進化 (Evolution)

?"生命之樹 (Tree of Life)"以原核生物界 (Monera)開始，并通過原生生物 (Protists)延伸。細胞、細胞器?(如線粒體和葉綠體)，以及所有主要的代謝途徑?(Metabolic pathways)都是從早期原核?(Prokaryotic)細胞進化而來的。

"生命之樹"進化譜系 (Evolutionary lineage)的五界系統?(5種背景色)

Monera, 原核生物界；Cyanobacteria, 藍藻；Bacteria, 細菌

Protista, 原生生物界；Unicellular algae, 單細胞藻類；Protozoa, 原生動物

Ref. Fundamentals of Microbiology, 11 Edition, 2018, FIGURE 3.10

?分類學?(Taxonomy)。在生物學中，分類學是根據共同特征對生物的命名、定義 (限定)和分類 (Classifying groups)的科學研究。生物被分成分類單元 (Taxa/Taxon)，這些分類單元被賦予一個分類等級 (Taxonomic rank)；一個給定等級的組可以聚合成一個更高等級的更具包容性的組，從而創建一個分類層次結構?(Taxonomic hierarchy)。現代生物學中，主要的等級是：域 (Domain)、界 (Kingdom)、門?(Phylum，在植物學中有時用"Division")、綱 (Class)、目 (Order)、科 (Family)、屬 (Genus)和種 (Species)。

Taxonomy: 域 (Domain)、界、門、綱、目、科、屬 、種

Species: Specific Organism (eg, Homo Sapiens)

chordata,?脊索;?carnivora,?食肉目

Ref. www.slideshare.net/IlanaKovach/biology-60812034

二項命名法

?瑞典植物學家卡爾·林奈 (Carl Linnaeus)被認為是當前分類學體系的奠基人，他開發了一個被稱為林奈分類學 (Linnaean taxonomy)的層級系統，用于對生物體進行分類，并使用二項命名法?(Binominal nomenclature)為生物體命名。

?在分類學中，二項命名法?(Binomial nomenclature, 也稱"two-term naming system"、"two-name naming system"或"binary nomenclature")是一種命名生物物種的正式系統，通過給每個生物物種一個由兩個部分組成的名稱?(二者都使用拉丁文語法形式)來命名，盡管它們可以基于來自其它語言的單詞。這樣的名稱稱為二項式名稱?(Binomial name)或學名?(Scientific name)；更非正式地，它也被稱為拉丁名?(Latin name)。

Ref. https://microbiologynote.com/binomial-nomenclature/

?由此，通常每個生物體的名稱由其所屬的屬 (Genus)和一個特定的修飾語 (種加詞)組成，該修飾語進一步描述了該屬。這兩個詞一起構成了物種名稱。以常見的人類腸道細菌大腸桿菌為例 (Escherichia coli)，埃希氏菌 (Escherichia)是屬名，而"coli"是將特定物種識別為大腸桿菌的特殊修飾語。種加詞后面有時也會有命名者的姓名，生物學名部分均為拉丁文、且為斜體。

?細菌進化的驅動因素。突變 (Mutations)，水平基因轉移?(Horizontal gene transfer, HGT)，以及各種各樣的微環境 (Microenvironments)，這三者使微生物 (Microorganisms)種類繁多。人類對環境的影響會影響微生物的進化。

? HGT指遺傳信息在生物體之間的移動，例如抗生素抗性 (Antibiotic resistance)基因在細菌之間的傳播 (從父代到子代的情形除外)，推動病原體進化。一旦轉移，基因和病原體會繼續進化，通常會導致細菌產生更大的耐藥性。許多抗性基因很久以前在自然環境中進化而來，沒有人為的影響，但這些基因現在正在迅速傳播到人類病原體中。

? 所有基因 (不僅是耐藥基因)都可能發生水平轉移、并通過自然選擇增殖，也包括毒力決定因子?(Virulence determinants)。

? HGT的發生有3種常見的遺傳機制：

細菌的水平基因轉移機制

?①?轉化?(Transformation)：細菌從環境中吸收DNA；②?接合?(Conjugation)：細菌直接將基因轉移到另一個細胞 (或細菌)；③?轉導?(Transduction)：噬菌體 (細菌病毒)將基因從一個細胞轉移到另一個細胞。

?系統發育樹?(Phylogenetic trees)。由于無性繁殖 (Asexual reproduction)，水平基因轉移 (HGT)的頻繁發生，物種的傳統概念并不能很好地適用于微生物?(Not readily applicable to microbes)。系統發育樹/系統發生樹/進化樹能最好地反映生物的進化相關性 (Evolutionary relatedness)。

當前“生命之樹”的簡化系統發育樹

Endosymbiosis (細胞內共生)。橙色虛線：Proteobacteria (變形菌門) - mitochondrion (線粒體)；藍色虛線：Cyanobacteria (藍藻菌) - chloroplast (葉綠體)

真核生物域中的紅色字體為原生生物，如Amoebozoa, (變形蟲)

Ref. Fundamentals of Microbiology, 11 Edition, 2018,?FIGURE 3.11

共同祖先LUCA

?大約37億年前，經歷了包括益生質 (Prebiotic)、原生質 (Protocell)和原生命?(Progenote)的一系列階段的進化后，共同祖先?(The last universal common ancestor,?LUCA)出現了。LUCA具有當今所有生物體中普遍存在的細胞特征?(Cellular features)。從LUCA開始，推測出現了細菌和古細菌域 (Bacteria and Archaea domains)，即原核生物 (Prokaryotes)；隨后真核域 (Eukarya domain)，即真核生物 (Eukaryotes)從古菌譜系 (Archaea lineage)中分支。

