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1、病原基因组学研究进展上海交通大学医学院病原生物学教研室 郭晓奎我国病原微生物基因组学的研究现状如何？目前常用的基因组学研究工具及方法是什么？研究基因组学有什么意义？一、概述一定义病原大家都知道，包括病毒，真菌，原虫和蠕虫，这里谈到的病原基因组学的病原主要是针对细菌。谈到基因组学，我们回忆一下整个生命科学，其几十年来一个研究历程，在这个研究历程的过程中有三个关键词是非常重要的，那就是分子生物学，基因组学和系统生物学，关于分子生物学大家都知道在1953奥深克里克解释了双螺旋结构，以此开创了分子生物学研究的一个新的局面，从而奠定了这门学科的诞生，关于基因组学大家也知道主要的快速开展阶段是在上个世纪的
2、90年代，那么主要由于人类基因组学的开展反过来促进了病原基因组学的开展，进而在基因组学的根底上延伸出来许多新的学科，包括转入组学，蛋白质组学，代谢组学以及相互作用组学等生物组学，进入到本世纪初大家也知道在此根底上提出了一个新的理念那就是系统生物学。二历史首先我们回忆一下整个基因组系列研究的历史。大家知道，第一个生物体的核酸的系列分析始于1977年，当时用3个法我们分析了fX174噬菌体，个剪辑，在年大家也知道又解析了更长的一个核酸也是一个噬菌体，整个系列的长度是个剪辑，到年那么利用自动测序技术。关于染色体的形状百分之以上的染色体都是环状的，只有个别的是现状的，出现在个别的种数里面，如刚刚我们谈
3、到的莱姆病的病原剥蚀多原体以及链酶群等，通常情况下都是一个染色体，但是在一些病原里面它会会是两个或两个以上，那么大家可以看下有两个的像莱姆病螺旋体就是两个以上，还有一个就是功能螺旋体，还有布鲁噬菌以及火段火菌都是两个以上的。上面图表可以看到，一般我们的细菌多数的病原都是变形菌缸的，在这个菌缸里面，大家可以看到火烂火菌是两个染色体，而布鲁菌是各染色体。剥蚀数多螺旋体的染色体可能大于个，多沟螺旋体是两个，从基因组的大小来看，大家可以看到基因组相差的也是比拟差的，有的基因组比拟小，有的基因组比拟大，剥蚀的每个基因染色体它的基因染色体都是比拟小的，大家可以看到多沟螺旋体的基因组以及上班拉的基因组都是大
4、于乘的次方的剪辑。传统上有一个认识，染色体的考位数根本上都是一个，但是实际上整个细菌的生长繁殖的不同期它的考位数是不一样的，有时考位数会很多，后面可以看到大家比拟熟悉大肠杆菌每一个里面细胞里面会有一个到个的染色体，而布鲁群会有到个染色体在一个细胞里，当然这主要指他的考位数，个别的细菌大家可以看到会有一百或有上千的，主要的是不同生长阶段会有一个变化。二、基因组的概述一基因组的组成最重要我们了解一个基因组，主要是了解一个基因组的组成，基因组的组成在细菌里面一般来说有这几种类型：第一，是只有一个环状或者线状的染色体，这是会有一局部细菌是这样的，还有的是两个以上的，染色体跟大家已经谈过了，除此之外有的
5、细菌不单有染色体而且有质粒或者是前世云体的存在，而质粒大家知道他也是一个除了不是细菌生长所必须这一个特性，他具有和染色体同样的一些性质，包括自我复制；另外还有一点质粒和前噬菌体有一个共同的特征，就是他们可转移性，同时可以作为一个载体转移染色体的基因。二基因组的特性关于病原基因组性质的概括：病原基因组的一个含量，有一个很大的含量，从百分之30到百分之70左右，而且他的基因组的结构有4、5种。基因组最根本的特性，基因组学了以后或者这个知识在感染性学或者控制学方面的应用，主要涉及到了治病性的研究，治病性所说的实际上就是治病机制的研究。他主要包括病原的一局部特性，病数组的一局部特性特别是病原和数组之间
