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      一、公共微生物學的概念與特征

        大腸桿菌染色體基因組的結構和功能

        大腸桿菌染色體基因組是研究最清楚的基因組。估計大腸桿菌基因組含有3500個基因,已被定位的有900個左右。在這900個基因中,有260個基因已查明具有操縱子結構,定位于75個操縱子中。在已知的基因中8%的序列具有調控作用。大腸桿菌染色體基因組中已知的基因多是編碼一些酶類的基因,如氨基酸、嘌呤、嘧啶、脂肪酸和維生素合成代謝的一些酶類的基因,以及大多數碳、氮化合物分解代謝的酶類的基因。另外,核糖體大小亞基中50多種蛋白質的基因也已經鑒定了。

        除了有些具有相關功能的基因在一個操縱子內由一個啟動子轉錄外,大多數基因的相對位置可以說是隨機分布的。如控制小分子合成和分解代謝的基因,大分子合成和組裝的基因分布在大腸桿菌基因組的許多部位,而不是集中在一起。再如,有關糖酵解的酶類的基因分布在染色體基因組的各個部位。進一步發現,大腸桿菌和與其分類關系上相近的其他腸道菌如志賀氏桿菌屬(Shigella)、沙門氏菌屬(Salmonella)等具有相似的基因組結構。傷寒沙門氏桿菌(Salmonellatyphimurium)幾乎與大腸桿菌的基因組結構相同,雖然有10%的基因組序列和大腸桿菌相比發生顛倒,但是其基因的功能仍正常。這更進一步說明染色體上的基因似乎沒有固定的格局,相對位置的改變不會影響其功能。

        在已知轉錄方向的50個操縱子中,27個操縱子按順時針方向轉錄,23個操縱子按反時針方向轉錄,即DNA兩條鏈作為模板指導mRNA合成的機率差不多相等。在大腸桿菌染色體基因組中,差不多所有的基因都是單拷貝基因,因為多拷貝基因在同一條染色體上很不穩定,極易通過同源重組的方式丟失重復的基因序列。另外,由于大腸桿菌細胞分裂極快,可以在20分鐘內完成一次分裂,因此,攜帶多拷貝基因的大腸桿菌并不比單拷貝基因的大腸桿菌更為有利;相反,由于多拷貝基因的存在,使E.coli的整個基因組增大,復制時間延長,因而更為不利,除非在某種環境下,需要有多拷貝基因用來編碼大量的基因產物,例如,在有極少量乳糖或乳糖衍生物的培養基上,乳糖操縱子的多拷貝化可以使大腸桿菌充分利用的乳糖分子。但是,一旦這種選擇壓力消失,如將大腸桿菌移到有豐富的乳糖培養基上,多拷貝的乳糖操縱子便沒有存在的必要,相反,由于需要較長的復制時間,這種重復的多拷貝基因會重新丟失。

        大腸桿菌染色體基因組中,大多數rRNA基因集中于基因組的復制起點oriC的位置附近。這種位置有利于rRNA基因在早期復制后馬上作為模板進行rRNA的合成以便進行核糖體組裝和蛋白質的合成。從這一點上看,大腸桿菌基因組上的各個基因的位置與其功能的重要性可能有一定的聯系。

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