为微生物育种复习(2009级)

工业微生物遗传育种学复习2第1章绪论对象：工业微生物工业微生物：是指在发酵工业中已经应用或具有潜在应用价值的微生物目的：选育优良菌种，提高发酵工业产品的产量和质量，简化工艺条件，进一步开发和利用微生物资源，增加发酵工业产品的品种，创造经济效益和社会效益（产量、质量、工艺、新品种）3第二节遗传学及其研究对象遗传学，主要研究遗传物质的结构与功能遗传信息的传递与表达包括：经典遗传学（传递遗传学）分子遗传学群体遗传学4经典遗传学：遗传物质纵向传递的规律以及基因型与表型的关系分子遗传学：研究基因的结构、功能和横向传递群体遗传学：研究群体中基因频率和基因型频率以及影响其平衡的各种因素5第四节微生物遗传育种学及其研究进展育种的基础：遗传变异利用什么工具去“触发”变异？诱变杂交分子手段6第2章突变与修复突变(mutation)：从广义讲，除了转化、转导、接合等遗传物质的传递和重组引起生物变异以外，任何变异都属突变范围。包括：基因突变染色体畸变染色体组变7几个概念基因突变：指DNA特定部位上核苷酸序列的变化，致使蛋白质的结构改变，最后导致个体表型的不同。基因内部结构或基因与基因之间的变化，如某片段DNA上核苷酸之间的转换和颠换，一定核苷酸序列的重复、缺失、倒位、易位、插入等造成基因的突变。8几个概念表型（phenotype）：基因突变形成新的基因型在一定条件下表现出来的个体性状。突变体(mutant)或突变型：突变结果产生新表型的个体。突变包括遗传物质改变过程和突变体的形成。9突变与遗传的关系它有遗传性和非遗传性之分生殖细胞中发生突变可以遗传给后代，而体细胞中突变是不能遗传给后代的。10突变的分类自发突变（spontaneousmutation)是微生物未经人为诱变剂处理或杂交等生物工程手段而自然发生的突变。诱发突变（inducedmutation)是人为用化学、物理或生物诱变剂（紫外线、亚硝酸、噬菌体等）去处理微生物而引起的突变。11诱发突变与自发突变的区别在效应上几乎没有差异突变基因的表现型和遗传规律本质上是相同的。人工诱发突变速度快、时间短、突变频率高。自发突变速度慢、时间长、突变频率低。12第4节突变的种类与机制基因突变染色体畸变染色体组变131.基因突变1）碱基置换转换颠换2）移码突变缺失插入3）易位突变14碱基置换在DNA链上的碱基序列中一个碱基被另一个碱基代替的现象称为置换。15碱基置换的结果仅仅被替换的三联密码组成发生改变，对邻近的三联密码并不受影响。16移码突变碱基序列中有一个或几个碱基增加或减少而产生的变异插入：新碱基插入DNA分子的序列中缺失：碱基序列中丢失一个或一个以上碱基结果：引起密码子移动错乱而突变。17易位突变易位是指DNA链上一个密码子中的某个碱基和邻近密码子中的一个碱基对换，造成两个密码子编写的氨基酸都发生改变，从而引起突变。18诱变剂能诱发生物基因突变，并且突变频率远远超过自发突变率的物理因子或化学物质，称为诱变剂(mutagen)。物理诱变剂、化学诱变剂19三、紫外线的诱变机制形成嘧啶二聚体（主要原因。可以由单链上相邻的两个胸腺嘧啶之间形成，也可以产生于双链相对应的两个胸腺嘧啶之间）20如果双链之间有嘧啶二聚体存在，则因二聚体的交联作用，阻碍双链分开，复制到此处就无法进行下去，造成DNA异常状态。如果在一条单链上出现嘧啶二聚体，则会影响复制过程中碱基的正常配对。造成新链碱基序列与母链不同而引起突变。