细菌基因组基本概念(一)

进化 (Evolution)

 "生命之树 (Tree of Life)"以原核生物界 (Monera)开始，并通过原生生物 (Protists)延伸。细胞、细胞器 (如线粒体和叶绿体)，以及所有主要的代谢途径 (Metabolic pathways)都是从早期原核 (Prokaryotic)细胞进化而来的。

"生命之树"进化谱系 (Evolutionary lineage)的五界系统 (5种背景色)

Monera, 原核生物界；Cyanobacteria, 蓝藻；Bacteria, 细菌

Protista, 原生生物界；Unicellular algae, 单细胞藻类；Protozoa, 原生动物

Ref. Fundamentals of Microbiology, 11 Edition, 2018, FIGURE 3.10

 分类学 (Taxonomy)。在生物学中，分类学是根据共同特征对生物的命名、定义 (限定)和分类 (Classifying groups)的科学研究。生物被分成分类单元 (Taxa/Taxon)，这些分类单元被赋予一个分类等级 (Taxonomic rank)；一个给定等级的组可以聚合成一个更高等级的更具包容性的组，从而创建一个分类层次结构 (Taxonomic hierarchy)。现代生物学中，主要的等级是：域 (Domain)、界 (Kingdom)、门 (Phylum，在植物学中有时用"Division")、纲 (Class)、目 (Order)、科 (Family)、属 (Genus)和种 (Species)。

Taxonomy: 域 (Domain)、界、门、纲、目、科、属 、种

Species: Specific Organism (eg, Homo Sapiens)

chordata, 脊索; carnivora, 食肉目

Ref. www.slideshare.net/IlanaKovach/biology-60812034

二项命名法

 瑞典植物学家卡尔·林奈 (Carl Linnaeus)被认为是当前分类学体系的奠基人，他开发了一个被称为林奈分类学 (Linnaean taxonomy)的层级系统，用于对生物体进行分类，并使用二项命名法 (Binominal nomenclature)为生物体命名。

 在分类学中，二项命名法 (Binomial nomenclature, 也称"two-term naming system"、"two-name naming system"或"binary nomenclature")是一种命名生物物种的正式系统，通过给每个生物物种一个由两个部分组成的名称 (二者都使用拉丁文语法形式)来命名，尽管它们可以基于来自其它语言的单词。这样的名称称为二项式名称 (Binomial name)或学名 (Scientific name)；更非正式地，它也被称为拉丁名 (Latin name)。

Ref. https://microbiologynote.com/binomial-nomenclature/

 由此，通常每个生物体的名称由其所属的属 (Genus)和一个特定的修饰语 (种加词)组成，该修饰语进一步描述了该属。这两个词一起构成了物种名称。以常见的人类肠道细菌大肠杆菌为例 (Escherichia coli)，埃希氏菌 (Escherichia)是属名，而"coli"是将特定物种识别为大肠杆菌的特殊修饰语。种加词后面有时也会有命名者的姓名，生物学名部分均为拉丁文、且为斜体。

 细菌进化的驱动因素。突变 (Mutations)，水平基因转移 (Horizontal gene transfer, HGT)，以及各种各样的微环境 (Microenvironments)，这三者使微生物 (Microorganisms)种类繁多。人类对环境的影响会影响微生物的进化。

  HGT指遗传信息在生物体之间的移动，例如抗生素抗性 (Antibiotic resistance)基因在细菌之间的传播 (从父代到子代的情形除外)，推动病原体进化。一旦转移，基因和病原体会继续进化，通常会导致细菌产生更大的耐药性。许多抗性基因很久以前在自然环境中进化而来，没有人为的影响，但这些基因现在正在迅速传播到人类病原体中。

  所有基因 (不仅是耐药基因)都可能发生水平转移、并通过自然选择增殖，也包括毒力决定因子 (Virulence determinants)。

  HGT的发生有3种常见的遗传机制：

细菌的水平基因转移机制

 ① 转化 (Transformation)：细菌从环境中吸收DNA；② 接合 (Conjugation)：细菌直接将基因转移到另一个细胞 (或细菌)；③ 转导 (Transduction)：噬菌体 (细菌病毒)将基因从一个细胞转移到另一个细胞。

 系统发育树 (Phylogenetic trees)。由于无性繁殖 (Asexual reproduction)，水平基因转移 (HGT)的频繁发生，物种的传统概念并不能很好地适用于微生物 (Not readily applicable to microbes)。系统发育树/系统发生树/进化树能最好地反映生物的进化相关性 (Evolutionary relatedness)。

当前“生命之树”的简化系统发育树

Endosymbiosis (细胞内共生)。橙色虚线：Proteobacteria (变形菌门) - mitochondrion (线粒体)；蓝色虚线：Cyanobacteria (蓝藻菌) - chloroplast (叶绿体)

真核生物域中的红色字体为原生生物，如Amoebozoa, (变形虫)

Ref. Fundamentals of Microbiology, 11 Edition, 2018, FIGURE 3.11

共同祖先LUCA

 大约37亿年前，经历了包括益生质 (Prebiotic)、原生质 (Protocell)和原生命 (Progenote)的一系列阶段的进化后，共同祖先 (The last universal common ancestor, LUCA)出现了。LUCA具有当今所有生物体中普遍存在的细胞特征 (Cellular features)。从LUCA开始，推测出现了细菌和古细菌域 (Bacteria and Archaea domains)，即原核生物 (Prokaryotes)；随后真核域 (Eukarya domain)，即真核生物 (Eukaryotes)从古菌谱系 (Archaea lineage)中分支。

