第10章 基因领域研究的创新信息(7)

研究报告表明，血链球菌基因组，由大约240万碱基对组成。它的基因组，比此前科学家测序过的其他链球菌的基因组都要大。经过分析发现，血链球菌的超大基因组，有一部分明显是从另外一种细菌中“继承”而来，能够编码特定基因，使得血链球菌在人口腔卫生十分健康的情况下，仍能活得“很滋润”。

马克里纳说，破译血链球菌基因组，将为研究人员提供一个独特的视角，深入研究这种细菌复杂的生命循环周期、新陈代谢，以及它侵入宿主引发感染性心内膜炎的机制。

研究人员还指出，他们可以应用血链球菌的基因组分析成果，设计针对细菌性心内膜炎的新疗法或者预防方法。比如他们在对基因组的分析中发现，血链球菌细胞表面分布着数量惊人的蛋白质，这可能成为未来新型药物或疫苗的设计靶向。

（8）破译部分超级病菌密码。

耐甲氧西林金黄色葡萄球菌等具有耐抗生素能力的超级病菌，已成为家喻户晓的名字，它们威胁着人类的健康和生活。自2005年以来，仅美国每年就有超过18000人被金黄色葡萄球菌夺取生命。

2012年5月，有关媒体报道，一个以哈佛大学迈克尔·吉尔默教授为带头人，以维拉妮卡·科斯博士为助手，并由来自麻省理工学院、马里兰大学、罗切斯特大学、英国维康基金会桑格中心的生物信息和基因组学专家为成员组成的国际研究小组，在美国国家卫生研究院（NIH）的资助下，开展耐抗生素项目的专题研究，以便获得其基因组序列。经过多年努力发现，某些耐甲氧西林金黄色葡萄球菌，更易在交叉感染中获得耐药性的基因组特征。

吉尔默表示，基因组序列，能够帮助研究人员深入了解这些极具耐药能力细菌的标记。在研究中，他们发现一组耐甲氧西林金黄色葡萄球菌，不断出现耐万古霉素现象。对研究人员而言，其带来的问题是，何种原因导致这组耐甲氧西林金黄色葡萄球菌如此特殊——它是如何开始具有耐万古霉素能力的。

科斯介绍说，他们发现这组耐甲氧西林金黄色葡萄球菌，具有能够使其更社会化的特征，这让它们能够与类似肠球菌的病菌共生存，从而导致耐甲氧西林金黄色葡萄球菌更容易获得新的耐药物能力。

研究人员表示，他们正在利用，所获得的现有各种耐万古霉素金葡菌菌株的基因组序列信息开发新药，以帮助人们预防和治疗耐甲氧西林金黄色葡萄球菌、耐万古霉素葡萄球菌和耐万古霉素肠道球菌的感染。至今，研究小组确认了数种可阻断耐甲氧西林金黄色葡萄球菌侵害新目标的化合物，并正在对它们进行深入检测。

（9）公布抗药性结核分枝杆菌全基因组测序图。

2014年2月，弗兰西斯·德柔纽斯基等人组成的一个研究小组，在《自然·遗传学》杂志上，公布了从俄罗斯某一抗药性结核病高发地区病人体内获得的结核分枝杆菌的全基因组测序图。这项大型遗传学检测，让人们对高发人群中抗药性结核病的出现和进化，有了深入了解。

研究小组从过去两年中，在俄罗斯萨马拉这一多重抗药性和广谱抗药性结核病高发的地区，采集得病人体内1000个结核分枝杆菌株，并对其进行了全基因组测序。研究人员把这些菌株与从英国地区病人体内获得的多类菌株进行比较。他们分析了俄罗斯抗药性菌株的结构，发现其属于两种主要的谱系：其中642个属于北京谱系，355个属于欧美谱系。他们表征了抗药性和抗药性突变的模式，找到了发生在多重抗药性结核病菌株内的补偿突变，即这种突变能够增强菌株的健康程度和传播性。

（10）绘制出大肠杆菌完整的基因组序列。

2014年9月，美国加州大学一个研究小组，在《基因组公告》上发表相关论文表明，他们首次绘制出，可导致食物中毒的大肠杆菌的完整基因组序列。

本次大肠杆菌的测序工作，不仅完整没有缺失，而且还对跳跃基因进行了分析。所谓跳跃基因，是指那些能够进行自我复制，并能在生物染色体间移动的基因。它们具有扰乱被介入基因组成结构的潜在可能性，并被认为是导致生物基因发生渐变（有时候是突变），并最终促使生物进化的根本原因。跳跃基因，不仅可对个体基因产生破坏，同时也是产生耐药性的原因。