21紫外线的有效光谱紫外线的光谱范围在10-390nm，而DNA可以吸收的紫外线光谱通常为260nm左右，因此，能诱发微生物突变的紫外线的有效波长范围是200—300nm。最有效的波长为253.7nm。22紫外线的辐射剂相对剂量单位用照射时间或者杀菌率表示。在灯的功率和灯管的距离都固定的情况下，剂量与照射时间成正比关系相对剂量单位还用紫外线的杀菌率表示，用它作剂量单位比用照射时间更切合实际。23第6节化学诱变剂化学诱变剂是一类能对DNA起作用、改变其结构、并引起遗传变异的化学物质。化学诱变剂往往具有专一性，它们对基因的某部位发生作用，对其余部位则无影响。突变大多为基因突变，并且主要是碱基的改变。包括：碱基类似物、烷化剂、移码突变剂、脱氨剂、羟化剂以及其他种类等24一、碱基类似物与天然的四种碱基分子结构相似。既能诱发正向突变，也能诱发回复突变的诱变剂。最常用的碱基类似物是5-BU和2-AP。25碱基类似物的诱变机制正常的碱基与碱基类似物存在同分异构体，主要由分子内电子分布的改变而引起。电子分布的改变可以使键的特异性发生偶然的错误。互变异构现象：嘧啶分子中以酮式和烯醇式的形式出现；而嘌呤分子中以氨基和亚氨基互为变构的形式出现。互变异构现象在碱基类似物中比正常DNA碱基中频率更高26二、烷化剂具有一个或多个活性烷基（参见表4.3）易取代DNA分子中活泼的氢原子，直接与一个或多个碱基起烷化反应，从而改变DNA分子结构，引起突变。烷化剂是诱发突发中一类相当有效的化学诱变剂。代表物：NTG27烷化剂的作用机制烷化剂主要是通过烷化基团使DNA分子上的碱基及磷酸部分被烷化，DNA复制时导致碱基配对错误而引起突变。碱基中容易发生烷化作用的是嘌呤类。鸟嘌呤N7是最易起反应的位点，鸟嘌呤O6，胸腺嘧啶O4，这些可能都是引起突变的主要位点。28三、脱氨剂（以亚硝酸为例）脱去碱基中的氨基变成酮基，引起转换而发生变异29四、移码诱变剂DNA双链上的两个碱基之间插入吖啶类化合物分子，使DNA链拉长，两碱基间距离拉宽。这类化合物与DNA结合后，使碱基插入或缺失，在DNA复制时造成点突变以后的所有碱基都往后或往前移动，引起全体三联密码转录、翻译错误而突变。代表物：吖啶类化合物30五、羟化剂（以羟胺为例）羟胺是具有特异诱变效应的诱变剂，专一地诱发G:C-A:T的转换。对噬菌体、离体DNA专一性更强。DNA分子上和羟胺发生反应的碱基主要是胞嘧啶，胞嘧啶上的氨基可被羟化。31第7节突变与表型碱基置换引起的无义突变（引起遗传性状改变）错义突变（引起遗传性状改变）沉默突变（不引起遗传性状改变）同义突变（不引起遗传性状改变）移码突变引起的（引起遗传性状改变）易位突变引起的（不一定引起遗传性状改变）突变的表型效应一、突变的表型效应321、碱基置换引起的突变（图）33错义突变新密码子编码的氨基酸改变多肽链的氨基酸排列顺序发生变化错义突变通常在第一或第二个碱基发生变化时，容易引起氨基酸种类改变。34无义突变氨基酸的密码子被终止密码子（UAG）代替，因而mRNA翻译多肽链过程中出现句号，使翻译工作中途停止，难以完成一条完整的多肽链的合成，这种肽链是没有活性的。35同义突变新密码子构成的氨基酸与原有密码子所构成的氨基酸相同。这是一种无遗传意义的突变。这种突变不能引起氨基酸序列的改变。36沉默突变碱基置换造成多肽链中一个氨基酸的改变，但该氨基酸不能影响多肽链的正常功能，因此不改变微生物的遗传性状。372、移码突变移码突变是在DNA分子上的密码子中添加或丢失一个或几个碱基，其结果造成从改变的碱基开始所有其后的密码子碱基都往后移动，使密码子杂乱而重新编组，使多肽链上的氨基酸序列发生很大的改变，并出现明显的遗传性状变异。