《原核基因组》课件

原核基因组课程概述原核生物简介细菌和古菌的基本特性原核基因组特点环状DNA和高基因密度研究方法与应用原核生物简介定义与分类细菌和古细菌的区别生态学意义无核膜的单细胞生物细胞壁成分和代谢途径不同原核生物的细胞结构细胞壁提供结构支持和保护细胞膜选择性物质运输核区3DNA集中的区域细胞质包含核糖体和其他细胞器原核基因组的特点环状分子单一染色体DNA封闭的双链结构单个复制单位2操纵子结构基因密度高功能相关基因集群基因间距短原核基因组的大小范围

0.5-10Mb不等最小基因组支原体仅

0.58Mb最大基因组土壤杆菌达

13.0Mb原核基因组的紧凑性90%1kb编码区占比基因间距大部分DNA参与蛋白质编码基因之间几乎无间隔3%非编码DNA调控元件占比极低原核基因组的基本结构环状双链超螺旋结构DNA共价闭合的双螺旋结构减小DNA占用空间核糖体结合位点翻译起始的关键元件原核基因组的复制起点单一复制起点oriC是复制始发位点结构特征富含AT序列功能作用DNA解旋酶结合位点原核基因组的复制终止区位点ter位于复制起点对侧复制终止蛋白Tus蛋白特异性结合复制叉阻滞单向阻断复制叉前进原核基因的结构启动子RNA聚合酶结合区域编码区含有蛋白质编码信息终止子转录终止信号调控序列控制基因表达的区域原核基因的表达调控操纵子模型转录因子1功能相关基因共同调控激活或抑制基因表达诱导与阻遏环境信号响应机制操纵子结构定义与功能协调表达的基因单位乳糖操纵子乳糖代谢相关基因集群色氨酸操纵子3氨基酸合成基因调控原核基因组中的重复序列插入序列（）转座子基因簇IS rRNA短小的可移动DNA元件更复杂的移动元件多拷贝的核糖体RNA基因含有转座酶基因可携带抗性基因高度保守序列原核基因组的可塑性基因重组同源序列交换水平基因转移非亲代间基因交换基因丢失非必需基因的删除质粒质粒是独立于染色体的环状DNA，携带非必需基因，可自主复制原核基因组的进化基因复制与分化新功能的获得基因获得与丢失环境适应性改变基因组缩减寄生或共生适应原核基因组测序技术测序法Sanger第一代测序技术高通量测序并行测序数百万片段第三代测序3单分子实时测序原核基因组组装组装软件参考辅助组装SPAdes、Canu等工具从头组装利用已知序列指导无参考序列的拼接原核基因组注释基因预测功能注释代谢通路分析123识别编码区和功能元件推断基因产物功能确定生物化学反应网络比较基因组学物种间比较保守与变异区域识别核心与泛基因组共有与特有基因集进化关系分析构建系统发育树原核转录组学技术转录调控网络非编码RNA-Seq RNA全基因组表达谱分析揭示基因表达调控机制发现新型调控RNA检测低丰度转录本信号通路重建功能验证与分析原核蛋白质组学双向电泳蛋白质分离技术质谱技术蛋白质鉴定方法相互作用网络蛋白质功能关系图谱原核代谢组学代谢物分析小分子化合物检测代谢通路重建生化反应网络构建代谢流分析物质转化速率测定原核基因组的功能研究基因敲除过表达研究删除目标基因研究功能增强目标基因表达CRISPR-Cas9精准基因组编辑工具原核基因组与抗生素耐药性耐药基因识别基因组筛查耐药决定因子耐药机制研究分子水平阐明耐药原理新型抗生素开发基于靶点设计新药原核基因组与病原性毒力因子鉴定分子分型宿主病原相互作用-致病相关基因发现基于基因组的病原菌分类感染过程的分子机制研究环境微生物基因组学宏基因组学直接分析环境DNA单细胞基因组学单个微生物全基因组分析环境适应性研究极端环境适应机制工业微生物基因组学工业微生物基因组研究促进发酵工程优化和代谢工程应用原核基因组与生物修复降解基因鉴定发现污染物分解能力菌株改造提高降解效率环境监测应用评估生物修复进程原核基因组与农业植物共生菌研究生物肥料开发植物病原菌防控根瘤菌固氮机制促生菌筛选与应用病原检测与鉴定菌根真菌营养传递改良土壤微生物组抗病机制研究原核基因组数据库数据库NCBI