2001年，曾公布过这株在美国导致食物中毒的大肠杆菌的基因组序列，但由于存在大量的基因缺失，基因组无法闭合。在最新的测序工作中，研究人员采用了太平洋生物科学公司等机构的最新测序设备模式，并结合基因组测序数据，对病原菌进行了比较详细的分析，彻底揭秘了该致病菌的全部遗传特征。

拥有完整的大肠杆菌基因组序列，不仅可以使研究人员更加深入地理解该致病菌的特点，精确定位各种基因，而且还可以发现和利用其弱点，并可跟踪和治疗未来可能暴发的疫情。

2.真菌基因破译研究的新成果

（1）完成稻瘟病菌的基因组测序。

2005年4月21日，美国北卡罗来纳州立大学的一个研究小组，在《自然》杂志上公布了常见的稻瘟病菌的基因组草图，这是科学家首次完成植物病原体的基因测序。稻瘟病是一种常见的水稻疾病，由真菌病原体引起，多发于泰国、菲律宾这样气候湿热的国家，它造成的水稻产量损失可高达15%～30%。据测算，由于稻瘟病的危害，全球范围内每年减产的水稻足以养活6000万以上的人口。

研究人员说，测序结果表明，稻瘟病菌的基因超过1.1万个。另外，他们发现，这种真菌的孢子上存在一个受体，这种受体能够区别水稻和其他作物。研究人员还说，该受体的发现，在抗击这种病菌的道路上迈出了一大步。研究人员可以通过转基因方法，对水稻进行改良，使其不被受体识别。

目前，农民只能使用农药来预防稻瘟病，大量喷洒会导致他们健康受损，研究人员说，转基因水稻的出现将减少或消除农药的使用。

（2）测绘出三种霉菌基因组图谱。

2005年12月28日，英国曼彻斯特大学，丹尼教授为项目协调人的一个国际研究小组宣布，他们破译出了曲霉菌、米曲霉素和烟曲霉素三种霉菌的基因组序列并绘制出基因图谱。这项成果有助于开发治疗诸如白血病、过敏症等多种疾病的新疗法和新药品。

曲霉菌是通过空气传播的常见霉菌，尽管无害，但早在1848年就被视为感染根源。目前，它被认为是白血病和骨髓移植患者感染死亡的主要原因。曲霉菌病灶是过去50年来用作各类细胞试验的主要系统，烟曲霉素是混合肥料的主要成分，米曲霉素则是东亚地区酿制米酒和酱油的菌类。

国际科研小组发表在《自然》杂志上的论文说，他们对三种霉菌的基因测序研究发现，尽管三种霉菌源自同一家族，基因组却有很大不同，就像人类和鱼的基因组遗传差别一样。三种霉菌只有68%的蛋白质相同，其基因组数量有明显差别。米曲霉素的基因数最多，比烟曲霉素多31%，比曲霉菌多24%。在研究人员识别出的9500～14000个基因中，有30%是新基因。此前，科学家根本不清楚这些基因的结构和功能。

丹尼表示，识别霉菌基因组序列具有重要的科学和医学意义。包括霉菌在内的真菌，在地球生态环境中扮演着重要角色，它们和氮循环对防止植被退化发挥着重要作用。霉菌是制造青霉素和环孢霉素等药物的重要原料，同时也可制造包括能引发肝癌的黄曲霉等毒素。

生物学专家认为，测绘霉菌基因组序列，有助于科学地理解霉菌的致命性及其导致过敏症等多种疾病的根源，有助于开发新药和诊断测试新方法，进而帮助防治白血病、过敏症、肺炎和鼻窦炎等疾病。有关基因组研究信息，还有助于深入了解混合肥料和霉菌毒素生产过程中的生物学问题。

（3）开展玉米黑粉菌基因组测序。

2006年11月，德国马普所陆地微生物研究所、美国麻省哈佛总医院等27个研究单位组成的一个研究团队，在《自然》杂志上发表研究成果称，他们在对玉米黑粉菌基因组序列进行测定，这是第一次对活体植物病菌进行基因组测序。

当玉米感染上玉米黑粉病菌后，玉米棒上会长出大小不等的瘤状物。多年来，科学家们还没有找到有效治疗玉米黑穗病的方法。而现在，该研究小组在解决这个问题上有了非常重要的研究进展。

研究小组已经分析出玉米黑粉菌的基因组。在真菌的7000个基因中，他们发现一些基因致使真菌能够固定于活体植物，而不是使植物致病而死。这些基因也有可能帮助真菌躲避植物自身的防御系统而得以存活。研究人员希望能把这些理论应用于依赖于活体植物的玉米黑粉病菌研究。

