南开大学微生物遗传学(整理于20141206)

基因是一个含有特定的遗传信息的核苷酸序列，是遗传物质最小的功能单位。微生物遗传学是一门以病毒、细菌、放线菌、小型真菌以及单细胞动植物为研究对象的遗传学的分支学科。基因组(Genomy)一种生物编码所有功能所必须的基因的结合体，基因组也指单倍体生物的一套DNA。S.Cerevisiae全基因组序列测定的意义:1、第一个真核生物基因组全序列测定2、当时最大的基因组全序列测定3、S.cerevisiae有16条染色体，总长度12mb(1.2X107bp)4、最小的染色体为1号染色体230kb,5、最大染色体为4号染色体1532kb6、包括:蛋白质编码基因5885个，r-RNA编码基因140个,7、t-RNA编码基因275个详细介绍见Science，vol.274，1996p.546“LifeWith6000Genes”8、原核生物已测序的基因组都小于2mb(200万bp):9、流感嗜血杆菌1.8mb(180万bp)10、λ噬菌体48.5kb11、φX1745383n.t.三、微生物作为遗传研究材料的优越性1．为什么在基因作用的研究中采用微生物为材料？二倍体细胞中的遗传物质组成2．微生物的优越性1）独特的生物学特征：单倍体、单细胞、易培养、繁殖快2）便于获得营养缺陷型3）可为高等生物的遗传学研究建立基础1．转化实验（Transformation）第一步：1928年,F.Griffith,Diplococcuspneumoniae,Invivo活的R型＋杀死的S型→注射小鼠→小鼠死亡→从死亡小鼠中分离出活的S型细胞(图)第二步：1930~1931年,H.P.RobertSia,M.DawsonInvitro活的R型＋杀死的S型→分离出活的S型细胞第三步：1933年,L.AllowayCellfrell杀死的S型→石英沙磨碎→过滤→上清液（Cellfrell抽提物）＋活的R型→活的S型细胞第四步：1940～1944年,O.T.Avery分别转化提取S型细胞的多糖、蛋白、RNA、DNA→分别转化R型细胞→只有用DNA(1.6ng)转化可获得转化子（图）2病毒重建实验（VirusReconstruction）1956年，FraenkelConrat实验材料：TobaccoMosaicVirus(TMV和HR),94%Protein,6%RNA1)分别提取TMV的RNA和外壳Protein分别提取HR的RNA和外壳Protein2）交替组装重建TMV和HR病毒3）分别感染烟草4）观察：A.病症象TMV还是HR？B.产生的子代病毒是TMV还是HR？病毒重建实验结果：1、RNA来自哪一个亲本，病症就象哪一个亲本2、RNA来自哪一个亲本，产生的子代病毒也同于哪一个亲本二、细菌染色体的结构1、E.coliDNA全长约1300μm，是菌体细胞的1000倍。1997年完成基因组全序列测定，大小为4.7x106bp,包括基因4100个。2、超螺旋，高度折叠。3、参与DNA折叠的类组蛋白（histone-likeprotein）种类：–FIS:factorforinversionstimulation–H-NS:histone-likenucleoidstructoryprotein–HU:heat-unstablenucleoidprotein–IHF:integrationhostfactor特点:1高度压缩,多层折叠E.coli细胞长度为3~5μ,其DNA长约1300μ。2许多基因有多个拷贝E.coli复制DNA所需的时间长于细胞世代时间,因此当第一个复制周期尚未结速,第二个第三个复制周期已经开始三、细菌染色体的复制1.θ型复制2.与DNA复制有关的酶和蛋白3.染色体复制起点和复制起始阶段4.