生物信息學在微生物研究領域中的應用

1、生物信息學及其在微生物研究領域中的應用摘要：生物信息學是在生命科學、計算機科學和數學的基礎上逐步發(fā)展而形成的一門新興的邊緣學科，它以核酸和蛋白質為主要研究對象，以數學、計算機科學為主要研究手段，對生物學實驗數據進行獲取、加工、存儲、檢索與分析，從而達到揭示數據所蘊含的生物學意義的目的。生物信息學的飛速發(fā)展，為其他生命學科的研究提供了新的平臺。隨著生物研究的深入以及計算機技術的發(fā)展，生物信息學迅速發(fā)展并在各個方面起著不可或缺的作用。本文敘述了生物信息學的發(fā)展及應用。隨著微生物基因組、蛋白質組的數據日益豐富，生物信息學方法在分子微生物學研究中應用越來越廣泛，如在微生物鑒定、溯源分析、新型疫苗研究，

2、以及微生物致病機理等方面，有著廣泛的應用。關鍵詞：生物信息學， 微生物學正文：隨著人類基因組計劃（HGP）的實施，生物信息學應運而生，成為21世紀自然科學的核心領域，同時推動生物信息學的建立。微生物因其分布廣、種類多、易繁殖和變異、遺傳基因多樣性等特點，被廣泛用作“模式生物” 來研究，極大地促進了生物信息學的發(fā)展。人們在深入研究自然環(huán)境中微生物群落、結構、功能與動態(tài)，研究污染環(huán)境中的微生物生態(tài)、通過環(huán)境微生物學的方法和院里進行環(huán)境監(jiān)測與評價、研究并闡明微生物、污染物與環(huán)境三者之間的相互關系與作用規(guī)律，對保護環(huán)境、造福人類社會具有十分重要的意義。近十年來測序技術蓬勃發(fā)展，自1995年第一株細菌全

3、基因組被測序以來，已有幾百株細菌的基因組全序列發(fā)表，另有諸多細菌的全基因組測定工作正在進行中。據信，當今的測序技術有能力在一周之內完成對某一細菌全基因組的測序、拼接過程。在這樣的背景下，如何挖掘、利用這些已有的序列數據，將它們轉化為生物學知識，似乎已成為比測序本身更有意義的工作，生物信息學家也發(fā)展了一些有價值的程序來幫助微生物學家理解這些海量的數據。1.微生物信息學的建立與發(fā)展自人類基因組計劃實施以來，生物信息學得到了飛速發(fā)展，并有力地推動了分子微生物學的研究，促進了微生物基因組學、微生物功能基因組學和微生物結構基因組學的簡歷和發(fā)展。HGP的主要目標是測定人類基因組全部序列，進而闡明基因所處的

4、位置、結構、功能、表達調控方式以及重大疾病的致病機理。為完成人類基因組特別是功能基因組計劃，相繼啟動了模式生物基因組計劃。一些微生物諸如愛惜是大腸桿菌、嗜血流感菌、釀酒酵母等模式微生物研究發(fā)揮了重要作用。對這些模式微生物基因組的研究，不僅是微生物自身研究領域的重大突破和發(fā)展，也是對生物信息學內容的豐富和補充。目前，國際上公認的生物信息學的主要研究內容大致包括以下方面：生物信息的收集、儲存、分析、管理和提供；基因組序列信息的提取和分析；功能基因組相關信息分析；生物大分子結構模擬和藥物設計；生物信息分析的技術與方法研究；應用與發(fā)展研究。生物信息學的研究內容隨著基因組的研究而發(fā)展，長時間以來，生物信

5、息學一直被認為是一個建立在DNA和蛋白質序列比較基礎上的學科，目的是發(fā)現進化關聯，并由此進行功能比較。從最近兩年來的生物信息學研究論文發(fā)表統計情況可以看出，在后基因組時代，生物信息學的主要研究內容為比較基因組學、代謝網絡分析、基因表達譜網絡分析、蛋白質組技術、數據分析處理、蛋白質結構與功能分析以及藥物靶點篩選等，分別與功能基因組、蛋白質組、結構組研究領域相互配合，緊密相關，成為目前極其熱門的系統生物學研究的重要基石。2主要數據庫. 數據庫是生物信息學的主要內容，各種數據庫幾乎覆蓋了生命科學的各個領域。截止至2010年，生物信息數據庫總數已達1230個。生物信息數據可可分為一級數據庫和二級數據庫