6、相互作用的研究。在过去近十年来，基因组的开展确实促进了这方面的研究，大家从一些学术期刊上也能体验这一点，比方说目前比拟好的期刊有两个，一个是细胞微生物学，另外一个就是系列的杂志，微生物和数组的细胞，这两个杂志都成为了整个微生物学顶级的杂志，这也反映了这个领域目前是病原微生物学的一个热点。第二个方面是关于诊断和流行病学。在基因组学开展的初期，我们用的每一个信息根本上都是每一种病原一种染色体，或者是整个全基因组的系列分析，然后我们研发一些研型技术或者是诊断技术，在流行病分析上我们用过很多分型技术，比方说我们表里面用到的MNP分型，MGE以及分型，以及后来我们提出的就是基于芯片的一些全基因组比拟技术
7、。但是随着今天，我们可以大胆的说基因组全系列的比拟将来是流行病学同源性或追踪传染原的主要一个技术，就诊断方面而言，以前我们做鉴定病原或做一些临床诊断主要依据的就是病原的一些表形特征，特别是生化反响形态特征等。但是随着科学技术的进展，将来系列分析技术恐怕在临床上发挥更大的作用，特别是对于一些像痰液，浓汁这类标本我们以往单一的理念就是病原，但是随着我们研究的深入可能这里面的病原不会是一个，可能是混合感染，这时候我们用的技术可能就是目前比拟新的就是原基因组诊断技术，这些技术虽然到现在在临床上还没有用，我相信在临床上会得到一个普及的应用。第三个应用就是育苗的研发，先根据表形特征然后找到一些菌株然后进行
8、育苗的研发，现在有了基因组系列我们可以基因组以及基因组编码的蛋白质组等信息，然后在这个信息的根底上筛选到可能作为育苗抗原的基因，然后进行研发，这样的话速度和效率都得到显著的提高，一个育苗的研发周期也会得到显著的缩短。基因组的进展也为新的抗生素的研发提供了很多有力的条件，现在我们大家知道以往都是通过表形来筛选抗生素，那么现在我们可以通过基因组来确定细菌的一些发点或者是生命所必须的一些把基因，把基因确定以后在筛选一些化合物对抗这些把基因，这个角度来说研发抗生素的速度也会加快，当然一般选择抗细菌的一些发点主要需要三个特性，第一关就是必须性，即使病原体生存或治病病所必需的，第二个就是说要有一定的选择。
9、那么即使他没有基因必须时所编码的蛋白不能和人类的蛋白同源，那么这样的话就可以减少抗生素的对人产生的毒性，另外他就是一个保守性方面问题必须是母仪类群的细菌或者是所有细菌。所有的物种里面都是保守的，这样的话我们研究出来的抗生素就会是有效的三、我国病原基因组学进展我国目前很多单位在病原基因组方面具有一些良好的学术水平。比方说：有良好根底的主要是这些菌，第一个就是我们的课题组，关于螺旋体的研究以及国家那个病毒基因研究实验室的关于致贺菌的研究，上海有很多单位对结核分枝杆菌的研究也是取得了不错的成绩，比方说南方基因刚刚完成了一株分枝杆菌的系列分析，对于深菌大家知道他是属于黑死病的病原，他的研究军科院五所的
10、一个课题组，他们的研究在国际上已经取得了一个很重地位，关于霍乱的研究国家传染病预防控制所另外大家也知道前两年关于株链球菌的研究，因为四川有个爆发感染促进了这方面的研究，除此之外还有表皮球菌的研究这个是复旦大学刘轶闻教授开展的工作，另外工作还包括脑膜炎剥蚀菌和葡萄球菌。一关于葡萄球菌的研究大家知道是人类基因组研究中心建立之初选择的一个模式生物，就是表皮葡萄球菌是复旦大学和南方基因中心合作完成。这个菌是测定了一株不能产生生物膜的一系列葡萄球菌，通过了系列研究，说明了一些关于生物膜产生的一些相关的一些基因。二关于腐蚀致贺菌大家知道，腐蚀致贺菌是国家细菌型痢疾的主要病原，这个工作主要是近期领导的科学组
11、，他是中国病原生物研究所的所长。这也是北方基因研究组一个主要工作，是作为模式来进行研究的，他们最后的文章主要是比拟基因组学的研究发表在核酸研究上。最近南方基因组合和复旦大学合作的一株分枝杆菌的研究，通过比拟有毒物质和无毒物质之间的差异说明结核分枝杆菌为什么能治病获得了很多线索。深菌，他们的工作主要是由军科院所王之福教授领导的一个课题组的完成。他的工作主要集中在基因的多态性。也就是说他的进化规律上的一些研究，这方面工作可以说在国际上处于领先地位。三关于多购螺旋体的研究这个研究是年启动研究的。当时的牵头单位是南方基因组研究中心，合作单位有中国科学院上海科学院中国疾病预防控释中心，上海复旦大学等。多