染色体复制终止E.coliDNAθ型复制E.coliDNA为环形分子每一个相继的复制周期从一个固定的起点(oriC)开始双向复制证明:遗传学方法,放射自显影方法单链DNAphage基因组复制特点:1、φX174DNA复制:SSRF,RFRF,RFSS2、复制方式为单向不对称3、复制是半保守的3、复制过程中仅涉及两条亲链中的一条,另一条亲链始终为环状,保持一套完整的遗传信息一、组成和结构•核小体（Nucleosome）:由双链DNA和组蛋白构成的染色体基本单位。中心为四种组蛋白各2分子的8聚体，外围缠绕着DNA分子，两个核小体之间的DNA与1分子的H1组蛋白结合。多个核小体连接起来形成染色质，染色质浓缩、反复折叠便成为一定形状的染色体。酵母菌核小体结构中无H1组蛋白。二、复制特点•真核生物细胞的生活周期分为4个时期：G1期：复制预备期S期：复制期G2期：有丝分裂准备期M期：有丝分裂期染色体DNA复制发生在S期。复制是通过许多独立的复制子完成的。复制子只有起始点，无终止点，通常采取双向复制区别1：与原核生物不同，真核生物的复制子相对较小，复制速度慢。区别2：真核生物染色体在全部复制结速之前，复制起点不会再开始新的一轮复制，而在快速生长的原核生物中，复制起点可以连续发动复制，而真核生物快速生长时往往采用更多的复制起点。1.原核生物基因的结构–编码区：从起始密码子开始至终止密码子为止的一个连续编码序列，称为开放阅读框架（ORF）。–启动子（Promoter）:位于基因5’末端上游的一段非编码核苷酸序列，功能是与RNA聚合酶结合，形成转录起始复合物。―10区是RNA聚合酶核心酶与DNA分子结合部位，共有序列为：TATAAT。－35区是RNA聚合酶σ因子识别DNA分子的部位，共有序列为：TTGACA。–终止子（Terminator）:位于基因或操纵子末端，提供转录终止信号的DNA区段。2.真核生物基因的结构真核生物的蛋白质编码基因以及其它基因的编码序列中，被一种称为内含子（Intron）的非编码序列所间断。有3种RNA聚合酶，各自分工转录不同类型的基因：PolI转录rRNA基因（5srRNA除外），PolII转录蛋白质编码基因，PolIII转录编码众多小分子RNA，包括tRNA和5srRNA。增强子（Enhancer）：真核生物基因表达的重要调控元件。能使与其连锁的基因转录频率明显增强的DNA序列，长度一般为100～200bp。具有下列特点：1.使基因转录增强10～200倍，有的达上千倍。2.增强效应与位置和取向无关。3.可远离转录起始点起作用。4.无基因的专一性，对同源、异源基因都有效。沉默子（Silencer）：属于负调控元件，对成簇基因的选择性表达起重要作用。重叠基因（Overlappinggene）一个基因的核苷酸与另一个基因的核苷酸之间存在一定程度的重叠现象。类型1：一个基因的序列完全包含在另一个基因序列之中。类型2：一个基因的末端密码区与另一个基因的起始密码区重叠出一个新的基因。噬菌体ΦX174基因组最显著的特征是基因的重叠现象，ΦX174共有11个基因，其中基因B,K,E分别位于基因A,C,D中，但使用不同的阅读框架，见图示。断裂基因（Splitgene）基因的编码序列在DNA分子上是不连续的，被不编码的序列所隔开。编码序列称为外显子，不编码的序列称为内含子。断裂基因在表达时，先转录一条包括外显子和内含子的前体mRNA（称为核内不均一RNA），经过剪切和连接，除去内含子区域，形成成熟的mRNA，便可以翻译蛋白质了。真核生物基因多数都含有内含子，如啤酒酵母中，4％的基因含有内含子。原核生物的基因一般没有内含子,但E.coliT4phage的胸苷酸合成酶基因中含有一个长达1017bp的内含子。断裂基因的存在，有利于生物的变异和进化，有利于储存较多的遗传物质。基因组（Genome）:一种生物编码所有功能所必须的基因的结合体。基因组也指单倍体生物的一套DNA。结构基因组学（StructuralGenomics）研究基因和基因组的结构、各种遗传元件的序列特征、基因组作图和基因定位。功能基因组学（FunctionalGenomics）研究基因不同序列结构的不同功能、基因表达的调控、基因与环境，基因与蛋白，基因与基因之间的相互作用。