6、。一級數據庫的數據都直接來源于實驗獲得的原始數據，只經過簡單的歸類整理和注釋，如Genbank數據庫、SWISS-PROT數據庫；二級數據庫是在一級數據庫、實驗數據和理論分析的基礎上針對特定目標衍生而來，是對生物學知識和信息的進一步整理，如人類基因組圖譜庫GDB。 在醫(yī)學領域中常用的生物信息數據庫主要有：核酸類數據庫，如NCBI核苷酸序列數據庫(Gen Bank )、歐洲核苷酸序列數據庫(EMBL)、日本DNA數據庫(DDB)等；蛋白相關數據庫，如蛋白質數據庫(SWISS-PROT)、蛋白質信息資源庫(HR)、Entrez的蛋白三維結構數據庫(MMDB)、蛋白質交互作用數據庫(DIP)等；疾病

7、相關數據庫，包括綜合臨床數據庫，如NCBI疾病基因數據庫、Gene Cards等；遺傳性疾病數據庫，如遺傳性疾病數據庫(GDB)、人類遺傳性疾病數據庫(Gene Dis)等；腫瘤相關數據庫，如腫瘤基因組解剖工程(CGAP)等；心血管疾病相關數據庫，如心血管疾病相關生物醫(yī)學數據庫(Cardio)、心臟疾病計劃及臨床決策支持系統(HDP &CDM)等；免疫性疾病數據庫，如免疫功能分子數據庫( HMM)、免疫缺陷資源庫(IDR)等；藥物相關數據庫，如藥物和疾病數據庫(Drugs)、FDA藥品評審與研究中心(CDER)等。3.微生物基因組學基因組序列測定使微生物研究手段發(fā)生了革命性改進。由于細菌基因組

8、規(guī)模較小，因此完成測序的較多。目前在微生物基因組庫中已經有326條細菌、25條古菌、76條真菌的全基因組數據，包括大腸桿菌、釀酒酵母等模式微生物在內的多種微生物全基因組序列完成測序。這些日益增加的序列的功能和意義，正是生物信息學要闡明的。微生物結構基因組學和功能基因組學一結構和功能為出發(fā)點，通過測定出全部蛋白質分子與其他生物分子復合體的精細三維結構，以獲得一幅完整的、能夠在細胞中定位以及在各種生物學代謝途徑、生理途徑、信號傳導途徑中全部蛋白質在原子水平的三維結構全息圖。利用基因組學所提供的信息，以高通量、大規(guī)模實驗方法與計算機分析相結合，全面系統的分析全部基因的功能。應用生物信息學方法，高通量

9、的注釋基因組所有編碼產物的生物學功能，進行基因組功能注釋是功能基因組學的主要研究目標。序列同源性分析、生物信息關聯分析、生物數據挖掘是進行基因功能注釋的主要生物信息學手段。其研究內容主要涉及基因組組成元素的識別、全部ORF產物功能注釋、基因相互作用和比較基因組學研究等三個層次。我們可以應用很多國內外數據庫進行基因功能的注釋、提交或者查詢。4.生物信息學在微生物生態(tài)學研究中的應用1992年，Liesack和Stackebrandt首次利用核酸序列測定和探針的分子生物學方法研究土壤放線菌類群，是微生物多樣性發(fā)展較快的時期。16SrDNA既能體現不同菌屬之間的差異，又能利用測序技術來較容易地得到其序

10、列，故被細菌學家及分類學家所接受。所以，“細菌系統分類學研究特設委員會”建議依據系統發(fā)育關系分類。細菌的16SrDNA可變區(qū)序列因不同細菌而異，恒定區(qū)序列基本保守，所以可以利用恒定區(qū)序列設計引物將16SrDNA片斷擴增出來，利用可變區(qū)序列的差異來對不同菌屬、菌種的細菌進行分類鑒定。并可通過對其序列的分析，判定不同菌屬、菌種間遺傳關系的遠近。對不同細菌的16SrDNA序列進行同源性比較分析是推斷細菌的系統發(fā)育及進化關系的一個重要方法。目前，16SrRNA基因序列分析已廣泛應用于微生物多樣性的研究。隨著純培養(yǎng)分類群系統進化樹的不斷完善，即更多的新微生物被分離得到，并利用生物信息學軟件進行詳細的系統

