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Phenylobacterium zucineum全基因组测序及序列分析

作　者: 骆迎峰
导　师: 于军
学　校: 浙江大学
专　业: 生物学
关键词: Phenylobacterium zucineum Caulobacter crescentus 环境适应细胞周期调控比较基因组学
分类号: Q78
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

Phenylobacterium zucineum strain HLK1~T是我们从肿瘤细胞k562细胞系中分离得到的兼性细胞内共生细菌。P.zucineum可以侵染并稳定生长繁殖于宿主细胞,但不影响宿主细胞生长和形态。基于16S rDNA的系统发育分析表明P.zucineum细菌属于alpha变形菌纲Phenylobacterium属。P.zucineum是Phenylobacterium属唯一具有真核细胞侵染能力的成员。为从基因组角度了解该兼性内共生细菌的基本代谢、和强环境适应能力等特征,我们对P.zucineum进行了全基因组测序及序列分析。P.zucineum包含一个长为3,996,255 bp的环状染色体和一个长为382,976 bp的质粒;共有3,861个蛋白编码基因,42个tRNA基因和一个16S-23S-5S rDNA操纵子。P.zucineum基因组编码大量双组分信号传导蛋白,转录调节因子,外周作用sigma因子和热激反应相关基因。P.zucineum基因组所含双组分信号传导蛋白和转录调节因子的相对数目在同类兼性细菌中最高,而转录调节因子数目甚至超过了环境适应能力最强的广生境细菌的平均水平。在我们所分析的占据代表性系统进化地位并具有代表性生活方式的93种细菌中,P.zucineum含有数目最多的热激反应相关基因。比较基因组学分析表明双组分信号传导蛋白和转录调节因子含量与细菌环境适应能力密切相关。所以P.zucineum基因组编码的高数量环境应激相关基因可能是其具有高环境适应能力的重要原因。蛋白谱同源性比较和16S rDNA系统进化分析同时表明原核生物细胞周期研究模式生物Caulobacter crescentus是与P.zucineum最相似的全基因组序列测序细菌。C.crescentus和P.zucineum基因组比较发现两细菌约含60%直系同源基因,不存在明显的基因组共线性。我们还发现大量环境应激相关基因分布在P.zucineum特异质粒上。进化分析表明基因水平转移和质粒内基因重复在塑造P.zucineum质粒编码环境适应蛋白谱过程中发挥重要作用。研究表明CtrA,GcrA,DnaA和双相信号传导蛋白在C.crescentus细胞周期调控过程中发挥重要作用。P.zucineum和C.crescentus基因组比较分析表明两者的细胞周期调控机制高度保守。具体说来,P.zucineum和C.crescentus ctrA基因含有完全一致的启动子结构和DNA甲基转移酶识别位点。P.zucineum含有参与C.crescentus ctrA基因转录,CtrA蛋白磷酸化和降解过程相关基因的全部直系同源基因。P.zucineum和C.crescentus CtrA靶基因保守性远大于两基因组平均水平,并且含有结构相似的CtrA结合位点。此外,我们还发现参与复制、重组或修复的GcrA靶基因和DnaA靶基因,以及影响细胞周期进行、细菌生长或形态发生的双相信号传导蛋白基因在P.zucineum和C.crescentus基因组中相对保守。本论文主要展示了Phenylobacterium属第一个全基因组测序细菌的基因组分析结果。基因组注释有利于鉴定P.zucineum丙苯氨酸利用、细胞内生存、高环境适应性等生理特征的遗传基础。比较基因组学分析表明P.zucineum具有类似于原核生物细胞周期研究模式细菌Caulobacter crescentus的细胞周期调控机制。

全文目录

致谢  5-6
摘要  6-8
Abstract  8-10
目录  10-12
第一章文献综述  12-46
  1.1 引言  12-17
    1.1.1 细菌基因组测序领域发展特点  12-17
    1.1.2 文献综述章节安排  17
  1.2 细菌基因组进化分子策略  17-37
    1.2.1 基因垂直遗传  18
    1.2.2 基因水平转移  18-26
      1.2.2.1 基因水平转移基本分子过程  19-21
      1.2.2.2 基因水平转移的检测  21-23
      1.2.2.3 基因水平转移的几率  23-24
      1.2.2.4 水平转移基因功能特征  24-25
      1.2.2.5 基因水平转移的生物学意义  25-26
    1.2.3 染色体重排  26-28
      1.2.3.1 染色体重排类型  26-27
      1.2.3.2 染色体重排分子机制  27
      1.2.3.3 染色体重排的影响因素  27
      1.2.3.4 染色体重排的检测  27-28
    1.2.4 点突变  28-31
      1.2.4.1 点突变的分子机制  28-29
      1.2.4.2 点突变率的计算  29-30
      1.2.4.3 点突变的特点  30-31
      1.2.4.4 点突变的生物学意义  31
    1.2.5 细菌基因组动态变化  31-37
  1.3 新月柄杆菌细胞周期研究进展  37-43
    1.3.1 新月柄杆菌细胞周期研究背景及历史  37-39
    1.3.2 新月柄杆菌细胞周期调控机制(dnaA/gcrA/ctrA/ccrM模型)  39-42
    1.3.3 新月柄杆菌细胞周期调控机制的保守性  42-43
    1.3.4 本博士论文对新月柄杆菌细胞周期调控系统的比较基因组学分析  43
  1.4 Phenylobacterium zucineum生理学特征和全基因组测序意义  43-46
第二章材料与方法  46-50
  2.1 基因组文库构建及测序  46
  2.2 基因鉴定及注释  46-47
  2.3 系统进化分析  47-48
  2.4 环境应激相关基因的比较基因组学分析  48-49
  2.5 直系同源基因鉴定  49
  2.6 潜在转录因子结合位点鉴定  49-50
第三章结果与讨论  50-87
  3.1 基因组概况  50-56
  3.2 基本代谢  56-57
  3.3 环境应激相关基因  57-67
    3.3.1 环境应激相关蛋白在P.zucineum基因组中的分布  57-65
    3.3.2 环境应激相关基因的比较基因组学分析  65-67
  3.4 细胞内生活环境的适应  67-69
  3.5 p.zucineum系统进化  69-72
  3.6 p.zucineum和C.crescentus比较基因组学分析  72-84
    3.6.1 P.zucineum和C.crescentus基因组基本特征比较  72-78
    3.6.2 P.zucineum和C.crescentus CtrA调节系统的比较分析  78-82
    3.6.3 P.zucineum和C.crescentus细胞周期DnaA/GcrA调节系统的比较分析  82-83
    3.6.4 P.zucineum和C.crescentus双组分信号传导系统蛋白的比较分析  83-84
  3.7 P.zucineum基因组片段在人EST文库的存在  84
  3.8 结论和研究展望  84-87
    3.8.1 论文结论  84-85
    3.8.2 论文的不足之处  85-86
    3.8.3 P.zucineum相关研究展望  86-87
参考文献  87-98
附表一:93种细菌和P.zucineum环境应激相关基因分布  98-101
附表二:C.crescentus和P.zucineum CtrA靶基因比较  101-104
附表三:C.Crescentus和P.zucineum GcrA潜在靶基因比较  104-108
附表四:C.crescentus和P.zucineum DnaA潜在靶基因比较  108-109
附表五:C.crescentus和P.zucineum双组分信号传导蛋白比较  109-112
附表六:与P.zucineum基因组序列高度相似的人类ESTs序列片段  112

Phenylobacterium zucineum全基因组测序及序列分析

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