藍(lán)藻基因組結(jié)構(gòu)、功能與調(diào)控模式的生物信息學(xué)研究.pdf

1、藍(lán)藻是現(xiàn)今已知的最古老、最簡單的一類微生物。由于藍(lán)藻基因組較小，所以對其基因組結(jié)構(gòu)與功能進(jìn)行研究可以更容易和更快地獲得比較完整的信息，而這些信息能夠被應(yīng)用于藥物生產(chǎn)、疫苗開發(fā)和疾病防治。非編碼小RNA(sRNA)參與調(diào)控多種生物學(xué)過程，例如轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)、染色體復(fù)制、RNA加工與修飾以及蛋白質(zhì)翻譯與降解。對藍(lán)藻sRNA的研究可以讓我們深入了解藍(lán)藻細(xì)胞復(fù)雜的調(diào)控機(jī)制，對于制作RNA干擾片段用于基因沉默實驗、揭示人類胚胎發(fā)育以及抑制腫瘤等方面具有

2、重要意義。藍(lán)藻能夠主動適應(yīng)不同的環(huán)境，也能夠?qū)χ車纳鷳B(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響。pH作為一種重要的環(huán)境信號，它能影響藍(lán)藻的生理過程和毒素合成，對其酸應(yīng)答調(diào)控機(jī)制的研究可以為抗生素的研制提供理論基礎(chǔ)。本文從藍(lán)藻菌株的基因組入手，采用生物信息學(xué)方法和工具，首先系統(tǒng)地分析了最新測序的藍(lán)藻基因組結(jié)構(gòu)，解釋其重要基因和蛋白質(zhì)的功能，然后著重探討了藍(lán)藻sRNA的結(jié)構(gòu)、功能和調(diào)控模式，最后構(gòu)建了藍(lán)藻對酸脅迫的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，并分析了藍(lán)藻細(xì)胞的酸脅迫應(yīng)答機(jī)制。

3、
　　本文主要包括以下三部分內(nèi)容：
　　1. Synechococcus PCC7336基因組結(jié)構(gòu)解析。我們通過構(gòu)建本地比對數(shù)據(jù)庫和本地注釋數(shù)據(jù)庫，對已測序的藍(lán)藻菌株Synechococcus PCC7336進(jìn)行解析。首先預(yù)測了該菌株基因組上編碼基因的個數(shù)、GC含量和偏移率、核心 RNA基因數(shù)量和常見的重復(fù)序列，并通過與藍(lán)藻其他菌株相關(guān)數(shù)據(jù)對比來顯示出Synechococcus PCC7336的差異性。接著，分析和歸納了該菌

4、株參與光合作用、信號傳導(dǎo)和調(diào)控代謝的基因功能。最后，基于16S rRNA構(gòu)建進(jìn)化樹，結(jié)果顯示Synechococcus PCC7336在進(jìn)化過程中與聚球藻其他菌株的差異較大，推測Synechococcus PCC7336是聚球藻屬一個獨(dú)立的分支。
　　2.非編碼RNA及基因島的功能研究。藍(lán)藻非編碼RNA Yfr家族到目前為止已發(fā)現(xiàn)20個成員，但相關(guān)研究報道甚少。我們著重以Yfr1和Yfr7為研究對象。通過序列比對，我們首先發(fā)現(xiàn)了Y

5、fr1和Yfr7都有一段非常保守的區(qū)域，具有獨(dú)立的啟動子和終止子。它們的二級結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)莖-環(huán)-莖的排列方式。然后，以經(jīng)典的Waterman算法并結(jié)合雜交能量來預(yù)測Yfr7所調(diào)控的目標(biāo)基因，并闡述了這些基因的細(xì)胞分布、分子功能和參與的生物學(xué)過程。接著，對 Yfr1和Yfr7作進(jìn)化分析，結(jié)果顯示它們都與藍(lán)藻菌株種類和生活環(huán)境有關(guān)。同時，我們也對 Yfr家族的其他成員做了概括性的分析和總結(jié)。最后，我們預(yù)測出Synechocystis PCC68

6、03所含有的11個基因島的具體位置，并根據(jù)實際作用對這些基因島進(jìn)行了分類。
　　3.低酸環(huán)境下藍(lán)藻基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。我們首先從大腸桿菌、乳球菌和沙門氏菌中收集與酸脅迫應(yīng)答相關(guān)的基因并將它們映射到 Synechocystis PCC6803基因組上，構(gòu)建含有85個基因的初始模板。然后利用基因簇排列特點、全局性調(diào)控子、蛋白質(zhì)相互關(guān)系和基因系統(tǒng)發(fā)育譜關(guān)系對初始模板進(jìn)行了擴(kuò)展，構(gòu)建出一個含有264個基因的完整模板，并根據(jù)功能將它們分為6

7、類。隨后我們對基因做富集分析，并結(jié)合已有文獻(xiàn)證實預(yù)測結(jié)果的可靠性，并繪制出基因之間的連接關(guān)系圖。最后我們總結(jié)出 Synechocystis PCC6803在低酸應(yīng)答時細(xì)胞調(diào)控的主要步驟和模型。研究結(jié)果表明，一些基因的產(chǎn)物能參與多條代謝反應(yīng)。
　　我們采用生物信息學(xué)方法，以個體為單位，從序列、結(jié)構(gòu)到進(jìn)化、調(diào)控等多角度和多層次對藍(lán)藻菌株進(jìn)行了解析，得到了許多有用的信息，同時也填補(bǔ)了一些國內(nèi)外的研究空白。藍(lán)藻在生物燃料、綠色肥料和食品生