11、發(fā)育分析，完善了整個系統進化樹，將有助于提高分子生態(tài)學研究的精確性，對環(huán)境樣品中的16SrDNA序列所代表的分類群及其在環(huán)境中的生態(tài)學功能有更準確的認識。只要得到了16SrDNA序列，即便還無法得到其純培養(yǎng)，也能設計出PCR引物和特異探針，對自然環(huán)境的原核生物多樣性開展研究。在過去的幾年的放線菌分子生態(tài)學研究中，人們在不同陸生和海洋水生環(huán)境中也發(fā)現了幾個新的16SrDNA序列族，他們所代表的是屬于放線桿菌綱中至今未培養(yǎng)的微生物類群，由于它們具有世界性分布，因此這些未培養(yǎng)放線菌類群在其生態(tài)系統中發(fā)揮著重要的作用。這將使得對自然環(huán)境放線菌種類組成、細胞數量及各個分類群的生態(tài)學功能研究更加深入，也將

12、為人類殲發(fā)、利用和保護放線菌資源提供重要的指導作用。5.生物信息學在環(huán)境微生物研究中的應用近年來，環(huán)境微生物學的研究不僅僅局限于自然環(huán)境中微生物生態(tài)學的研究，隨著人類活動的加劇，環(huán)境污染直接威脅人類社會可持續(xù)發(fā)展，對污染生態(tài)學的研究也正在逐漸深入。建立在現代分子生物學和生物信息學基礎上的基因芯片技術的運用，使環(huán)境微生物研究實現了革命性的飛躍。環(huán)境微生物在自然界中以群落方式存在，多種微生物共同存在于一個區(qū)域。了解微生物群落結構和組成以及它們對于環(huán)境干擾的反應和適應性，有助于維持和恢復生態(tài)系統理想的生態(tài)功能。因為自然環(huán)境中僅有小于1%的微生物可以人工培養(yǎng)，所以對自然環(huán)境中微生物群落的定性、定量和種

13、群的檢測是微生物學家面臨的嚴峻挑戰(zhàn)。通過生物信息學并結合分子生物學技術進行微生物群落研究已經取得了較大突破。其中，基因芯片技術被廣泛應用于包括自然環(huán)境中微生物的基因表達分析、比較基因組分析和混合微生物群落的分析等方面。目前，應用于環(huán)境微生物研究的基因芯片主要有功能基因芯片（FGAs）、系統發(fā)育的寡核苷酸芯片（POAs）、和群落基因組芯片（CGAs）.隨著環(huán)境污染的不斷惡化，利用微生物進行環(huán)境污染物的監(jiān)測和評估，從事環(huán)境污染的微生物修復研究已日益深入。如利用石油降解微生物處理油井泄漏及海面石油污染，采用極端耐冷的微生物降解極地或寒冷環(huán)境下的污染物等。我們可以在互聯網上查閱污染治理與綜合管理的專業(yè)

14、數據庫，以獲得相關信息，甚至可以對可能的降解途徑進行預測。6.生物信息學在農業(yè)微生物研究中的應用生物信息學是在生命科學研究過程中，隨著分子生物學技術發(fā)展而產生發(fā)展的。它研究的重點內容為基因組學和蛋白質組學。即以基因組DNA序列信息分析為源頭在獲得了蛋白質編碼的信息之后進行蛋白質空間結構模擬和預測，然后依據特定蛋白質的功能，進行必要的藥物設計。因此基因組研究、基因組信息學、蛋白質的結構模擬及藥物設計是緊密相連的，它們是生物信息研究的3個重要組成部分。在農業(yè)生產實踐中，我們應該運用先進有效的分子生物學研究手段，結合我國豐富的特有的遺傳資源分離、克隆有自主知識產權的有重要經濟價值的新基因及重要的基因

