乳酸菌DNA序列分析與功能基因研究現(xiàn)狀

摘要：乳酸菌在食品發(fā)酵業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用，被認(rèn)為是加強健康食品生產(chǎn)的益生菌。關(guān)于多種乳酸菌的基因組測序和功能基因組的研究加快了對乳酸菌多樣性和進化的理解，并且揭示了重要特性的分子基礎(chǔ)。隨著目標(biāo)試驗的證實、代謝工具的開發(fā)、網(wǎng)絡(luò)工具的利用，生物信息學(xué)工具以及數(shù)據(jù)庫重新構(gòu)建代謝途徑為食品和飼料菌種提供了新的開發(fā)途徑。

關(guān)鍵詞：乳酸菌；基因組；生物信息學(xué)；多樣性；代謝重建

中圖分類號： Q789文獻標(biāo)志碼： A文章編號：1002-1302（2014）10-0040-02

收稿日期：2013-12-05

基金項目：上海理工大學(xué)科研啟動基金（編號：A2500130104）。

作者簡介：葉?。?981—），女，黑龍江大慶人，博士，講師，主要從事生物工程研究。E-mail：beatificy@hotmail.com。含有乳酸菌的發(fā)酵劑，如乳桿菌、乳球菌等，對于很多食物如牛奶、肉類、蔬菜、谷類的發(fā)酵起重要作用。這些菌種發(fā)酵主要產(chǎn)生有防腐作用的乳酸，影響產(chǎn)品的風(fēng)味及質(zhì)地[1-3]。 乳酸菌在發(fā)酵中還有其他重要的功能，人們在不同的環(huán)境中發(fā)現(xiàn)了各種特性的菌種[4-6]。隨著乳酸菌基因組數(shù)據(jù)的公布，生物信息學(xué)對乳酸菌功能特性研究作用越發(fā)重要。本研究介紹了乳酸菌DNA序列分析與功能基因研究現(xiàn)狀，旨在為開發(fā)利用乳酸菌資源提供依據(jù)。

1基因組、質(zhì)粒

乳酸菌全基因組大小相對一致，約為1.8～2.6 Mb，植物乳桿菌全基因組大小約為3.3 Mb。過去20年，分子遺傳學(xué)家一直青睞的不含質(zhì)粒的L.lactis ssp. Cremoris MG1363測序已經(jīng)完成。通過將其與L.lactis ssp. Lactis IL1403染色體共線性綁定，以非常相近的菌種或菌種的全基因組為模板完成原核基因組定位。對Lactobacillus brevis KB290的9個質(zhì)粒測序分析表明，L. brevis KB290有很好的穩(wěn)定性[7]。乳酸菌特別是乳球菌也含有多種質(zhì)粒，大小為2～130 kb。所有已知的乳酸菌質(zhì)粒的詳細信息都可以在質(zhì)粒數(shù)據(jù)庫中找到。一些乳酸菌特別是鏈球菌有很多轉(zhuǎn)座子復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，意味著更高的遺傳學(xué)可塑性。含有很長的相似重復(fù)片段的大質(zhì)粒的出現(xiàn)為基因組測序增加了復(fù)雜性。隨著全基因組、質(zhì)粒測序數(shù)量的增長，數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)及表征對于描述這些序列多種信息的應(yīng)用變得越來越重要。例如，Genome Atlas 是一個呈現(xiàn)所有基因組序列的非交互網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)工具。Microbial Genome Viewer允許使用者在交互式途徑下結(jié)合復(fù)雜的基因組數(shù)據(jù)庫，使公布的基因組數(shù)據(jù)庫中環(huán)形、線形染色體圖譜交互產(chǎn)生。

2比較基因組

如果基因組以標(biāo)準(zhǔn)方式進行分類，那么全體微生物基因組序列及編碼蛋白比較將會非常便利，因為有很多不同的分類系統(tǒng)可以使用。目前，一些基因組數(shù)據(jù)庫對所有公布的基因組和未完成的基因組采用標(biāo)準(zhǔn)格式進行自動注釋，這些數(shù)據(jù)庫經(jīng)常鏈接比較基因組的生物信息學(xué)工具。研究表明，L. gasseri、L. acidophilus、L. johnsonii的基因組含量、基因序列、基因組組織有很高的相似性。所有這些源于腸道的乳酸菌線性基因組分析有一些長的、相同的片斷，偶爾有些間斷、缺失。

