DOC-核糖体核糖核酸基因簇在细菌系统分类中的研究进展

DOC-核糖体核糖核酸基因簇在细菌系统分类中的研究进展 核糖体核糖核酸基因簇在细菌系统分类中的研究进 展 医学综述2004年第10卷第2期 ?MedicalRecapitulate2004,Vol.10,No.2 withprostatecarcinomaandbenignprostatehyperplasia[J].Cancer,1997,79(1):104-109. ThielRP,OesterlingJE,WojnoKJ,etal.Multicentercomparisonofthediagnosticperformanceoffreeprostate- specificantigen[J].Urology,1996,48[6ASuppl]:45-50. CatalonaWJ,SmithDS,WolfertRL,etal.Evaluationofpercentageoffreeserumprostate- specificantigentoimprovespecificityofprostatecancerscreening[J].JAMA,1995,274(15):1214-1220. HaeseA,GraefenM,NoldusJ,etal.Prostaticvolumeandratiooffree-to-totalprostatespecificantigeninpatientswithprostaticcancerorbe-nignprostatichyperplasia[J].JUrol,1997,158(6):2188-2192. ChenYT,LudererAA,ThielRP,etal.Usingproportionsoffreetoto-talprostate-specificantigen,age,andtotalprostate- specificantigentopredicttheprobabilityofprostatecancer[J].Urology,1996,47(4):518-524. GravesHC.Standardizationofimmunoassaysforprostate-specificant-igen:aproblemofprostate- specificantigencomplexationoraproblemofassaydesgn[J].Cancer,1993,72(11):3141-3144. SemjonowA,BrandtB,OberpenningF,etal.Discordanceofassaymethodscreatespitfallsfortheinterpretationofprostate- specificantigenvalues[J].Prostate,1996,7[Suppl]:3-16. WoodrumD,FrenchC,ShamelLB.Stabilityoffreeprostate- specificantigeninserumsamplesunderavarietyofsamplecollectionandsam-plestorageconditions[J].Urology,1996,48[6ASuppl]:33-39. PausE,NilssonO,BormerOP,etal.Stabilityoffreeandtotalprostate ?69? specificantigeninserumfrompatientswithprostatecarcinomaandbe-nignhyperplasia[J].JUrol,1998,159(5):1599-1605. OrnsteinDK,SmithDS,HumphreyPA,etal.Theeffectofprostatevo-l ume,age,totalprostatespecificantigenlevelandacuteinflammationonthepercentageoffreeserumprostatespecificantigenlevelsinmenwithoutclinicallydetectableprostatecancer[J].JUrol,1998,159(4):1234-1237. OrnsteinDK,RaoGS,SmithDS,etal.Effectofdigitalrectalexamina-tionandneedlebiopsyonserumtotalandpercentageoffreeprostatespecificantigenlevels[J].JUrol,1997,157(1):195-198. LechevallierE,EchazarianC,OrtegaJC,etal.Kineticsofpostbiopsylevelsofserumfreeprostate-specificantigenandpercentfreeprostate-specificantigen[J].Urology,1999,53(4):731-735.马云波,李仁寿,孙茸, 等?F?T比值在前列腺癌筛选中的应用价值[J].