15、表達詞控的元件。當前及將來，生物技術產業(yè)發(fā)展的關鍵就是對基因的占有和利用，不占有基因，發(fā)展就是一句空話。建立規(guī)模化、成熟、高效的植物遺傳轉化再生體系，保證轉基因植物大量群體的獲得，從而有利于轉基因性狀與其它農藝性狀的組合篩選。重視與常規(guī)育種特別是與雜交育種技術的有機結臺。運用生物信息學獲得信息，對現有的農作物、畜禽、林果、蔬菜的品種進行改造，甚至制造新的物種，豐富種質資源，滿足人類營養(yǎng)需要?？梢酝ㄟ^基因改造，調控從光臺作用到畜產品營養(yǎng)積累的全過程，不僅要獲得最高的效率，而且要達到優(yōu)良的品質。從遺傳基礎上改變危害農業(yè)生產的微生物、昆蟲，最大限度地減少其數量和影響，同時引入抗性基因，提高農業(yè)生物抗

16、病蟲害、抗逆能力。7.生物信息學在微生物藥物合成設計中的應用自然界中微生物的多樣性及其代謝產物的多樣性，提供了發(fā)現新藥(以及先導化合物)的不竭動力。隨著生命科學的發(fā)展，尤其是隨著分子生物學技術的發(fā)展和應用，使得以微生物為源泉的新藥研發(fā)有了更多的支持，微生物藥物的研究越來越受到國內外的重視。在抗生素合成領域，通過序列的分析闡明生物合成的裝配途徑，開辟了用合成酶基因工程組合來生物合成天然產物的新興領域。與組合化學合成不同，后者是指在不同結構的構建之間以共價鍵系統反復地進行連接，從而產生一批不同的分子實體。而組合生物合成是指在生產微生物次級代謝產物的合成途徑中，涉及到的一些酶的編碼基因之間進行互換，

17、由此產生一些非天然的基因組或雜合基因，從而產生許多新的“非天然”的天然化合物。它是在生物體內的生物合成途徑的基礎上進行的。國外已有不少學者從紅霉素等抗生素的生物合成基因著手，進行組合生物合成的研究，獲得了一些令人興奮的研究結果?？茖W家們希望發(fā)現病原生物致病相關的關鍵基因或基因群，從而有針對性地發(fā)展更為有效的防治對策，而微生物在宿主組織中生長所需要的物質合成、分解代謝以及調節(jié)相關基因都可以作為抗微生物藥物設計的候選靶位。生物信息學提供了豐富的信息資源，為發(fā)現新的、更有效的藥物靶位和保護性抗原提供了最大的可能。8.生物信息學在微生物致病基因研究中的應用目前對微生物的研究由單個基因轉向基因之間甚至基

18、因組之間的研究，并且更具有靶向性。通過全基因組序列的同源性比較，可尋找致病菌的屬、群、種、型、甚至亞型等不同水平上的特異抗原，例如Pizza和Tettelin等對血清型B腦膜炎奈瑟菌近350種抗原的研究，Wizemann等也對肺炎鏈球菌的基因組的抗原性蛋白進行了研究。Hacker于1994年提出了毒力島的概念，認為毒力島是整合于細菌基因組的外源性DNA片段，這些特殊片段存在于致病型菌株上，賦予細菌毒力，卻在與之親緣關系密切的非致病菌株上不存在。通過對親緣關系接近的不同菌株進行全序列比較，可以為發(fā)現新的基因組島提供線索。微生物由于其自身的特點，進行生物信息學分析時，有著和真核生物不同的地方。如微

19、生物基因組中8090的序列參與編碼，如果有兩個或更多重疊的閱讀框，哪一個是基因(假定只可能有一個)，比較可靠的辦法就是同源搜索，如果在無已知同源性信息的情況下尋找基因，就比較困難。生物信息學使得對自然環(huán)境微生物的種類組成、細胞數量及各個分類群的生態(tài)學功能的研究更加深入，也將為微生物資源的開發(fā)與利用提供指導，為制藥企業(yè)等單位的菌株分離與篩選，提供微生物在不同環(huán)境中的種類組成、分布、數量等相關的信息。參考文獻：1.陳文聰, 胡朝暉與朱慶義, 生物信息學的進展及其在分子微生物學研究中的應用. 分子診斷與治療雜志, 2011. 03(3): 第207-211頁.2.凡時財與張學工, DNA甲基化的生物信息學研究進展. 生物化學與生物物理進展, 2009. 36(2): 第143-150頁.3.郭茹珍與謝春婭, 微