??如今遺傳和分子基礎的根本差異 (Fundamental differences in genetic and molecular endowments)被用來組織與劃分這3個域內的所有生物體。CPR?(Candidate Phyla Radiation, 候選門級輻射類群)和TACK?(四個古菌組的首字母縮寫：Thaumarchaeota, Aigarchaeota, Crenarchaeota和Korarchaeota)是這棵樹上最新添加的。

?原生生物?(Protist)是任何非動物、植物或真菌的真核生物。雖然原生生物很可能有一個共同的祖先，但 (用排除法來排除其它真核生物意味著)原生生物不會形成自然群體或進化枝 (Natural group, or clade)。因此，一些原生生物與動物、植物或真菌的關系可能比它們與其他原生生物的關系更密切；然而，與藻類 (Algae)、無脊椎動物 (Invertebrates)和原生動物 (Protozoans)類群 (Groups)一樣，為了方便，使用了生物類別"Protist"。對原生生物的研究被稱為原生生物學 (Protistology)。

? 下圖的系統發育樹，其構建是基于31個常見蛋白質家族的、清洗后的多行串聯比對 (Cleaned and concatenated alignment)，共覆蓋了191個物種 (基因組已被完全測序)。

已被完全測序的生物的整體系統發育樹

綠色部分，古菌域?(Archaea)；紅色，真核域 (Eukaryota)；藍色，細菌域 (Bacteria)

Ref.?itol.embl.de/itol.cgi

研究細菌耐藥性的意義

? 耐藥性的研究涉及在人類疾病、畜牧業或漁業中，凡是與細菌感染有關的領域。在這些領域中，隨著耐藥細菌的大量出現及廣泛傳播，相關研究逐漸成為全球備受關注的議題。耐藥細菌的特征如：耐藥基因 (Antimicrobial resistance genes)、毒力因子 (Virulence-associated genes)、質粒分型 (Plasmid types)、以及不同菌株間親緣關系 (Phylogenetic relationship among different strains)，對細菌耐藥性流行病學及分子生物學的研究有著十分重要的意義。

耐藥菌

? 隨著多重耐藥菌甚至泛耐藥菌的廣泛流行，尤其是對目前臨床治療細菌感染的兩類“最后一道防線” (碳青霉烯、多黏菌素和萬古霉素)耐藥的菌株，嚴重威脅了人類和動物的健康。

? 面對越來越嚴峻的細菌耐藥性形勢，加強耐藥菌株的監控以及耐藥菌株特征的分析顯得尤為重要。精確、快速、便捷地獲得耐藥菌株的詳盡信息 (包括耐藥基因、毒力因子、質粒分型等特征) 以及菌株間親緣關系等數據對于對抗細菌耐藥性研究將會有很大的幫助。

耐藥基因

??最重要的兩個基因碳青霉烯耐藥基因blaNDM-1和多黏菌素耐藥基因mcr-1均是由質粒介導的可轉移耐藥基因，可在不同種屬細菌 (如blaNDM-1在鮑曼不動桿菌、肺炎克雷伯氏菌和大腸桿菌中均有發現)或不同媒介間相互傳播擴散，同時還可與其它耐藥基因共存而成為 “超級細菌”，使得治療這些細菌造成的感染性疾病更加困難。

毒力因子

??毒力，病原體致病能力的強弱。毒力因子，構成細菌毒力的物質?(Virulent factor, VF)，主要包括侵襲力和毒素。①?侵襲力，病原菌在機體內定殖、突破機體的防御屏障、內化作用、繁殖和擴散的能力。②?毒素，按來源、性質和作用等的不同，可分為外毒素和內毒素兩大類，而在大多數情況下，外毒素一般簡稱毒素。

? 病原菌之所有能感染宿主并且在宿主環境中繁殖，通常就是依靠一系列的毒力因子之間相互協調作用起作用。所以研究病原菌的毒力因子，對于了解病原菌和宿主之間的相互作用有非常重要的作用。

? 相關數據庫如“病原菌毒力因子數據庫” (VFDB, an integrated and comprehensive online resource for curating information about virulence factors of bacterial pathogens)，由中國醫學科學院研發，使用廣泛。兩個網頁：①默認網頁: www.mgc.ac.cn/VFs/main.htm;?② 豐富的JavaScript接口及使用VFanalyzer: www.mgc.ac.cn/cgi-bin/VFs/v5/main.cgi。

? 來自VFDB數據庫默認網頁的結核分枝桿菌 (H37Rv)的毒力相關基因的基因組定位：

? ??

Mtb的毒力基因的基因組位置

耐藥基因 vs?毒力基因

? 兩種概念不同的基因分類，一般沒有任何關聯或相關性 (強交集或互斥)。耐藥基因一般有酶 (eg, β-內酰胺酶)、外排泵、管家基因 (eg, rpoB)、脂多糖修飾基因；毒力基因一般包括：纖毛等細胞黏附因子、鐵載體、分泌系統等。

全基因組測序對于細菌耐藥性研究的意義

? 傳統的技術手段如聚合酶鏈式反應 (Polymerase chain reaction， PCR) 和脈沖場凝膠電泳 (Pulsed field gel electrophoresis，PFGE) 等得到的結果不夠全面且精確度低，對于現有的研究存在很大的局限性。由于全基因組測序技術 (Whole genome sequencing, WGS) 和生物信息學分析 (Bioinformatics analysis)能夠快速、詳盡地得到耐藥細菌的特征，也能更加精細地判斷不同菌株間的進化關系，逐漸成為更加有效的技術手段，為耐藥性研究提供了有效的幫助。

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的细菌基因组基本概念(一)的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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