高温菌16S rRNA与耐热性关系初步研究

1、114微生物学通报2005年32(5)高温菌16SrRNA与耐热性关系的初步研究郭春雷成妮妮刘明河彭谦(临沂师范学院生命科学学院临沂276005)1(云南省微生物研究所教育部微生物资源开放重点实验室昆明650091)21211,2333摘要:通过对80多种超高温菌的基因组G+C含量,16SrRNAG+C含量进行统计分析,结果显示高温菌耐热性与基因组G+C含量之间没有直接关系,而与16SrRNAG+C含量之间明显存在正相关。16SrRNA18helix的二级结构分析显示高温菌生长温度越高,其16SrRNA热稳定性越高。关键词:高温菌,G+C含量,二级结构中图分类号:Q93文献标识码:A文章编号:

2、025322654(2005)0520114204PreliminaryStudiesontheRelationships16S121LeiiU2HePENGQian(LCollegeofLinyiTeachersUniversity,Linyi276005)211,233(forMicrobialResourcesofMinistryofEducation,YunnanInstituteofMicrobiology,YunnanUniversity,Kunming650091)Abstract:ThegenomicG+CcontentandthesmallsubunitrRNAG+Ccont

3、entwereanalyzedformorethan80hyperthermophilicmicroorganismspecies1Theresultsillustratedthattheoptimalgrowthtemperaturesofhyper2thermophileswerenotcorrelatedwiththegenomicG+Ccontents,butcorrelatedwiththeG+CcontentsofsmallsubunitrRNA1Keywords:Hyperthermophiles,G+Ccontents,Secondarystructure温度是影响生物生命活动

4、最重要的环境因子之一。按照最适生长温度的不同,大致可以将微生物分为低温菌(<15),中温菌(1560),高温菌(6080),超高温菌(>80)。自然界中大部分生物都属于中温菌。真核生物的最大生长温度为60,在60以上最适生长的生物为原核生物,其中在80以上最适生长的超高温菌绝大多数为古菌,只有少部分属于细菌域中的Aquificales,Thermotogales。高温菌一经发现,其耐热性机制研究就成为高温菌研究的热点。在Waston2Crick碱基配对中,GC碱基对之间具有3个氢键,AT碱基对之间有两个氢键,因此GC碱基对比AT碱基对在能量上更稳定。1969年Brock在美国黄石国

5、家公园发现能在70以上生长的Thermus高温菌,其基因组G+C含量高达67%。人们设想高温菌基因组G+C含量可能与高温菌耐热性有关21。但随着高温菌研究的不断深入,特别是超高温菌的不断发现,人们相继提出不同的观点。有些超高温菌最适生长温度可达100以上,但其3国家自然科学基金资助项目(No139960003,No130360004)ProjectGrantedbyChineseNationalNaturalScienceFund(No139960003,No130360004)33通讯作者Tel:86287125033543,Fax:86287125171975,E2mail:pengq20

6、02yahoo1com1cn收稿日期:2004212224,修回日期:20052032102005年32(5)微生物学通报115基因组G+C含量却相对较低,如Pyrobaculumorganotr最适生长温度为102,基因组G+C含量为46%,Prococcusfuriosus最适生长温度100,基因组G+C含量仅有3813%,而迄今为止耐受温度最高的Pyrolobusfumarii最高生长温度可达113,其基3因组G+C含量也只有53%。本文对迄今为止有效发表的80多种超高温菌的基因组和16SrRNA的G+C含量进行统计分析,并进一步从16SrRNA二级结构方面认识高温菌耐热性。结果显示高温

7、菌耐热性与基因组G+C含量之间没有直接关系,而与16SrRNAG+C含量之间明显存在正相关。16SrRNA18helix的二级结构分析显示高温菌生长温度越高,其16SrRNA热稳定性越高。1材料与方法111数据采集基因组G+C含量,最适生长温度(Topt)数据主要取自文献4,5rRNAG+C含量通过各菌株的16SrDNAGenBankr算得出。112G+C,SPSS得出。16SrRNA6根据最低自由能原理计算绘图。2结果与讨论211基因组G+C含量、16SrRNAG+C含量与高温菌最适生长温度关系图1分别是基因组G+C含量、16SrRNAG+C含量与高温菌最适生长温度关系图。由图1a可以看出基