临床泌尿外科杂 志,2002,17(4):159-160.费世宏,曾甫清?血清T-PSA、F?T在前列腺疾病 诊断中的意义[J].临床泌尿外科杂志,2002,17(6):289-291.程怀瑾,王国民, 何家扬,等?PSA、F?TPSA及PSAD在前列腺癌诊断中的意义[J].中华泌尿 外科杂志,2003,24(2):140- 141.CatalonaWJ,SouthwickPC,SlawinKM,etal.ComparisonofpercentfreePSA,PSAdensity,andAGE-specificPSAcutoffsforprostatecan-cerdetectionandstaging[J].Urology,2000,56(2):255-260. 林毅,李黎明,强万明,等?游离与总PSA比值检测在前列腺癌诊断中的作 用[J].中华泌尿外科杂志,2003,24(4):287. 收稿日期:2003-09-06?修回日期:2003-12-11 [5]?[6]? [13]? [14]?[15]? [7]? [8]? [16]?[17]?[18]?[19]? [9]?[10]? [11]? [20]? [12]? 核糖体核糖核酸基因簇在细菌系统分类中的研究进展 沈德新(综述),封志纯(审校) (中国人民解放军第一军医大学附属珠江医院,广东广州510282) 关键词:rRNA基因簇;细菌;系统分类学中图分类号:Q933.09文献标识码:A 文章编号:1006-2084(2004)02-0069-03 对较短,故提供系统分类的总信息相对较少。16S-23SrRNA基因间隔区位于16SrRNA和23SrRNA基因之间,内部常有tRNA 基因插入序列,此插入序列的数目和种类可因不同的细菌而异[3];该间隔区虽然没有特定的功能,但因其进化速率比16-SrRNA基因大10多倍,使得不同属、种以及株的细菌在该间隔区的序列长度和种类不同。23S-5SrRNA基因间隔区位于23SrRNA和5SrRNA基因之间,其内部基因的变异性与16S-23SrRNA基因间隔区相同,至今尚未在此区发现插入序列。2?16SrRNA基因在细菌系统分类学中的应用 16SrRNA是核糖体小亚基的骨架,为蛋白合成的必要场所,它的编码基因存在于所有的细菌中。在长期进化过程中16SrRNA基因受到的选择压力比较大,序列变化缓慢,每1%的碱基取代需5?107年的漫长时间[4],16SrRNA基因具有分子计时器的特点,能跨越整个生命进化过程。16SrRNA基因序列中含有进化速度不同的区域,可用于进化程度不同的生物之间的系统分类研究。由于16SrRNA基因所含信息比5SrRNA基因序列多且长度适中,又不像23SrRNA 基因序列太长而不易全序列测定,所以,16SrRNA基因在细菌分类研究中成为最常的选用区段。 迄今为止,16SrRNA基因序列同源性分析已成为细菌系统分类的?金指标?。Woese等[5]首先利用16SrRNA基因序列同源性分析发现了一群产甲烷细菌,命名为古菌,从而认为生命是由细菌域、古菌域和真核生物域所构成,并由此构建了一个生命进化树。此后利用16SrRNA基因将细菌域中可培养的细菌分为产液菌目、栖热袍菌目、绿色非硫细菌、蓝细菌、低G??细菌在生物的起源、遗传、演化中具有重要的作用和研究 价值,早先细菌的鉴定、分类是根据生物学和抗原性特征,结合生态学、流行病学资料人为地加以分类,即以 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 型特征为基础的分类。随着核酸分析技术的问世,细菌系统分类学得到了很大的发展,而核糖体核糖核酸(ribosomaribonucleicacid,rRNA)基因簇序列分析技术在细菌分类学中的应用,日益引起相关学者的关注,并使细菌系统分类学进一步完善。1?核糖体核糖核酸基因簇的结构 rRNA基因簇是指细菌染色体上编码rRNA相对应的基因序列,由结构区及 5SrRNA三部分基因,其序列长间隔区组成。结构区包括16SrRNA、23SrRNA、 度依次是1.6kb、3.3kb、0.12kb;间隔区包括16S-23SrRNA和23S-5SrRNA2个编码基因[1]。除了普氏立克次体等少数几种细菌的16SrRNA、23SrRNA以及5SrRNA基因在染色体上被分隔开,绝大多数细菌rRNA基因位于一个操纵子上[2]。16SrRNA基因在结构上分为保守区、半保守区和非保守区,保守区序列基本恒定,半保守及非保守区序列因不同种、属细菌而异,一般不同属细菌16SrRNA基因同源性为70%~90%,而同一种内不同株间基因同源性>99.5%。23SrRNA基因在结构上与16SrRNA相似,但前者序列较长,可变性比后者更明显,有时在此区域内还可有长度不等的插入序列。5SrRNA基因序列也具有保守区与; ?70? 医学综述2004年第10卷第2期 ?MedicalRecapitulate2004,Vol.10,No.2 细菌群、噬纤维?屈拢杆菌?拟杆菌群、丝状杆菌群、螺旋体群、浮霉状菌?衣原体群以及紫色细菌群等12个类群。徐毅等对11个嗜盐古细菌菌株进行分析发现,无论是在属的分类层次上还是在种的分类层次上,它们的16SrRNA基因序列都有很多相似处,结果与?