中國微生物基因組研究（簡體書）

《中國微生物基因組研究》由我國從事微生物基因組研究的專家們結合自己的研究領域撰寫的綜述論文組成，反映了我國微生物基因組研究的過去、現在，並指出了未來尚需研究的方向。共分為真細菌基因組（包括人畜病原真細菌，農用真細菌，環境真細菌，冶金、食品真細菌基因組）、古生菌基因組、真核微生物基因組、病毒基因組、微生物基因組研究方法五個部分。．

《中國微生物基因組研究》內容屬微生物學科前沿領域，可供從事醫學、農業、工業、環境、生態、動物醫學、植物病原微生物研究的研究人員、教師和研究生參考。

前言喻子牛第一章 真細菌基因組A人畜病原真細菌基因組中國鉤端螺旋體基因組學研究進展朱泳璋何平秦金紅郭曉奎趙國屏鼠疫耶爾森氏菌基因組學：進化、溯源與致病機制宋亞軍周冬生楊瑞馥中國腸道致病菌的基因組學研究王磊中國腸道元基因組與人體健康研究進展趙立平結核分枝桿菌的基因調控網絡研究進展李雨慶王毅何正國結核分枝桿菌基因組學和後基因組學研究畢利軍葛峰結核分枝桿菌基因組研究進展鄭華軍王升躍人體呼吸道的菌群研究周與華郭曉奎口腔微生物組研究現狀李燕薛晶王人可肖曉蓉朱硃肖麗英周學東豬胸膜肺炎放線桿菌基因組研究進展徐卓菲周銳陳煥春副豬嗜血桿菌基因組研究進展貝為成陳煥春周銳付書林樂敏B農用真細菌基因組聯合固氮微生物功能基因組學研究燕永亮張雲華林敏根瘤菌的進化：核心基因組與附屬基因組田長富陳文新銅綠假單胞菌生物防治菌株M18全基因組及溫度依賴性轉錄組分析許煜泉根瘤菌功能基因組學研究概述李友國王善明彭傑麗馬彬廣巴斯德芽菌Pasteuriaspp基因組研究進展朱軍賀樂黃惠琴劉敏鮑時翔蘇雲金芽胞桿菌基因組邱甯彭東海何進孫明喻子牛青枯雷爾氏菌基因組研究劉波唐唯其林營志車建美朱育菁C環境真細菌基因組幾株重金屬抗性細菌的全基因組序列分析與比較王革嬌何敏豔熊金波劉紅亮黎航海洋石油降解菌食烷菌基因組研究進展邵宗澤賴其良王萬鵬海洋多環芳烴降解菌的組學研究董純明邵宗澤D冶金、食品及其他真細菌基因組生物冶金微生物基因組學尤曉顏姜成英劉雙江乳酸菌基因組學研究進展張文羿孫志宏張和平枯草芽胞桿菌功能基因組，從新視角看老問題鄧運孫明球形芽胞桿菌基因組及進化分析胡曉敏袁志明蠟狀芽胞桿菌群基因組研究進展朱鐳孫明第二章 古生菌基因組海洋古菌基因組研究進展曾湘姜麗晶邵宗澤嗜熱菌基因組的基本特徵包其郁周嬌鵬原核微生物的溫度適應機制：組學視角馬彬廣郝保海胡曉攀王雙寅第三章 真核微生物基因組真菌基因組學的研究與發展王成樹寡孢節叢孢的基因組和蛋白質組學研究楊金奎季星來張克勤十字花科黑腐病菌基因組分析與病理基因組學何勇強唐紀良木質纖維素降解真菌的基因組學研究進展劉國棟曲音波食用菌基因組學研究進展和展望鮑大鵬譚琦吳林大型真菌基因組研究現狀及前景尹亞琳余國軍孫慧東方巴貝斯蟲基因組序列測定與分析賀蘭趙俊龍第四章 病毒基因組豬流感病毒的遺傳多樣性及分子進化塗加鋼金梅林我國水生動物病毒基因組的研究進展吳淑勤王慶曾偉偉劉春付小哲任燕王英英嗜極微生物噬菌體基因組學研究進展魏雲林季秀玲中國昆蟲病毒基因組結構研究進展胡遠揚張珈敏周溪芽胞桿菌屬細菌噬菌體基因組研究進展袁益輝高梅影第五章 微生物基因組其他研究及方法學幾個重要微生物基因組及其隱性基因簇的研究劉鋼牛國清李磊劉波田宇清譚華榮中國放線菌功能基因組研究白林泉基因組尺度代謝網絡模型郝彤馬紅武趙學明海洋微生物元基因組研究方法及進展李志勇基於代謝組學的抗菌藥物靶標發現王忠義張紅雨基於比較基因組學的細菌基因組島識別與功能分析歐竑宇植物病原細菌基因組重新注釋及重要功能基因識別高俊祥高娜雷陽徐錫文陳玲玲原核生物的轉錄組學研究王階平何進喻子牛……．

中國鉤端螺旋體基因組學研究進展
朱泳璋1何平1秦金紅1郭曉奎1趙國屏2
（1上海交通大學醫學院，上海200240；2國家人類基因組南方研究中心，上海200240）
