谢产物流向的影响

在酿酒酵母中分别引入真菌和细菌的木糖代谢关键酶,木糖还原酶基因XYL1、木糖醇脱氢酶基因XYL2和木糖异构酶基因xylA. 并在此基础上以共转化策略超表达下游关键酶木酮糖激酶基因XKS1. 与亲本菌株相比,用pMA91和YEp24质粒表达XKS1的重组菌株,木酮糖激酶（xylulokinase,XK）活性分别提高了14和6.7倍. 在限氧条件下,重组菌株对木糖和葡萄糖的共发酵结果显示,表达XYL1,XYL2以及XKS1的重组菌株HSXY-251木糖消耗为12.4 g/L,提高了120.9%,乙醇产量达到9.4 g/L,提高了36%,副产物木糖醇产量为0.7 g/L,下降了84.9%.     

活体生物药的应用及在遗传性代谢缺陷病治疗中的展望

活体生物药(live biotherapeutic products,LBPs)是指来自于人体肠道内或自然界中能够治疗人类疾病的活性菌。但天然筛选的活菌存在治疗效果不明显、差异性较大等缺点,难以满足个性化诊疗的需要。近年来,随着合成生物学的发展,研究者利用生命科学及工程科学手段,设计并构建了若干可响应外界复杂环境信号的工程菌株,加快了活体生物药的研发和应用过程。遗传性代谢缺陷病(inherited metabolic disease)是因体内某些酶的遗传缺陷致使体内相应的代谢物不能正常代谢而引发一系列临床症状的一类疾病,因此利用合成生物学技术,针对特定缺陷的酶设计重组活体生物药,未来有希望用于遗传性代谢缺陷病的治疗。本综述以活体生物药为切入点,并结合国内外文献综述,来探讨活体生物药在疾病治疗中的应用,以及对遗传性代谢缺陷病治疗的潜力。     

好客嗜酸两面菌W1寡营养酸性热泉环境的适应机制

【目的】从基因组水平揭示好客嗜酸两面菌(Acidianus hospitalis)W1对寡营养酸性热泉环境的适应机制。【方法】使用NCBI非冗余蛋白数据库、Uniport蛋白数据库以及Sulfolobus数据库对好客嗜酸两面菌W1基因组序列进行功能注释,使用KEGG数据库对基因组进行In slico代谢途径重构,在此基础之上,采用比较基因组学方法对代谢途径进行鉴定和完善。【结果】好客嗜酸两面菌W1具备多样化的代谢方式以适应寡营养酸性热泉环境。W1菌株通过3-羟基丙酸/4-羟基丁酸和乙二酸-4-羟基丁酸循环进行CO2固定、通过氧化还原型无机硫化物(Reduced inorganic sulfur compounds,RISCs)获取能量营自养型生长。但W1菌株与模式菌株Acidianus ambivalens的硫代谢方式不同,W1基因组中缺少编码亚硫酸-受体氧化还原酶(SAOR)、腺苷硫酸(APS)还原酶、硫酸腺苷酰转移酶(SAT)和腺苷硫酸:磷酸腺苷转移酶(APAT)的基因。此外,W1菌株可以通过非磷酸化的分支的ED途径和TCA循环进行葡萄糖代谢,糖类和氨基酸转运蛋白以及相应水解酶的存在表明W1能够利用部分有机物营兼性自养型生长。与A.ambivalens不同,W1菌株不能利用H2作为电子供体。【结论】多样化的代谢方式为好客嗜酸两面菌W1更好地适应寡营养酸性热泉环境提供了重要保障,对于W1菌株特有代谢方式的揭示也丰富了对于嗜酸两面菌(Acidianus)属物种代谢多样性的认知。     

微生物完整基因组测定中的Gap closure策略

微生物基因组空缺区域(Gap)中可能存在重要的生物学信息,如果无法补齐所有Gap,不仅不能获得完整的基因组图谱,还会给后续的基因组信息解读造成很大困难。而基因组空缺区域填充(Gap closure)是获得微生物基因组完成图的关键,本文结合作者以及借鉴上海人类基因组研究中心在微生物基因组Gap closure中的经验,针对微生物基因组Gap closure常用的6种策略:参考序列比对、多引物PCR、基因组步移、基因组文库克隆末端测序、末端配对(Paired-End)以及基因组光学图谱技术进行综述。     

酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae重组菌株木糖醇发酵的初步研究

木糖还原酶催化木糖为木糖醇的反应,是木糖代谢的第一步。将木糖还原酶的原因ＸＹＬ１引入酿酒酵母中,构建得到儿表达ＸＹＬ１基因的重组酿酒酵母菌株ＨＹＥＸ２,该重组菌株的木糖还原酶比活力为７．４７Ｕ／ｍｇ。研究表明,该菌株获得转化木糖产生木糖醇的能力,当辅助碳源葡萄糖的浓度为２％,并在发酵３０ｈ左右添加木糖,木糖醇的转化率可达到０．９７ｇ／ｇ。