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一、公共微生物学的概念与特征

  大肠杆菌染色体基因组的结构和功能

  大肠杆菌染色体基因组是研究最清楚的基因组。估计大肠杆菌基因组含有3500个基因,已被定位的有900个左右。在这900个基因中,有260个基因已查明具有操纵子结构,定位于75个操纵子中。在已知的基因中8%的序列具有调控作用。大肠杆菌染色体基因组中已知的基因多是编码一些酶类的基因,如氨基酸、嘌呤、嘧啶、脂肪酸和维生素合成代谢的一些酶类的基因,以及大多数碳、氮化合物分解代谢的酶类的基因。另外,核糖体大小亚基中50多种蛋白质的基因也已经鉴定了。

  除了有些具有相关功能的基因在一个操纵子内由一个启动子转录外,大多数基因的相对位置可以说是随机分布的。如控制小分子合成和分解代谢的基因,大分子合成和组装的基因分布在大肠杆菌基因组的许多部位,而不是集中在一起。再如,有关糖酵解的酶类的基因分布在染色体基因组的各个部位。进一步发现,大肠杆菌和与其分类关系上相近的其他肠道菌如志贺氏杆菌属(Shigella)、沙门氏菌属(Salmonella)等具有相似的基因组结构。伤寒沙门氏杆菌(Salmonellatyphimurium)几乎与大肠杆菌的基因组结构相同,虽然有10%的基因组序列和大肠杆菌相比发生颠倒,但是其基因的功能仍正常。这更进一步说明染色体上的基因似乎没有固定的格局,相对位置的改变不会影响其功能。

  在已知转录方向的50个操纵子中,27个操纵子按顺时针方向转录,23个操纵子按反时针方向转录,即DNA两条链作为模板指导mRNA合成的机率差不多相等。在大肠杆菌染色体基因组中,差不多所有的基因都是单拷贝基因,因为多拷贝基因在同一条染色体上很不稳定,极易通过同源重组的方式丢失重复的基因序列。另外,由于大肠杆菌细胞分裂极快,可以在20分钟内完成一次分裂,因此,携带多拷贝基因的大肠杆菌并不比单拷贝基因的大肠杆菌更为有利;相反,由于多拷贝基因的存在,使E.coli的整个基因组增大,复制时间延长,因而更为不利,除非在某种环境下,需要有多拷贝基因用来编码大量的基因产物,例如,在有极少量乳糖或乳糖衍生物的培养基上,乳糖操纵子的多拷贝化可以使大肠杆菌充分利用的乳糖分子。但是,一旦这种选择压力消失,如将大肠杆菌移到有丰富的乳糖培养基上,多拷贝的乳糖操纵子便没有存在的必要,相反,由于需要较长的复制时间,这种重复的多拷贝基因会重新丢失。

  大肠杆菌染色体基因组中,大多数rRNA基因集中于基因组的复制起点oriC的位置附近。这种位置有利于rRNA基因在早期复制后马上作为模板进行rRNA的合成以便进行核糖体组装和蛋白质的合成。从这一点上看,大肠杆菌基因组上的各个基因的位置与其功能的重要性可能有一定的联系。

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