鉤端螺旋體病是由致病性鉤端螺旋體引起的常見的威脅人類健康和畜牧業生產的全球性人畜共患病。分布在世界各地，特別是以水稻種植為主的發展中國家和地區。人通過直接或間接接觸感染動物的尿液而感染。鉤端螺旋體病主要臨床表現是高熱、頭痛、寒戰、乏力、淋巴結腫大和明顯的肌肉疼痛。重者可并發肺出血、黃疸、腦膜腦炎和腎衰竭等。自1955年以來此病病例達250多萬，死亡2萬多人。已經有77個國家和地區報告有此病的存在，每年發病數萬例。我國是世界上鉤端螺旋體病的高發地區之一，它也是我國目前法定的乙類傳染病之一。我國許多地區，特別是年降水量多、年平均氣溫較高的長江中下游地區是鉤端螺旋體病發病率最高的地區。20世紀80年代后，鉤端螺旋體病疫情處于相對穩定并呈下降趨勢，由于鉤端螺旋體病是自然疫源性疾病，動物宿主達200余種，存在潛在危險性。鉤端螺旋體病疫區常出現暴發。洪水等自然災害會促發該病的暴發流行，是歷史上一些大水之后“大疫”的主要疫病之一。例如，1998年我國特大洪災過后在洞庭湖區就暴發過鉤體病流行。近年來，該病的發生有所上升，甚至包括一些發達國家。引起了世界各國科學家的重視。世界衛生組織（WHO）、聯合國糧食及農業組織（FAO）在美國、澳大利亞和法國等國家建立了8個鉤端螺旋體病合作中心，并在包括中國在內的多個國家建立了11個參考實驗室。由于鉤端螺旋體一直都缺乏有效的體內定向遺傳操作技術，鉤端螺旋體主要的致病因子也都沒有明確，因此鉤端螺旋體的致病機制一直沒有闡明。至今無簡便的診斷手段和高效安全的疫苗，鉤端螺旋體病依然是一種危害嚴重、威脅人類健康和畜牧業生產的傳染病。
鉤端螺旋體基因組測序和功能注釋后使困擾這一研究領域的問題得到了新的解決的方法和思路，鉤端螺旋體的發病機制和疫苗研發等核心問題將會在后基因組時代，尤其是強大的功能基因組學的支撐下得到突破。2003年國家人類基因組南方研究中心、中國科學院上海生命科學院和上海交通大學醫學院（原上海第二醫科大學）等多家單位首次在國際上完成了對問號鉤端螺旋體黃疸出血群有毒株賴型賴株基因組測序研究工作［1］。問號鉤端螺旋體賴型賴株有大、小兩個染色體，共含有4727個基因。這些基因涉及鉤端螺旋體生理代謝和代謝調節、物質運輸、遺傳、潛在的毒力或致病因子等。此項工作的完成，使我們第一次對鉤端螺旋體基因組結構有了全面系統地了解。基因注釋全面驗證了以往對該菌的代謝生理和相關基因的研究結果，并注釋了一批可能與致病及毒力相關的基因。為闡明鉤端螺旋體的致病機制提供了必不可少的前提和基礎。此后，在世界范圍內各主要實驗室均相繼開展了對其他鉤端螺旋體的測序以及功能基因組研究：巴西科學家緊隨我國科學家，完成了第二株致病性鉤端螺旋體黃疸出血群哥本哈根株的全基因組測序［2］；澳大利亞科學家也完成了兩株致病性鉤端螺旋體的全基因組測序［3］；法國科學家已經完成兩株非致病性腐生型鉤端螺旋體的全基因組測序［4］。截至目前，共有6株鉤端螺旋體完成了基因組的工作，此領域的研究已經進入了一個全新的后基因組時代，對鉤端螺旋體的基因組學研究進入了一個飛速發展的時期，我國與國際上幾個優秀的鉤端螺旋體實驗室（包括法國巴斯德研究所、巴西圣保羅大學、澳大利亞莫納什大學等）之間的競爭日趨激烈。本文就近年來中國鉤端螺旋體基因組學研究作一系統性論述。
1基因組測序和比較基因組學研究
鉤端螺旋體共有25個血清群，其中黃疸出血群是中國最主要的鉤端螺旋體流行菌群之一。20世紀60年代，我國科學家從一位四川賴姓鉤體病患者血清中首次分離鑒定得到了致病性黃疸出血群賴型賴株。賴型賴株感染動物后能導致明顯的鉤端螺旋體病癥狀，如典型的大面積肺出血、黃疸和肝脾腫大等。2003年國家人類基因組南方研究中心、中國科學院上海生命科學院和上海交通大學醫學院（原上海第二醫科大學）等多家單位在國際上首次完成了致病性黃疸出血群賴型賴株的全基因組序列［1］。鉤端螺旋體基因組由大小兩個染色體組成，分別為4.27Mb和350kb，共含有4727個基因，其中4360個基因位于大染色體、367個基因位于小染色體。