GenomeEBI EnsemblGOLD全球最大的基因组资源库欧洲生物信息数据中心基因组在线数据库原核基因组分析工具BLAST序列相似性搜索工具KEGG代谢通路数据库数据库COG直系同源基因簇分类原核基因组可视化Artemis CGViewCircos基因组浏览和注释工具环状基因组可视化软件复杂基因组关系图形化原核基因组与系统发育分析多位点序列分型16S rRNA传统分子标记物多基因位点综合分析全基因组分析SNP单核苷酸多态性比较原核基因组与分类学70%95%杂交阈值平均核苷酸同一性DNA-DNA传统物种界定标准同种细菌ANI值500+基于基因组的分类核心基因集系统发育树极端环境原核生物基因组嗜热菌嗜冷菌高温稳定蛋白适应低温活性酶系统耐辐射菌耐盐菌DNA修复增强系统渗透压调节机制共生原核生物基因组病毒基因组与原核基因组的关系噬菌体与细菌共进化猎物与捕食者关系系统CRISPR-Cas细菌获得的免疫系统溶原性整合3病毒基因组进入宿主原核基因组与生物安全生物武器相关基因病原体溯源生物安全监测毒素和致病因子监测基因组证据追踪来源实时监控潜在威胁合成基因组学最小基因组伦理问题维持生命的必需基因安全管控与评估简化系统研究生命本质伦理边界探讨科学家已成功合成完整细菌基因组并实现功能表达原核基因组与生物信息学生物信息学算法和工具是解析原核基因组的关键，从序列比对到功能预测原核基因组与人工智能机器学习应用提高基因组注释准确率深度学习功能预测预测蛋白质功能与结构辅助基因组设计AI优化人工基因组构建原核基因组与进化研究水平基因转移打破传统进化树模式分子钟理论共生进化序列变异速率估算进化时间宿主与微生物协同进化原核基因组与代谢工程原核基因组与合成生物学基因线路设计构建人工信号处理系统人工操纵子构建组合不同功能基因模块全基因组重设计优化密码子使用原核基因组与蛋白质工程倍35%12活性提升稳定性增强酶催化效率提高热稳定性显著提升种8底物特异性改变拓展酶的应用范围原核基因组与系统生物学多组学数据整合构建完整细胞模型调控网络重建2解析基因调控关系代谢模型构建预测代谢流分布原核基因组与生物能源生物燃料生产菌株光合细菌乙醇和生物柴油合成能力利用阳光能量转化产氢菌生物制氢代谢途径原核基因组与食品安全食源性病原菌检测益生菌基因组特征快速准确的分子鉴定方法安全性和功能性评估发酵菌分析传统食品发酵菌种改良原核基因组与海洋微生物学海洋微生物特征深海微生物资源开发高压低温适应性极端环境适应基因新型酶和活性物质原核基因组与空间微生物学空间站微生物组封闭环境中的微生物变化微重力影响基因表达模式改变行星保护防止地球微生物污染其他星球原核基因组与古菌研究古菌基因组特征极端环境适应进化地位独特的DNA复制与修复系统嗜热、嗜盐、产甲烷能力与真核生物更近的亲缘关系真核生物相似的转录机制特殊膜脂结构生命树中的重要位置原核基因组与微生物组学原核基因组与个性化医疗肠道菌群分析确定个体微生物组成益生菌筛选选择适合个体的菌株疾病预防调节微生物组防病原核基因组研究的伦理问题改造微生物安全性合成生命伦理争议生物安全评估标准创造生命的伦理边界资源获取与惠益分享微生物资源国际公约原核基因组研究的未来展望单细胞技术发展单个微生物全组学分析功能基因组学深入完整解析基因功能网络合成基因组学应用定制化微生物工厂原核基因组研究的挑战环境中的动态研究实时监测基因组变化功能未知基因大量基因功能待解析大数据分析海量数据整合处理总结原核基因组研究的意义科学探索揭示生命本质生物技术应用工业和医药生产健康与环境改善人类生活质量问题与讨论课程回顾小组讨论题目学习资源关键知识点总结实际案例分析与解决推荐书籍和在线课程。