12、沟螺旋体是螺旋体中个对人致病的属中比拟重要的一个，为什么说他比拟重要呢因为他是一种环境的细菌，环境中的菌是能够生存的，而另外的两种菌根本上环境是不能生存的，包括引起梅毒的苍白米螺旋体，苍白亚种和引起莱姆病的剥蚀蜀都螺旋体，多沟螺旋体根据血清性分型大约有两百多个血腥型，基因病种的话大约有17个种。钩端螺旋体病一般来说农民在一些农业生产中接触了一些被钩端螺旋体污染的水。那么通过破损的皮肤进入集体。进入血液以后引起疾病，他损伤把组织主要包括肝肾胃这些，那么一般他引起的病症有轻有重，轻的像感冒一样流感一样，重的可以导致胃出血肾衰竭，肝损伤等等，当然他也有一些其他的并发症包括脑膜炎还有在皮肤上出现的皮疹
13、，这是肝损伤导致黄胆的一些照片，在我国流行的地区主要是长江流域这是最多的。四国际螺旋体的研究现状首先我们了解一下国际上整个螺旋体的研究的一个现状。目前钩端螺旋体已经有6株全部基因组解析，最先的是我们科学组在03年在自然杂志报道的第一株也就56601株他的全系列分析，这株群实际上是我们从患者身上别离并命名的一个菌株，他属于多端螺旋体黄胆的一个出血群。赖型赖株，第二株是巴西他是04年报道的一株也是黄胆出血群，但是属于赫本哈根型，06年在澳大利亚又报道了两株。主要是他们和宿主的关系是有区别的但是他的种呢不是属于问号钩端螺旋体而是属于剥蚀钩端螺旋体，分别是哈交型的，在08年的时候在澳大利亚和法国又分别
14、报道了双曲螺旋体的两株的全基因组系列，这是整个分株螺旋体的现状。五软膜组的研究国际上也开展了软膜组的研究，这方面研究有报道主要来自3个，第一个是我们课题组，基于全基因组的记忆然后PCR产我的方法然后具备了赖株的全基因组的雄性，并在此根底上进行了转入组的研究。那么成果发表在栏目组的研究，当时也是和基因组测讯一样和国际第一次报道，第二个几乎是和我们一起报道的-澳大利亚是通过瓦砾石酸合成制备的基因性，但是比拟的内容相似都是不同温度还有转入组的变化，随后的在07年美国也做了相关的研究，这是转入组方面的研究。六蛋白质的研究关于蛋白质研究报道的比拟多，但是主要集中在两个方面，一个是外膜蛋白的分析，一个是免
15、疫蛋白组学。关于外膜蛋白的研究，从02年起澳大利亚莫代斯大学当时他们开展比拟早,一开始双向电影和质朴结合的技术来进行分析的,同时还有报道的美国UCLA加里福利亚大学他们报道的,在07年的时候这方面也有一些进展,也是美国加里福利亚大学课题组报道的,关于免疫单位组学目前有4个小组研究的报道,分别来自第一个是巴西当时是比拟早的在01年他们就报道了一些初步的结果,在这个结果里面给出了很多诊断和育苗的发点,在07年的时候印度也做了这方面的一系列分析,08年是泰国发表了两篇相关的一些文章,这两篇文章分别发表一个是蛋白质的临床应用上,还有一个亚太的免疫学杂志上,08年爱尔兰大学也报道了关于免疫蛋白质组学研究
16、的成果,这是关于蛋白质组学的研究,在这方面的研究，限于培育技术的问题目前关于分泌蛋白质研究还没有报道这是目前想要做的工作,将在两个月完成。关于蛋白质研究的工作,大家也知道除了蛋白质的研究以外，还有蛋白质相互作用的工作,我们课题组也利用生物技术在这方面有过一个探讨,主要是基于国际上已经建立一些蛋白质相互作用的预测平台整合以后在钩端螺旋体的根底上进行分析,建立一个整个基因组根底上的蛋白质相互作用的一个网络,这个成果主要发表在06年我国科学院的一个学报上。通过系列组基因分析，他有两个染色体，大的是43乘10的6次方剪辑,而小染色体是0.35乘10的6次方剪辑。另一个工作是我们再测第一株菌5601是一个有毒株或者是强毒株,为了说明他治病的机制,或者比拟那些基因是独立基因。对于的他相对应的无毒株进行了一个