基因注釋全面驗證了以往對該菌的代謝生理和相關基因的研究成果，鑒定了一些與鉤端螺旋體生長發育、代謝、調控及信號轉導等重要生命活動有關的基因，尤其發現了一系列鉤端螺旋體特有的代謝途徑。驗證其唯一利用脂肪酸好氧呼吸的基本能量代謝途徑以及其不利用糖類物質并依賴維生素B12的代謝特點。完成了對該菌的類似于真核生物的甲硫氨酸生物合成途徑基因的全面鑒定。另外還注釋了一批可能與侵襲、黏附、運動、趨化、毒性等致病因素相關的基因，尤其是若干個潛在的可能與破壞上皮細胞、干擾凝血平衡系統有關的基因，包括LPS中一系列脂質A合成和核心多糖及O-抗原生物合成關鍵基因、數十個黏附相關基因、50個左右鞭毛抗原相關基因、包括12個趨化因子受體在內的30個運動趨化相關基因、11個溶血素基因和1個潛在出凝血基因等。通過在基因組水平上與已完成測序的多種微生物進行分子進化的研究，特別是與螺旋體科的梅毒螺旋體和伯氏疏螺旋體比較，揭示鉤體基因組所編碼的蛋白質具有更高比例具有真核蛋白質的結構特征。與其他能夠培養的細菌相比，鉤端螺旋體基因組所編碼的蛋白質具有更高比例具有真核蛋白質的結構特征，初步提示基因的水平轉移可能是鉤端螺旋體獲得致病性的原因。鉤端螺旋體全基因組序列的完成進一步證實了鉤端螺旋體在進化上是一個比較特殊、古老的微生物，而且使我們對鉤端螺旋體病的致病機制有了嶄新的認識。
因為缺乏鉤端螺旋體遺傳操作技術，目前對鉤端螺旋體毒力進化以及致病機制的研究一直都沒有突破。問號鉤端螺旋體賴型IPAV株是由中國國內分離到的、具有高毒力的菌株通過長時間實驗室傳代而獲得的減毒株。血清學交叉凝集試驗已經證實IPAV株和賴型賴株同屬于鉤端螺旋體黃疸出血群，但是感染動物不會產生鉤體病癥狀，這可能是IPAV株在體外培養傳代過程中逐漸喪失了毒力。鉤端螺旋體黃疸出血群有毒株賴型賴株和減毒株IPAV，比較基因組學是研究鉤端螺旋體尤其是黃疸出血群毒力進化機制的最直接最有效的手段。在以前已經完成的鉤端螺旋體黃疸出血群有毒株賴型賴株基因組序列的基礎上，Zhong等［5］采用新一代的454焦磷酸高通量測序方法，對減毒株IPAV進行全基因組測序，并將蛋白質組MS/MS數據整合用于對IPAV的注釋和菌株56601的重新注釋。通過其與致病性的問號鉤端螺旋體賴型賴株進行全基因組比較發現，除了高度相似的基因組結構以及基因順序外，一共檢測到有33個插入、53個缺失和301個單核苷酸變異（SNV）分布在101個基因的5′上游區域或在編碼區域，然而只有9個（27.3%）插入是超過1bp的變異、33個（62.3%）缺失是超過1bp的變異。此外，有301個SNV和3個長序列多態性（LSP）在CDS或間隔區中被鑒定出。在這些變異中，共有101個基因，包括44個有功能的基因、29個假定的基因和28個轉座酶，對編碼區或者5′上游區域有影響。對這44個有功能的基因與哥本哈根進行對應位置的比較發現，18個基因變異是“56601特異性的變異”，因為這些基因在IPAV與哥本哈根一致。剩余的26個變異被稱為“IPAV特異性的變異”，直接影響這些基因的組成和功能。其中，44個有功能基因中大部分是和信號轉導、壓力反應、跨膜運輸和氮代謝相關。基于定量LC-MS/MS數據的比較蛋白質組分析顯示，在1627對直系同源蛋白中，有174個基因在IPAV中是上調的，主要集中在能量產生和脂質代謝相關類。此外，有228個基因在56601株中是上調的，大部分集中在蛋白質翻譯以及DNA復制和修復相關基因。基因組和蛋白質組的一致性充分說明，在56601株或IPAV株中一些重要基因的特異性突變導致的表達量下調（如Ser/Thr激酶、碳饑餓蛋白CstA、谷氨酰胺合成酶、GTP-binding蛋白BipA、二磷酸核糖核苷酸還原酶和磷酸轉運蛋白）以及脂蛋白和外膜蛋白可變的翻譯形式很可能是造成IPAV毒力減弱的重要原因。因此，在一定數量基因中的有限數目的基因變異（包括插入、缺失和SNV）可能是造成IPAV毒力減弱的原因。