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嗜酸乳杆菌基因组的研究进展

发表时间:2020-10-06 08:12作者:朱德全  尹 红  张路路 张 武  张跃华   佳木斯大学理学院

嗜酸乳杆菌(Lactobacillus acidophilus) 是乳杆菌科中的乳杆菌属,为 G+菌,形态呈细长杆状,是机体肠道内重要的益生菌之一。该菌与宿主健康息息相关,具有调节肠道微生物菌群、增强免疫力、降低血脂和血清胆固醇、抑制病原菌等益生功能,现已被越来越多地用于食品、医药、饲料等领域。

嗜酸乳杆菌参考菌株 NCFM(Lactobacillusacidophilus NCFM)是一种重要的商业化益生菌株,经常以益生菌的形式应用在婴儿配方乳粉、酸奶和液态乳制品中。

2005 年 Altermann 等人对该菌株进行了全基因组测序,该菌株基因组全长为 1.99 Mb,G+C 含量为34.7,1927 个基因,1832个编码蛋白。越来越多的嗜酸乳杆菌菌株完成基因组测序,本文就嗜酸乳杆菌基因组的最新研究进展、重要功能基因和比较基因组进行了综述,旨在进一步挖掘功能基因提供参考。

嗜酸乳杆菌基因组概况

随着第一株嗜酸乳杆菌 NCFM 全基因组测序的完成,从基因组层面上,揭示了该菌的细菌素编码基因簇、胞外多糖,蛋白水解系统,碳水化合物代谢,黏附因子等方面的基因组特征。从此以后,越来越多的菌株被基因组测序,至2017 年 4 月,完成嗜酸乳杆菌基因组全图菌株有 3 株,基因组草图 15 株。已完成的嗜酸乳杆菌全基因组测序的基因组概况见表 1,基因组草图见表 2。

从表 1 可以看出,已经完成全基因组测序的嗜酸乳杆菌菌株有 3 株,NCFM、La - 14 和 FSI4。嗜酸乳杆菌的基因组大小在 1.99Mb 左右,GC 含量 34%,基因数目从1927-1948,蛋白数目从1832-1845。基因组草图15株,其中菌株:嗜酸乳杆菌乳亚种 DSM 9126 编码基因和蛋白数目最多,基因数目为 1944,蛋白数目 1827。


表 1 嗜酸乳杆菌全基因组测序基因组概况

序号

菌株及编号

登陆号

基因组(Mb)

CG%

蛋白数

基因数

1

嗜酸乳杆菌乳亚种   NCFM

CP000033.3

1.99356

34.70

1832

1927

2

嗜酸乳杆菌乳亚种  La-14

CP005926.2

1.99158

34.70

1835

1948

3

嗜酸乳杆菌乳亚种   FSI4

CP010432.1

1.99197

34.70

1845

1948


表 2 嗜酸乳杆菌基因组草图概况

序号

菌株及编号

基因组(Mb)

CG%

蛋白数

基因数

1

嗜酸乳杆菌乳亚种 ATCC 4796

2.0205

34.70

1802

1957

2

嗜酸乳杆菌乳亚种 CIP 76.13

1.95182

34.60

1779

1935

3

嗜酸乳杆菌乳亚种 DSM 9126

1.99176

34.60

1827

1944

4

嗜酸乳杆菌乳亚种 CIRM - BIA 445

2.00201

34.60

1819

1937

5

嗜酸乳杆菌乳亚种 DSM 20079

1.95404

34.60

1787

1913

6

嗜酸乳杆菌乳亚种 DSM 20242

2.04786

34.70

1865

1987

7

嗜酸乳杆菌乳亚种 CIRM - BIA 442

1.98699

34.70

1841

1947

8

嗜酸乳杆菌乳亚种 CFH

1.971

34.60

1815

1931

9

嗜酸乳杆菌乳亚种 DSM 20079

1.94772

34.60

1668

1906

10

嗜酸乳杆菌乳亚种 ATCC 4356

1.9567

34.60

1780

1914

11

嗜酸乳杆菌乳亚种 DSM 20079

1.95527

34.60

1786

1922

12

嗜酸乳杆菌乳亚种 WG - LB - IV

1.95169

34.60

1815

1944

13

嗜酸乳杆菌乳亚种 KLDS 1.0901

1.99232

34.70

1835

1955

14

嗜酸乳杆菌乳亚种 L - 55

2.00951

34.60

1854

1985

15

嗜酸乳杆菌乳亚种 CFH

1.25238

34.80

-

-


嗜酸乳杆菌重要功能基因

嗜酸乳杆菌基因组中含有调控多糖代谢的操纵子msm,该操纵子与低聚糖的转运有关。同时,基因组中含有能够利用多种低聚糖酶类的编码基因,如:转化酶(EC 3.2.1.26),菊粉酶(EC 3.2.1.7),果聚糖酶(EC3.2.1.65),呋喃果糖苷酶(EC 3.2.1.26),果聚糖酶(EC 3.2.1.80)和果聚糖水解酶(EC 3.2.1.64)。在基因组中尽管这些酶类定义多样化,但它们都属于转化酶家族的成员,包括糖基水解酶 32 和 68。基因组中编码双组份调控系统,作为环境胁迫应答的调节子,如嗜酸乳杆菌 NCFM 基因组中含有 12 个双组份调控系统的蛋白构件编码基因:LBA0001、LBA1700、LBA0603LBA1798、LBA0083、LBA0079、LBA0602、LBA1799、LBA1969、LBA1431、LBA0078 和LBA1659。 嗜酸乳杆菌中这些双组份调控系统中的转录调节蛋白在胆盐胁迫中调控碳水化合物代谢相关基因的转录水平以应对胆盐胁迫。

同时基因组中还含有种类齐全的分子伴侣蛋白,如嗜酸乳杆菌 NCFM 基因组中含有 HSP20, HSP33,GroEL,Clp, DnaJ, DnaK, GrpE, HtpX 等种类的分子伴侣蛋白,同样在环境胁迫应答中发挥重要作用。

展望

通过对大量嗜酸乳杆菌基因组进行全基因组测序,可获得基因组结构差异、物种进化及功能基因等相关信息。

嗜酸乳杆菌基因组学的研究将加速其理论和应用研究的进程,也将从基因组水平上分析嗜酸乳杆菌分类系统和揭示该菌的进化规律,加速优良菌株的选育和改造奠定理论基础。同时随着嗜酸乳杆菌转录组学和蛋白质组学以及相关交叉学科如生物信息学、计算机科学等学科的进一步发展,深入挖掘基因组数据,促进嗜酸乳杆菌的应用。



资料来源:

May.2017 ·中国科技信息 2017 年第 10 期

DOI:10.3969/j.issn.1001- 8972.2017.10.029

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