本文關(guān)鍵詞：細(xì)菌界次級代謝產(chǎn)物生物合成基因簇的基因組學(xué)注釋和比較研究

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【摘要】：微生物次級代謝(secondary metabolism)是當(dāng)微生物的生長到達(dá)一定的生長時期(一般是穩(wěn)定期),就會利用初級代謝產(chǎn)物作為前體,經(jīng)過一系列聚合、裝配等代謝過程,合成一些對自身生命活動沒有明確功能的物質(zhì),即次級代謝產(chǎn)物。許多微生物的次級代謝產(chǎn)物具有抗真菌、抗細(xì)菌、抗腫瘤等生物活性,是微生物藥物開發(fā)和新藥創(chuàng)制的重要來源。目前,放線菌、黏細(xì)菌等是細(xì)菌次級代謝調(diào)控和天然產(chǎn)物發(fā)掘的重要研究對象。但是,目前對于細(xì)菌能合成多少種次級代謝產(chǎn)物、不同類群的細(xì)菌在合成次級代謝產(chǎn)物能力的差異、以及次級代謝產(chǎn)物生物合成基因簇(以下簡稱次級代謝基因簇)是如何進化等問題,尚缺乏系統(tǒng)的研究。本論文擬利用公共數(shù)據(jù)庫中的基因組信息,對細(xì)菌界的次級代謝開展比較基因組學(xué)研究,研究不同類群細(xì)菌次級代謝能力的異同,揭示次級代謝基因簇的進化規(guī)律。本論文從NCBI基因組數(shù)據(jù)庫中,挑選了635個細(xì)菌菌株的基因組(=4Mb)進行分析,這些菌株分屬于5個門,分別為放線菌門(122個菌株)、擬桿菌門(52個菌株)、藍(lán)藻門(39個菌株)、厚壁菌門(89個菌株)和變形菌門(333個菌株),其中變形菌門進一步分為4個綱,分別為α-變形菌綱(90個菌株)、β-變形菌綱(80個菌株)、γ-變形菌綱(131個菌株)和6-變形菌綱(32個菌株)。利用antiSMASH服務(wù)器注釋次級代謝基因簇,共注釋出40類次級代謝產(chǎn)物的合成基因簇,其中非核糖體多肽類、Ⅰ型聚酮類、細(xì)菌素、萜烯類等四類次級代謝產(chǎn)物的生物合成基因簇,分布于幾乎所有門/綱中。多類次級代謝產(chǎn)物的生物合成基因簇主要分布于兩個或以上的門/綱,分別為芳香基多烯類、高絲氨酸內(nèi)酯類、羊毛硫肽類、lassopeptide、Ⅲ型聚酮類、其他聚酮類和鐵載體。其他類型的次級代謝基因簇主要集中分布于某一個門/綱。對基因簇長度的分析發(fā)現(xiàn),多數(shù)類型基因簇在不同類群中的長度比較接近�？傮w上,含有的次級代謝基因簇的總長度與基因組大小之間有一定的相關(guān)性,基因組越大,含有的次級代謝基因簇越長。其中,δ-變形菌綱的Sorangium cellulosum So0157-2的基因組最大,為14.78 Mb,含有的次級代謝基因簇長度為1.48 Mb;放線菌門的Streptomyces bingchenggensis BCW-1的基因組含有的次級代謝基因簇最長,為2.77 Mb,對應(yīng)基因組大小為11.94 Mb。相關(guān)性在不同類群之間也存在明顯差異,其中放線菌門(R2=0.62, p-value2.2e-16)和δ-變形菌綱(R2=0.74, p-value=1.07e-10)的相關(guān)性最好,其他類群相關(guān)性很低(R20.3),以γ-變形菌綱最低(R2=0.017, p-value=0.13)。多數(shù)質(zhì)粒上不含次級代謝基因簇,但在部分細(xì)菌中(如α-變形菌綱的Azospirillum brasilense Az39),質(zhì)粒對基因組中次級代謝基因簇的貢獻(xiàn)高達(dá)～50%。為了揭示次級代謝基因簇的進化關(guān)系,構(gòu)建了同源基因家族�；谑欠窈型椿�,將同一類型的基因簇,分為多個不同的組。選取最大的組作為代表,研究組內(nèi)的基因簇在不同類群中的分布和結(jié)構(gòu)的異同。比較分析發(fā)現(xiàn),對于多數(shù)類型的次級代謝產(chǎn)物,同一組的基因簇分布于不同的門/綱中,說明基因簇的保守性高；部分基因簇中含有類群特異(如門特異或綱特異)的保守基因。從基因簇結(jié)構(gòu)上講,同屬的基因簇結(jié)構(gòu)相似性高,而不同屬的基因簇,結(jié)構(gòu)差異較大。進一步以海洋特有細(xì)菌屬——假交替單胞菌屬為研究對象,研究了海洋細(xì)菌的次級代謝。系統(tǒng)注釋了該屬26個種模式菌株基因組中的次級代謝基因簇。研究發(fā)現(xiàn),不同類群/進化分支次級代謝能力差別很大,不產(chǎn)色素類群/分支菌株每個基因組含有的次級代謝基因簇總長很短,平均僅為0.04 Mb,而在產(chǎn)色素類群/分支菌株基因組中,平均長度高達(dá)0.45 Mb。兩個類群/分支基因組中均含有細(xì)菌素合成基因簇,不產(chǎn)色素類群/分支還含有鐵載體合成基因簇,而產(chǎn)色素類群/分支菌株基因組中則含有大量的NRPS/PKS等合成基因簇。上述差異與兩個類群/分支的生理特點和生態(tài)分布相一致。分析發(fā)現(xiàn),產(chǎn)色素類群/分支假交替單胞菌是γ-變形菌綱中含有次級代謝基因簇最多的類群之一。綜上,本論文在全基因組水平上對細(xì)菌的次級代謝進行了系統(tǒng)的注釋和比較研究,揭示了細(xì)菌次級代謝的多樣性和合成基因簇進化上的保守性,對海洋特有細(xì)菌屬——假交替單胞菌屬進行了詳細(xì)分析,揭示了次級代謝與細(xì)菌進化和生態(tài)適應(yīng)之間的相關(guān)性。本論文研究結(jié)果從全局水平上揭示了細(xì)菌次級代謝能力和進化特點,對新型天然產(chǎn)物的發(fā)現(xiàn)也具有指導(dǎo)作用。
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：Q933

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本文編號：1204577