8、因组G+C含量与最适生长温度无明显相关。基因组G+C含量分布范围较广(30%65%)。在图1b中,16SrRNAG+C含量与最适生长温度表现出一定程度的正相关,并且16SrRNAG+C含量相对较高,分布范围也较窄(62%70%)。图1基因组、16SrRNAGC含量与最适生长温度关系116微生物学通报2005年32(5)21216SrRNA第18螺旋(Helix18)二级结构表1是细菌域中不同温度生长范围内的6种嗜热细菌16SrRNA第18螺旋(Helix18)二级结构图,对应大肠杆菌16SrRNA400高变区,能量值为作图软件RNAstruc26ture给出。由表1可以看出,在16SrRNA第

9、18螺旋区,随着生长温度的升高,在碱基配对区域,碱基对数目特别是GC碱基对数目相应增加,能量值逐渐降低,趋于更加稳定。Aquifexpyrophilus为细菌域中目前已知最古老,生长温度最高的高温菌,其Helix18二级结构在所比较的结构中也最稳定,能量值最低。表1嗜热细菌16SrRNAHelix18二级结构、能量值、最适生长温度比较Species16SrRNAHelix18SecondaryStructureEnergy(kcal/mol)Topt()Aquifexpyrophilus-361985Thermocrinisruber-080Thermma-291280Thermusaquat

10、icus-201070Meiothermusruber-91560Chloroflexusaggregans-511553讨论高温菌耐热性现在普遍认为与组成生命体生物分子的热不稳定性有关。生物体组成分子有两种:一是胞内小分子物质如NAD,NADPH,ATP等;一是生物大分子,主79要有蛋白质,核酸及脂类等。核酸是生物遗传信息的携带者,由于高温菌特殊的生存环境,其DNA也必须具有热稳定性。基因组DNA在细胞周期的大部分时间里与组蛋白、非组蛋白结合,同时细胞内存在其它热稳定性因素,如热休克蛋白,高K离子,DNA拓扑异构酶等,也可能参与稳定DNA,因此基因组G+C含量可能不是高温菌10,11DNA的

11、热稳定因素,更不是高温菌耐热性的因素。而对于16SrRNA甚至其它rRNA如23SrRNA、5SrRNA等由于其在蛋白质合成过程中,核糖体不断的组装与解2005年32(5)微生物学通报117离,这些小分子RNA并不总是与其它分子如蛋白质分子结合,因此这些rRNA自身必须具有相当高的热稳定性,在核糖体的组装过程中,rRNA能够通过局部序列回折,配对形成双链。由于GC碱基对在能量学上比AU碱基对稳定,因此高G+C%可能在这类分子中起重要的热稳定性作用。参考文献1和致中,彭谦,陈俊英1高温菌生物学1北京:科学出版社,2001111012GaltierN,LobryJR1JMolEvol,1997,4

12、4:63263613HuberH,StetterKO1FEBSLetters,1998,64:395214HoltJG,KriegNR,SneathPHA,etal1BergeyManualofDeterminativeBacteriology,Baltimore,WilliamsandWilkins,199415BooneDR,CastenholzR1Bergeysmannualofsystematicbacteriology,2nded1Volumeone:Thearchaeaandthedeeplybranchingandphototrophicbacteria,Springer,200

13、116MathewsDH,SabinaJ,ZukerM,etal1JournalofMolecularBiology,1999,288:91194016DanielRM,CowanDA1CellMolLifeSci,2000,57:25026417郭春雷,彭谦1生物学杂志,2003,20:1218马挺,刘如林1微生物学通报,2002,29:868919StetterKO1FEBSletters,1999,452:2510HuberR,HuberH,Microgy:6156231计量单位时间:年用a;日用d;小时用h;分钟用min;秒用s等表示。溶液浓度:用mol/L,不用M(克分子浓度)和N(当量浓度)等非许用单位表示。旋转速度:用r/min,不用rpm。蒸汽压