第二节
支原体比较基因组学

水平基因转移（horizontal gene transfer, HGT）是细菌进化革新的主要驱动力。支原体作为一种缺乏细胞壁的可自我复制的细菌，其特征在于进化过程中连续基因丢失而导致其基因组减小，很长一段时间HGT在支原体中都被认为是微不足道的。最近有报道表明，通过比较基因组学研究，证实了超过50种人或动物的致病性支原体存在大染色体区域的结合转移，通过同源重组将进入的DNA结合到受体染色体中。HGT指在有差异的生物个体之间，或单个细胞内部细胞器之间所进行的遗传物质的交换，是相对于垂直基因转移（亲代传递给子代）而提出的，如在滑膜支原体和鸡毒支原体基因组中均发现了HGT现象，红细胞凝集素编码基因从鸡毒支原体基因组平移到滑膜支原体基因组中。Mg本质上是Mp的一个亚群，其基因组具有高度的相似性，基因序列高度保守, Mg所有的ORF均与Mp具有同源性，而Uu 613个蛋白编码基因中，只有324个与Mg和Mp具有同源性。通过分析这三种支原体的垂直进化同源基因的基因序列，发现Mg与Mp基因组具有垂直进化同源关系，而Uu与Mg和Mp基因组不存在垂直进化同源关系。

Mg和Mp基因组中基因的排列顺序大多是一致的，而Uu与Mg或Mp的基因排列顺序差异较大，仅有少数区域中编码具有相似功能蛋白的基因排列顺序一致，如编码核糖体蛋白或寡肽转运基因。Mg和Mp中存在很多Uu没有的基因，其中有10个涉及能量代谢的Mg基因（如 glpK 、 glpQ 、 pdhA 、 pdhB 、 pdhC 、 pdhD 等）在Uu中丢失；而且，真细菌（eubacterium）中一些高度保守的酶蛋白，如细胞分裂蛋白FtsZ、细胞信号通路蛋白GroES、GroEL以及核糖核苷二磷酸还原酶，在Uu基因组中缺乏相应的编码基因。Uu中也有很多在Mg和Mp中不存在的基因，这些基因大多与Uu所独有的分解尿素产生ATP以及铁离子的转运有关，Uu通过尿素的分解合成ATP产生能量生产所必需的电化学梯度（energy-producing electrochemical gradient），同时Uu具有6个铁转运子（iron transporter），提示Uu具有其他支原体所没有的呼吸系统。这些种特异性基因赋予脲原体在体外具有更强的生长能力。

肺支原体编码基因数量多于其他支原体，其增加的基因主要用于编码膜蛋白，部分用于编码转运蛋白。另外，肺支原体编码ABC转运蛋白（ATPase）基因的数量也多于其他支原体。肺支原体也与其他支原体一样将UGA识别为色氨酸的密码子，而不作为终止密码子，但所不同的是，在编码色氨酸的密码子中，肺支原体更喜好将UGA（91.2%）作为色氨酸的密码子，而不是UGG（8.8%）。在另外两个终止密码子中，肺支原体更喜好UAA作为终止密码子，UAA比UAG为86.2%比13.8%。为了更好地了解这种重要的人类病原体的生理学和致病性，Xiao等对1941—2009年期间来自美国、中国和英国的呼吸道标本和脑脊液标本中共15株Mp进行了Illumina MiSeq全基因组测序，比较基因组分析结果表明，虽然在Ⅰ型和Ⅱ型菌株之间存在约1 500个单核苷酸多态性（SNP）和indel变体，但是在整体上存在高度的序列相似性（＞99%）。在这两种亚型中，观察到大多数基因的保守性，包括CARDS毒素编码基因和精氨酸脱亚胺酶编码基因。主要变异发生在与黏附素复合物相关的 P1 和 ORF6 基因中。在所有15个基因组中发现了具有可变串联重复拷贝数的多个 hsdS 基因（编码Ⅰ型限制酶的S亚基）。结果表明，尽管从16S rRNA序列中得出结论表明其基因组快速进化，但Mp基因组在全球范围内随时间和地理距离异常稳定，缺乏水平基因转移的证据。

Mg是目前发现的能独立生存的最小微生物，其基因组被视为生物生存必需的最低标准，因此，研究Mg的基因组并与其他物种的基因组进行比较，将有助于解释一个自我复制的极微小单元的基本功能，即支原体是怎样构成的。尽管肺支原体的基因组比已知其他支原体基因组大，但是，以前报道的几个其他支原体自我复制必需的基因（如编码RNA聚合酶δ亚单位的 rpoE 基因等）在肺支原体基因组中丢失了（表8-12）。

猪肺炎支原体、猪絮状支原体和猪鼻支原体均寄生于猪的呼吸道中。猪絮状支原体是一种共生细菌，与引起支原体肺炎的猪肺炎支原体在遗传上密切相关。猪鼻支原体也具致病性，可引起仔猪多发性浆膜炎和关节炎。近来有报道表明，通过絮状支原体和猪肺炎支原体7422菌株的基因组测序并将基因组序列与其他猪肺炎支原体和猪鼻支原体基因组进行比较，发现其间ORF簇差异很大，反转和重排很常见。虽然猪絮状支原体和猪肺炎支原体在基因含量方面表现出高度的相似性，但仅有一些基因组区域显示出相当多的一致性。可能参与猪肺炎支原体和絮状支原体中宿主细胞黏附蛋白编码基因显示出基因组结构和功能上的差异，如一些编码P97家族黏附素的基因在猪絮状支原体中不存在。通过系统发生树证实了这三个物种的系统发育关系。参与代谢的基因，特别是用于核酸合成和核苷酸代谢前体的摄取相关基因，显示出拷贝数和三种物种中存在/不存在的一些差异。像其他支原体基因组一样，植原体基因组中缺乏与氨基酸和脂肪酸合成、三羧酸循环、氧化磷酸化相关的基因，然而，与其他支原体相比，植原体还缺乏磷酸转移酶系统、戊糖磷酸循环途经以及F ₀ F ₁ 型ATP合成酶等的相关基因，提示植原体寄生在营养丰富的环境中出现了代谢途径的退行性进化。为了能从寄生的宿主细胞内获得补充自己能量的代谢产物，植原体具有丰富的转运系统编码基因，如编码苹果酸盐、铁离子、氨基酸转运子基因，并且这些基因都是多拷贝的。加上在很多细菌中单拷贝的基因，如 uvrD 、 hflB 、 tmK 、 dam 、 ssb 等在植原体中都是以多拷贝出现，因此，尽管植原体比Mg缺少许多代谢基因，但是植原体基因组要远远大于Mg基因组。 vejJ3QY3cNhw/76BlZrh1fH6KfHN+ra87cJNd/6jBAaFGb1lvGJXm8RBqGnjKupF