3乳酸菌的多樣性和進化

全球有很多不同的乳酸菌發(fā)酵劑，人們對這些菌種顯性特征的遺傳學(xué)組成以及種與屬之間的進化關(guān)系了解得很少。表型篩選、分類仍然是分析乳酸菌多樣性的主要工具。有學(xué)者對kimchi發(fā)酵乳中的Leuconostoc mesenteroides、L. sakei、 Weissella koreensis、 Lc. gelidum、 Lc. carnosum、 Lc. gasicomitatum 6種乳酸菌環(huán)境進行轉(zhuǎn)錄分析，發(fā)現(xiàn)乳酸發(fā)酵基因積極參與了表達[8]。隨著乳酸菌全基因組測序的完成，可以通過DNA-DNA比較基因組雜交篩選收集的乳酸菌分析全DNA水平的多樣性[9]。以前在一些其他微生物中也使用過這種分析方法，包括Campylobacter jejuni、Streptococcus agalactine、Escherichia coli（基因芯片）。全基因組Barcode圖提供了一些可視這些數(shù)據(jù)的方式。另一種方式是將Barcode圖與計算機基因組分析結(jié)合，包括局部GC含量、堿基偏差索引、密碼子適應(yīng)性索引、公布基因組數(shù)據(jù)。在很多情況下，高突變的區(qū)域與同區(qū)域堿基背離指數(shù)相關(guān)聯(lián)，相對于全基因組暗示了其近水平的轉(zhuǎn)移。

4壓力反應(yīng)及調(diào)節(jié)

乳酸菌發(fā)酵劑在生產(chǎn)、儲藏、應(yīng)用時壓力不斷改變。人們關(guān)于乳酸菌在工業(yè)加工中的反應(yīng)知識大多是通過經(jīng)驗得到的?；蚪M學(xué)提供了將基因組序列信息與基因表達數(shù)據(jù)結(jié)合在一起的機會，可以鑒定不同乳酸菌的特殊發(fā)酵特性的基因及蛋白質(zhì)（生長需求、風(fēng)味形成、不同條件下生存）。通過比較基因組分析了30個乳酸菌的基因組、102個轉(zhuǎn)錄因子，包括47個未鑒定的調(diào)控因子，對S.thermophilus、Lactobacillaceae這2個不同的調(diào)控菌株也分析了一些轉(zhuǎn)錄水平。基因組知識可以幫助人們預(yù)測乳酸菌在不同pH值、不同溫度下的發(fā)酵行為，并提供與他們宿主的對抗參數(shù)[10-11]。共生菌可以彼此提供所需要的營養(yǎng)，例如酸奶中的Lactobacillus bulgaricus、S. thermophilus?；蚪M序列數(shù)據(jù)能在全球基因組中揭示乳酸菌彼此之間、乳酸菌和其他微生物之間的相互作用機制。

5代謝重建

雖然乳酸菌最初的序列功能可以通過他們的全基因組序列推測，但是還有20%～40%的已鑒定部分還不知道其功能，因為沒有相應(yīng)功能的同源蛋白與之比較。盡管還不能確定，但是第1個自動代謝重建已經(jīng)可以在途徑數(shù)據(jù)庫如KEGG、WIT等上完成。轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)可以添加到代謝網(wǎng)絡(luò)中，分析調(diào)節(jié)子，調(diào)控路徑。網(wǎng)絡(luò)工具系統(tǒng)的開發(fā)是在穩(wěn)定情況下大量代謝平衡基礎(chǔ)之上的，這種基因組范圍的代謝網(wǎng)絡(luò)分析能預(yù)測最大產(chǎn)量、調(diào)控位點、優(yōu)化流量分配。一些軟件工具可以用于代謝網(wǎng)絡(luò)分析，包括公共域、私人域。

6結(jié)論

乳酸菌基因組測序的完成有利于分析、比較乳酸菌種的全基因組細節(jié)，更有助于篩選具有特殊特性的菌種，有助于現(xiàn)有的菌種和新的衍生物種穩(wěn)定基因組排列的維持、設(shè)計。

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