  如今遗传和分子基础的根本差异 (Fundamental differences in genetic and molecular endowments)被用来组织与划分这3个域内的所有生物体。CPR (Candidate Phyla Radiation, 候选门级辐射类群)和TACK (四个古菌组的首字母缩写：Thaumarchaeota, Aigarchaeota, Crenarchaeota和Korarchaeota)是这棵树上最新添加的。

 原生生物 (Protist)是任何非动物、植物或真菌的真核生物。虽然原生生物很可能有一个共同的祖先，但 (用排除法来排除其它真核生物意味着)原生生物不会形成自然群体或进化枝 (Natural group, or clade)。因此，一些原生生物与动物、植物或真菌的关系可能比它们与其他原生生物的关系更密切；然而，与藻类 (Algae)、无脊椎动物 (Invertebrates)和原生动物 (Protozoans)类群 (Groups)一样，为了方便，使用了生物类别"Protist"。对原生生物的研究被称为原生生物学 (Protistology)。

  下图的系统发育树，其构建是基于31个常见蛋白质家族的、清洗后的多行串联比对 (Cleaned and concatenated alignment)，共覆盖了191个物种 (基因组已被完全测序)。

已被完全测序的生物的整体系统发育树

绿色部分，古菌域 (Archaea)；红色，真核域 (Eukaryota)；蓝色，细菌域 (Bacteria)

Ref. itol.embl.de/itol.cgi

研究细菌耐药性的意义

  耐药性的研究涉及在人类疾病、畜牧业或渔业中，凡是与细菌感染有关的领域。在这些领域中，随着耐药细菌的大量出现及广泛传播，相关研究逐渐成为全球备受关注的议题。耐药细菌的特征如：耐药基因 (Antimicrobial resistance genes)、毒力因子 (Virulence-associated genes)、质粒分型 (Plasmid types)、以及不同菌株间亲缘关系 (Phylogenetic relationship among different strains)，对细菌耐药性流行病学及分子生物学的研究有着十分重要的意义。

耐药菌

  随着多重耐药菌甚至泛耐药菌的广泛流行，尤其是对目前临床治疗细菌感染的两类“最后一道防线” (碳青霉烯、多黏菌素和万古霉素)耐药的菌株，严重威胁了人类和动物的健康。

  面对越来越严峻的细菌耐药性形势，加强耐药菌株的监控以及耐药菌株特征的分析显得尤为重要。精确、快速、便捷地获得耐药菌株的详尽信息 (包括耐药基因、毒力因子、质粒分型等特征) 以及菌株间亲缘关系等数据对于对抗细菌耐药性研究将会有很大的帮助。

耐药基因

  最重要的两个基因碳青霉烯耐药基因blaNDM-1和多黏菌素耐药基因mcr-1均是由质粒介导的可转移耐药基因，可在不同种属细菌 (如blaNDM-1在鲍曼不动杆菌、肺炎克雷伯氏菌和大肠杆菌中均有发现)或不同媒介间相互传播扩散，同时还可与其它耐药基因共存而成为 “超级细菌”，使得治疗这些细菌造成的感染性疾病更加困难。

毒力因子

  毒力，病原体致病能力的强弱。毒力因子，构成细菌毒力的物质 (Virulent factor, VF)，主要包括侵袭力和毒素。① 侵袭力，病原菌在机体内定殖、突破机体的防御屏障、内化作用、繁殖和扩散的能力。② 毒素，按来源、性质和作用等的不同，可分为外毒素和内毒素两大类，而在大多数情况下，外毒素一般简称毒素。

  病原菌之所有能感染宿主并且在宿主环境中繁殖，通常就是依靠一系列的毒力因子之间相互协调作用起作用。所以研究病原菌的毒力因子，对于了解病原菌和宿主之间的相互作用有非常重要的作用。

  相关数据库如“病原菌毒力因子数据库” (VFDB, an integrated and comprehensive online resource for curating information about virulence factors of bacterial pathogens)，由中国医学科学院研发，使用广泛。两个网页：①默认网页: www.mgc.ac.cn/VFs/main.htm; ② 丰富的JavaScript接口及使用VFanalyzer: www.mgc.ac.cn/cgi-bin/VFs/v5/main.cgi。

  来自VFDB数据库默认网页的结核分枝杆菌 (H37Rv)的毒力相关基因的基因组定位：

    

Mtb的毒力基因的基因组位置

耐药基因 vs 毒力基因

  两种概念不同的基因分类，一般没有任何关联或相关性 (强交集或互斥)。耐药基因一般有酶 (eg, β-内酰胺酶)、外排泵、管家基因 (eg, rpoB)、脂多糖修饰基因；毒力基因一般包括：纤毛等细胞黏附因子、铁载体、分泌系统等。

全基因组测序对于细菌耐药性研究的意义

  传统的技术手段如聚合酶链式反应 (Polymerase chain reaction， PCR) 和脉冲场凝胶电泳 (Pulsed field gel electrophoresis，PFGE) 等得到的结果不够全面且精确度低，对于现有的研究存在很大的局限性。由于全基因组测序技术 (Whole genome sequencing, WGS) 和生物信息学分析 (Bioinformatics analysis)能够快速、详尽地得到耐药细菌的特征，也能更加精细地判断不同菌株间的进化关系，逐渐成为更加有效的技术手段，为耐药性研究提供了有效的帮助。

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