蓝藻基因组结构、功能与调控模式的生物信息学研究

摘要

蓝藻是现今已知的最古老、最简单的一类微生物。由于蓝藻基因组较小，所以对其基因组结构与功能进行研究可以更容易和更快地获得比较完整的信息，而这些信息能够被应用于药物生产、疫苗开发和疾病防治。非编码小RNA(sRNA)参与调控多种生物学过程，例如转录调节、染色体复制、RNA加工与修饰以及蛋白质翻译与降解。对蓝藻sRNA的研究可以让我们深入了解蓝藻细胞复杂的调控机制，对于制作RNA干扰片段用于基因沉默实验、揭示人类胚胎发育以及抑制肿瘤等方面具有重要意义。蓝藻能够主动适应不同的环境，也能够对周围的生态系统产生重要影响。pH作为一种重要的环境信号，它能影响蓝藻的生理过程和毒素合成，对其酸应答调控机制的研究可以为抗生素的研制提供理论基础。本文从蓝藻菌株的基因组入手，采用生物信息学方法和工具，首先系统地分析了最新测序的蓝藻基因组结构，解释其重要基因和蛋白质的功能，然后着重探讨了蓝藻sRNA的结构、功能和调控模式，最后构建了蓝藻对酸胁迫的基因调控网络，并分析了蓝藻细胞的酸胁迫应答机制。
　　本文主要包括以下三部分内容：
　　1. Synechococcus PCC7336基因组结构解析。我们通过构建本地比对数据库和本地注释数据库，对已测序的蓝藻菌株Synechococcus PCC7336进行解析。首先预测了该菌株基因组上编码基因的个数、GC含量和偏移率、核心 RNA基因数量和常见的重复序列，并通过与蓝藻其他菌株相关数据对比来显示出Synechococcus PCC7336的差异性。接着，分析和归纳了该菌株参与光合作用、信号传导和调控代谢的基因功能。最后，基于16S rRNA构建进化树，结果显示Synechococcus PCC7336在进化过程中与聚球藻其他菌株的差异较大，推测Synechococcus PCC7336是聚球藻属一个独立的分支。
　　2.非编码RNA及基因岛的功能研究。蓝藻非编码RNA Yfr家族到目前为止已发现20个成员，但相关研究报道甚少。我们着重以Yfr1和Yfr7为研究对象。通过序列比对，我们首先发现了Yfr1和Yfr7都有一段非常保守的区域，具有独立的启动子和终止子。它们的二级结构呈现茎-环-茎的排列方式。然后，以经典的Waterman算法并结合杂交能量来预测Yfr7所调控的目标基因，并阐述了这些基因的细胞分布、分子功能和参与的生物学过程。接着，对 Yfr1和Yfr7作进化分析，结果显示它们都与蓝藻菌株种类和生活环境有关。同时，我们也对 Yfr家族的其他成员做了概括性的分析和总结。最后，我们预测出Synechocystis PCC6803所含有的11个基因岛的具体位置，并根据实际作用对这些基因岛进行了分类。
　　3.低酸环境下蓝藻基因调控网络的构建。我们首先从大肠杆菌、乳球菌和沙门氏菌中收集与酸胁迫应答相关的基因并将它们映射到 Synechocystis PCC6803基因组上，构建含有85个基因的初始模板。然后利用基因簇排列特点、全局性调控子、蛋白质相互关系和基因系统发育谱关系对初始模板进行了扩展，构建出一个含有264个基因的完整模板，并根据功能将它们分为6类。随后我们对基因做富集分析，并结合已有文献证实预测结果的可靠性，并绘制出基因之间的连接关系图。最后我们总结出 Synechocystis PCC6803在低酸应答时细胞调控的主要步骤和模型。研究结果表明，一些基因的产物能参与多条代谢反应。
　　我们采用生物信息学方法，以个体为单位，从序列、结构到进化、调控等多角度和多层次对蓝藻菌株进行了解析，得到了许多有用的信息，同时也填补了一些国内外的研究空白。蓝藻在生物燃料、绿色肥料和食品生产等多个方面都具有重要意义，我们的研究能够为蓝藻在经济生产和生态保护等领域提供指导价值。

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第一章 绪 论

1.1 研究工作的背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 相关生物信息学工具概述

1.4 本文的主要贡献与创新

1.5 本论文的结构安排

第二章 蓝藻新菌株基因组结构解析

2.1 引言

2.2 材料和方法

2.3 结果

2.4 本章小结

第三章 蓝藻非编码RNA及基因岛研究

3.1 引言

3.2 材料和方法

3.3 结果

3.4 本章小结

第四章 酸环境下蓝藻基因调控机制的研究

4.1 引言

4.2 材料和方法

4.3 结果

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间研究成果