在墨西哥，玉米黑粉瘤被当作一种观赏性的东西，但是世界其他国家的农民们都认为玉米棒上长出这种瘤状物是一件非常麻烦的事情。因为，长有这种瘤状物的玉米棒即不能再加工成玉米糊也不能制成爆玉米花，只能当作牲畜的饲料。美国的农业专家一直都在想办法对付这种黑粉菌，却一直没有什么实质性的进展。

该研究小组表示，他们已经识别出为功能未知蛋白编码的几个基因团：整个基因组范围的表达分析表明，这些成团基因的作用在患病期间被增强。这些基因团的突变经常影响到致病能力，其影响范围从致病能力完全丧失到致病能力超强不等。

3.破译藻类基因研究的新成果

2010年7月，美国能源部联合基因组研究所，与索尔克研究所人员共同组成的研究小组，在西蒙·普鲁克尼和吉姆·伍曼的带领下，破译了多细胞海藻类团藻的基因组。团藻能通过光合作用获取光能，这是探寻自然界中潜在新型燃料资源的重要成果。为给交通运输提供合适的燃料，美国能源部正采取多种途径，努力寻找包括从陆地上可作为纤维质原料的植物，到水中及其他生长环境中的产油生物如海藻和细菌。团藻基因组的破译，无疑是一条值得庆贺的喜讯。

据悉，美国能源部之所以大力支持光合成生物体内复杂机制的研究，为的是更好地认识生物体如何把阳光转换成能量，以及光合成细胞如何控制生物的新陈代谢过程。这些信息有助于未来可再生生物燃料的生产。

在本项目实施过程中，研究人员把团藻基因组，与它的近亲单细胞莱茵衣藻的基因组进行比较。三年前，能源部联合基因组研究所曾破译了莱茵衣藻的基因组。衣藻是人们深入研究的潜在海藻生物燃料资源。团藻和衣藻均属于团藻目家族，团藻基因测序的重要价值，在于它可以作为衣藻基因参照物，研究人员通过数据比较来研究它们的光合作用机理，以及多细胞生物的演化。

与衣藻不同，团藻包含两种细胞：一种是数量较少的生殖细胞，另一种则是数量较多的体细胞。生殖细胞能够分化形成新的菌落，与此同时，体细胞则提供机动力，并分泌能导致生物体扩展的细胞外基质。团藻内两种细胞的分工使得团藻比衣藻生长和游动都要快，从而帮助团藻能够躲避捕食者，同时在更深的水域获取营养。

伍曼表示，团藻特别令人着迷的地方，是它如何有选择地减少光合作用或调节光合作用，以支持另一种细胞。虽然目前人们还没有很好地认识团藻的这一特性，但该特性有可能帮助人们，通过转基因工程让光合生物进行相应变化，生产生物燃料或其他产品。

普鲁克尼克解释说，研究团藻目生物的兴趣点，在于单细胞祖先在较短的进化时间段，演化成多细胞和复杂的细胞过程。研究人员发现，尽管团藻和衣藻两种生物的复杂程度和生命史，存在很大差异，但两者的基因组却有相似的蛋白编码潜能。与莱茵衣藻相比，专家在团藻细胞内只发现了很少该生物特有的基因，也就是说，多细胞的团藻基因组缺乏创新。因此，越小越简单的理念开始受到挑战，研究人员由此推断，从单细胞生物演变为多细胞生物，并非必须大幅提高基因的数目，在这种演变中，基因如何及何时编码合成特定的蛋白，才具有决定意义。相信随着更多的单分子生物的基因组被破译，人们对此将会有更多的了解。

分析显示，大约有1800个蛋白质家族属于团藻和衣藻所独有。这些蛋白质家族，是多细胞物种生长和发生形态变化的基因物质资源。特别是，经查明，某些蛋白质家族与多细胞体相关。团藻和衣藻在利用这些蛋白质家族方面的不同之处，将是人们未来准备研究的问题。伍曼表示，团藻基因组，为衣藻基因组工程，以及精确认识形态进化和蛋白质创新，增加了巨大的价值，现在人们需要静下来研究这些基因的功能。

普鲁克尼克认为，团藻和衣藻作为易驾驭的实验模式生物，它们的信息可以被人们广泛使用，包括那些对团藻生物学不感兴趣的研究人员。他表示，团藻基因组是指导其对目标领域进行深入研究的极好资源。

4.破译原生动物基因研究的新成果

（1）破译痢疾阿米巴虫基因组序列。

2005年2月24日，美国基因组研究所，与英国威康信托基金会下属的桑格研究所，在《自然》杂志上发表一项合作成果：他们成功破译一种寄生性变形虫——痢疾阿米巴虫的基因组序列。这一研究成果，有望帮助治疗困扰全球数千万人的阿米巴虫性痢疾。