伯杰氏细菌系统分类手册?中嗜盐古细菌分成一个科和6个属的分类系统完全相同。16SrRNA基因同源性 分析不仅能对新分离的细菌进行准确定位,而且能对一些不适当的细菌分类进行校正。经16SrRNA基因同源性分析发现,从临床标本中分离的未知棒状杆菌为放线菌属中的一个成员,因它与放线菌属中其他成员的同源性为90%,从而确定它为放线菌属中的一个新种[7]。Woo等[8]从8个免疫缺陷患者血液中分离了8株弯曲杆菌,由于它们生长所需的温度较高,传统的生物化学试验不能鉴定它们到底是耐热胎儿弯曲菌,还是H2S阴性的豕肠弯曲菌或者是弯曲菌的一个新种,经16SrRNA基因同源性分析发现,它们与耐热胎儿弯曲菌AF219233株具有完全相同的编码基因,从而明确了这8个弯曲杆菌属于耐热胎儿弯曲菌。Bosshard等[9]利用16SrRNA基因序列同源性分析对一株新分离的低G+C含量革兰阳性杆菌MOL722(T)株进行分类,发现它与类芽孢杆菌p15-9的同源性为98.5%,与类芽孢杆菌属其他成员同源性却少于94%,从而把它定位类芽孢杆菌属的一个新菌种。Holmes等把栖稻黄色单胞菌立为黄色单胞菌属,AnzaI等[10]应用16SrRNA基因序列对假单胞菌属中的27个代表株及黄色单胞菌属进行同源性分析,发现黄色单胞菌属与假单胞菌属的序列同源性>93.9%,从而把黄色单胞菌归在了假单胞菌属中,使这种细菌分类得到校正。16SrRNA基因同源性分析不但可以进行细菌的分类,而且可以了解不同菌属、菌种在遗传进化方面的距离。如所有的立克次体依其16SrRNA基因同源性分析均属于变形菌纲,包括在?和?群中,而斑疹伤寒群中莫氏立克次体与普氏立克次体之间有7个碱基的不同,二者与斑点热群中立氏立克次体分别有20与30个碱基的不同,这表明莫氏立克次体与普氏立克次体亲缘 关系更近,二者与立氏立克体亲缘关系更远[11]。 16SrRNA在细菌系统分类学研究中起到了重要作用。但因其在进化过程中所受的选择压力较大,相对16SrRNA-23SrRNA区间来说变异较小使其应用受到一定程度限制。16-SrRNA序列同源性分析比较适合于属以上的分类阶元,而对于属以下的分类单位,16SrRNA序列分析的分辨率明显不足。3?23SrRNA基因在细菌系统分类学中的应用 23SrRNA存在于细菌核糖体大亚基中,几乎为所有细菌所共有。其编码基因在细菌系统分类学研究中提供了充足的信息。Ludwig等[12]利用23SrRNA和16SrRNA基因序列构建了细菌域中两棵系统发育树(图1)。这两棵树中的分支次序是完全一样的,产液菌属位于发育树的根部,说明它是最古老的细菌;硫绿杆菌属与噬纤维菌属从同一个分支点发出并且与其他分支相比,二者距离最短,说明二者亲缘关系最近;绿色不含硫菌与异常球菌属在23SrRNA基因树中距离较远,而在16SrRNA基因树中距离较近,说明23SrRNA基因序列在亲缘关系近的种系分类上具有更强的鉴别能力。图中23SrRNA基因树的分支在总体上长于16SrRNA基因树,提示23SrRNA ,[6] 多可利用的信息。23SrRNA基因在漫长的生物进化过程中除了有碱基的改变外,常常有基因的插入或缺失。稳定的插入序列位于23SrRNA基因的?区,约为100bp,存在于所有高G+Cmol%革兰阳性细菌群中,在耶尔森菌、沙门菌、弯曲菌、钩端螺旋体、假单胞菌等细菌23SrRNA基因中也发现了90~100bp插入序列,这些插入序列具有种属特异性。主要的缺失也存在于23SrRNA基因的?区,约80bp,它是变形菌a-群的特征标志,而在其他细菌发育群中未被发现。所以,23SrRNA基因序列中的缺失是分类变形菌a-群最有力的证据[12]。Haring等[13]利用23SrRNA基因序列对分支杆菌属进行分析,发现副结核杆菌与鸟分支杆菌的同源性达99.7%,二者具有更近的亲缘关系。Harmsen等[14]利用23SrRNA基因对94株细菌PCR扩增后进行序列分析分类出了莫拉菌属、奈瑟菌属和不动杆菌属不同的种。 由于23SrRNA基因序列较长和目前所知的23SrRNA基因序列相对较少,所以,23SrRNA基因在细菌系统分类中的应用还很不完善。同时由于23SrRNA基因序列具有变异性大和信息量大等特点,使23SrRNA基因在细菌系统分类学的型、种、属鉴定中具有重要的作用。相信随着更多细菌23SrRNA基因测序的完成,23SrRNA基因在细菌系统分类学研究中会得到更广泛的应用。 图1?依据14个细菌类群16SrRNA建立的系统发育树 图2?依据14个细菌类群23SrRNA建立的系统发育树 4?5SrRNA基因在细菌分类学中的应用 医学综述2004年第10卷第2期 ?MedicalRecapitulate2004,Vol.10,No.2 ?71? 菌分类由人为系统逐渐向自然系统过渡。随着更多细菌rRNA基因序列测 序完成及对rRNA基因研究的深入,rRNA基因簇在细菌系统分类学中的应用 将会越来越广泛。