一般来说，在微生物中，无论原核还是真核微生物，其基因组都相对比较小，其中最小的E.coliphageMS2只有3000bp,仅含3个基因。几种微生物及其代表生物的基因组情况见下表。突变的应用实例：青霉素诱变育种1943年，首次从一只发霉的金黄瓜上分离到青霉菌，青霉素产率仅20μg/mL1948年，经多次x射线和紫外线诱变选出wis48-701菌株，青霉素产率为900μg/mL1949年，用氮芥诱变选出wis49-133菌株，青霉素产率为1800μg/mL1955年，用化学诱变剂处理后，青霉素产率提高为3000μg/mL1965年，青霉素产率8,000μg/mL1972年，青霉素产率28,000μg/mL1990年，青霉素产率300,000μg/mL1.突变的表现型1)形态突变型:包括菌落、孢子、荚膜、色泽、鞭毛、嗜菌斑2）生理生化突变型:包括营养要求、代谢产物生成能力、糖分解能力、温度敏感突变型3）抗性突变型：抗药物、抗嗜菌体、抗紫外线4）条件致死突变型：营养缺陷型（X-）、温度敏感突变型(Ts)对抗生素敏感（Amps）、抑制基因突变型2.遗传信息的改变1）同义突变（samesensemutation）2）错义突变（misssensemutation）3）无义突变（nonsensemutation）3.遗传物质结构的改变1）遗传物质结构微小的改变（转换、颠换、移码）2）遗传物质结构较大的改变（缺失、重复、倒位、易位）基因命名的规则及要点：1.每一基因座位用3个小写英文字母表示，并用斜体。如：lysine基因为lys,proline基因为pro2)表型相同的不同基因突变，用3个小写英文字母后的大写字母表示。如：proA,proB,lysA,lysB3)同一基因的不同位点突变，用基因符号后的阿拉伯数字表示。如：proA315,proA20334）如突变位点所属基因还不确切，则大写字母用一短线代替。如：pro-5，lys-1,短线后的数字表示菌株序号。5）基因型的表型用大写字母表示，并加正负号。如：Pro+,Pro－6）抑制基因（suppressor）突变型表示为sup+，野生型表示为sup－7）F因子上的基因要用“；”或“/”与染色体基因分开表示，缺失用“Δ”表示，并写在却失基因之前。如：ΔuvrB表示与紫外线修复有关的uvrB基因缺失。基因符号实例：E.coliCSH13F’lacZproA+B+;Δ（lacZpro）表示：大肠杆菌CSH13菌株染色体上的lacZ和pro基因缺失,而该菌株的F因子上携带有这两个基因。1.随机性就微生物的某一群体而言，基因突变的发生在时间上、个体上、基因上或位点上都有明显的随机性。2.独立性一个基因突变与另一个基因突变之间是互不相关的独立事件。3.稳定性基因突变是遗传物质发生突变的结果。突变型基因与野生型基因一样具有相对稳定的结构，并可以稳定遗传。4.可逆性野生型基因突变成突变型基因，称为正向突变；突变型基因变回野生型基因,称为回复突变。回复突变原因有3种：真正的回复突变;基因内抑制；基因间抑制。5.稀有性一般来讲，自发突变率很低。通过理化因素的处理，可以提高突变的频率突变率：每一细胞每一世代或其它规定的单位时间内，发生突变的机率。可以与DNA分子发生化学反应，并使其结构发生改变的物质，统称为诱变剂。用诱变剂处理细胞得到突变型，则为诱发突变。根据突变诱发机制，化学诱变剂分为碱基置换诱变剂和移码诱变剂。碱基置换诱变剂包括碱基类似物（5－溴尿嘧啶、2－氨基嘌呤）和碱基改造剂（亚硝酸、羟胺、烷化剂）天然碱基结构类似物－5-溴尿嘧啶5-溴尿嘧啶是胸腺嘧啶（T）的甲基集团被溴原子取代后形成的结构类似物，通过分子的互变异构显示出其诱变活性。见图示：化学诱变剂亚硝酸、羟胺、烷化剂(EMS)辐射诱变的特点1.辐射有直接作用2.点突变出现的频率与照射剂量呈直线关系，这些剂量关系曲线都通过原点，证明任何一点辐射都足以诱发突