参考文献: [1]?GurtlerV,StanisichVA.Newapproachestotypingandidentificationof bacteriausingthe16S- 23SrDNAspacerregion[J].Microbiology,1996,142(Pt1):3-16. [2]?AndersonSG,ZomorodipourA,WinklerHH,etal.Unusualorganiza-tionoftherRNAgenesinRickettsiaprowazekii[J].JBacteriol,1995, 177(14):4171-4175.[3]?Leblond- BourgetN,PhilippeH,ManginI,etal.16SrRNAand16Sto 23Sinternaltranscribedspacersequenceanalysesrevealinter-andin-traspecificBifidobacteriumphylogeny[J].IntJSystBacteriol,1996,46(1):102-111. [4]?OchmanH,WilsonAC.Evolutioninbacteria:evidenceforauniversal substitutionrateincellulargenomes[J].JMolEvol,1987,26(1-2):74-86. [5]?WoeseCR,FoxGE.Phylogeneticstructureoftheprokaryoticdomain: Theprimarykingdoms[J].ProcNatlAcadSciUSA,1977,74(11):5088-5090. [6]?徐毅,周培瑾.嗜盐古细菌的系统发育分析[J].微生物学报, 1996,36(2):79-86. [7]?DutlyF,AltweggM.Whipple?sDiseaseand?Tropherymawhippelii? [J].ClinMicrobiolRev,2001,14(3):561- 583.[8]?WooPCY,LeungKW,TsoiHW,etal.Thermo-tolerantCampylobacter fetusbacteraemiaidentifiedby16SribosomalRNAgenesequencing:anemergingpathogeninimmunocompromisedpatients[J].JMedMicrob-i ol,2002,51(9):740-746. [9]?BosshardPP,ZbindenR,AltweggM.Paenibacillusturicensissp.nov,a novelbacteriumharbouringheterogeneitiesbetween16SrRNAgenes[J].IntJSystEvolMicrobiol,2002,52(Pt6):2241-2249. [10]?AnzaiY,KudoY,OyaizuH.Thephylogenyofthegenera Chryseomonas,Flavimonas,andPseudomonassupportssynonymyofthesethreegenera[J].IntJSystBacteriol,1997,47(2):249- 251.[11]?DrancourtM,RaoultD.TaxonomicPositionofRickettsiae:Current Knowledge[J].FEMSMicrobiolRev,1994,13(1):13-14. [12]?LudwigW,SchleiferKH.Bacterialphylogenybasedon16Sand23S rRNAsequenceanalysis[J].FEMSMicrobiolRev,1994,15(2-3):155-173. [13]?vanderGiessenJW,HaringRM,vanderZeijstBA.Comparisonofthe 23SribosomalRNAgenesandthespacerregionbetweenthe16Sand23SrRNAgenesofthecloselyrelated,mycobacteriumaviumandmyco- bacteriumparatuberculosisandthefas- tgrowingmycobacteriumphlei[J].Microbiology,1994,140(Pt5):1103-1108. [14]?HarmsenD,SingewC,RothgangerJ,etal.Diagnosticsofneisseriaceae andmoraxellaceaebyribosomalDNAsequencing:ribosomaldifferentia-tionofmedicalmicroorganisms[J].JClinMicrobiol,2001,39(3):936-942. [15]?东秀珠,蔡妙英.常见细菌系统鉴定手册[M].第1版.北京:科 学出版社,2001.119-177. [16]?夏潜,范宝玲.肺炎克氏杆菌(Klebsiellapneumoniae)5SrRNA的结 构研究[J].生物化学与生物物理学报,1988,20(5):551-554. [17]?JensenMA,WebsterJA,StrausN.Rapididentificationofbacteriaon thebasisofpolymerasechainreaction- amplifiedribosomalDNAspacerpolymorphisms[J].ApplEnvironMicrobiol,1993,59(4):945-952. [18]?RothA,FischerM,MohamedEH,etal.Differentiationofphylogenet-i callyrelatedslowlygrowingmycobacteriabasedon16S- 23SrRNAgeneinternaltranscribedspacersequences[J].JClinMicrobiol,1998,36(1):139-147. [19]?ErnstA,BeckerS,WollenzienUI,etal.Ecosystem- dependentadaptive radiationsofpicocyanobacteriainferredfrom16SrRNAandITS-1se-quenceanalysis[J].Microbiology,2003,149(Pt1):217-228. [20]?MasuzawaT,FukuiT,MiyakeM,etal.Determinationofmembersofa Borreliaafzeli-irelatedgroupisolatedfromIxodesNipponensisinKorea asBorreliavalaisiana[J].IntJSystBacteriol,1999,49(Pt4):1409-1415. :2003?:序列,也可以用在细菌属、种的分类上。MacDonell等应用 5SrRNA基因序列分析认为,邻单胞菌属与奇异变形菌的亲缘 关系更密切,应从弧菌科分出转入肠杆菌科的变形菌属。腐败假单胞菌由 于其DNA的G+Cmol%含量的低值(38~50)而区别于假单胞菌属,Baumann等将 其归至交替单胞菌属,而MacDonell等根据5SrRNA基因序列比较后认为应另 立新属???希瓦菌属[15]。夏潜等[16]对肠杆菌科的肺炎克氏杆菌、大肠 杆菌、弧菌科的发光杆菌、固氮菌科的棕色固氮菌、链球菌科的粪链球菌、芽孢杆菌科的巨大芽孢杆菌进行5SrRNA基因序列比较,发现肺炎克氏杆菌与上述5个细菌的同源性分别为:94%、83%、79%、70%、68%,结果与微生物分类相符。5SrRNA基因虽已用于细菌的系统分类中,但因5SrRNA基因序列太短,它可变异的核苷酸位置较少,携带的系统分类信息量不足,不能准确分类亲缘关系远的细菌,因而它在系统分类学中的应用前景受到了限制。 5?16S-23SrRNA基因间隔和5S-23SrRNA基因间隔在细菌分类学中的应用 16S-23SrRNA基因间隔是细菌属内种间或种内分类的理想分子,该间隔在长期的进化选择中导致了不同细菌或同一细菌不同操纵子间所含tRNA基因数目和类型不同。如多数革兰阴性细菌的16S-23SrRNA基因含有间隔tRNAala和tRNAile;而多数革兰阳性菌无tRNA基因,一部分只含有一个tRNAala或tRNAile或二者兼有。由于所含tRNA的差异,不同细菌或同一细菌不同操纵子之间16S-23SrRNA基因间隔长度不同,如大肠杆菌为480bp和540bp;金黄色葡萄球菌为425~705bp[17];附着热变性菌为60bp。16S-23SrRNA基因在数目、长度和组成上的异质性为它在细菌分类学上的应用提 [17]利用16S-23SrRNA基因间隔分析成功地将300株供了依据。Jensen等 细菌归到了8个属的28个种。Roth等[18]利用16S-23SrRNA基因对60株分支杆菌构建系统发育树的分析,发现该树结构与16SrRNA基因构建的系统发育树类似,这说明建立在16S-23SrRNA基因基础之上的细菌分类是可靠的。Ernst等[19]利用16S-23SrRNA基因序列分析,把从波罗的海分离的蓝细菌分成5个类群,同时发现每个群菌株间16SrRNA基因同源性在99.4%~100%,说明16S-23SrRNA基因同源性分析还可用于环境中细菌的分类研究。16S-23SrRNA基因因其高度进化已成为精细分类的分子指标,但它同时也限制了16S-23SrRNA基因在细菌系统分类学的应用,因为在区间内经常有插入和缺失,使区间序列的精确测序受到影响;同时在同一核苷酸上经常发生替换,这也会混淆作为种系发育的分类 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 。5S-23SrRNA基因间隔同16S-23SrRNA基因间隔一样,在进化的过程中也产生了较大的变异,也可用于细菌种间及种内的分类及鉴定。Masuzawa等[20]应用5S-23SrRNA基因间隔构建的螺旋体系统发育树,发现韩国分离的5MT、9MT疏螺旋体株、日本柱形硬蜱中分离的Am501疏螺旋体株与欧洲蓖麻硬蜱中分离的VS116T和UK疏螺旋体株聚为一簇,从而将5MT、9MT和Am501归在瓦莱疏螺旋体属中。但由于5S-23SrRNA基因序列的变异性及基因库中序列的不完善,使其仅用于较少细菌的分类研究。 总之,核糖体基因簇因其特殊的组成结构和演化方式在