38第八节回复突变和抑制突变正向突变、回复突变和抑制突变基因内抑制突变基因间抑制突变基因间间接抑制突变391.正向突变、回复突变和抑制突变正向突变(forwardmutation)：是指改变野生型性状的突变。回复突变(backmutation或reversemutation)：突变体所失去的野生型性状可以通过第二次突变得到恢复，这种第二次突变叫做回复突变。抑制突变(suppressormutation)：真正的原位回复突变很少，而大多数是第二位点突变，即原来位点的突变依然存在，而它的表型效应被基因组中第二位点的突变所抑制，因而又称为抑制突变。402.基因内抑制突变(intragenicsuppressors)发生在正向突变的基因之中。错义突变和移码突变都可被基因内另一位点的突变所抑制。有些基因内抑制突变表现为温度敏感型。移码突变的回复突变几乎全是基因内抑制突变。错义突变的基因内抑制突变氨基酸电荷变化氨基酸大小变化42第九节突变的修复复制前修复切补修复（针对任意碱基或嘧啶二聚体）光复活（针对嘧啶二聚体）复制后修复重组修复（针对嘧啶二聚体）SOS修复（针对嘧啶二聚体）43切补修复(excisionrepair)是在限制性内切核酸酶、外切核酸酶、DNA聚合酶及连接酶协同作用下进行的。整个修复过程不需要可见光，在黑暗条件下就可以修补。因此也称为暗修复。44光复活是指光诱导后使损伤的DNA修复。细菌经紫外线照射后，再放在可见光下，存活率大大提高，并且突变频率降低。在许多生物，如酵母菌、原生动物、藻类、动植物中均存在这种修复机制。光复活(Photoreactivation)（针对嘧啶二聚体）第3章遗传重组与转座基因组的可变性和稳定性之间必须维持一个恰到好处的平衡，这样才能使生物体得以生存并能世代相传，繁衍不息。染色体的遗传差异主要由两种机制产生，一种是突变，一种是遗传重组。46所谓遗传重组指的是遗传物质的重新组合，其共有的特征是DNA双螺旋之间的遗传物质发生交换。遗传重组的存在确保了遗传物质代与代之间基因组的重排，从而形成一个物种内部个体之间的遗传差异。遗传重组不仅仅发生于代与代之间，一个个体的基因组也可以发生重排。重组不只是在减数分裂和体细胞核基因中发生，也在线粒体基因间和叶绿体基因间发生。47突变和重组是提供进化起始物质的两个过程。突变引起的遗传改变能引起蛋白质中氨基酸序列的变化，该变化引起表型的改变，通过自然选择发生作用。重组提供一个基因组结构的变化，也会引起表型的变化，也通过自然选择发挥作用。48根据不同的机制，可将重组分成4类：同源重组（homologousrecombination）位点特异性重组（site-specificrecombination）转座重组（transpositionrecombination）异常重组（illegitimaterecombination)49重组可分为四类（DNA序列、蛋白质因子）类型需同源序列需RecA蛋白需序列特异性的酶同源++－位点特异性+－+转座－－＋异常－－？第二节同源重组同源重组是发生在两个DNA分子同源区之间的重组。同源重组主要是利用DNA序列的同源性识别重组对象，由碱基序列提供识别的特异性。同源重组最主要特征是相关的酶可以利用任何一对同源序列为底物。51真核生物减数分裂时的染色体之间的交换，某些低等真核生物及细菌的转化、转导、接合，噬菌体的整合等都属于同源重组这一类型。在整个基因组中，同源重组的频率并不恒定，并且跟染色体的结构有关。例如在异染色体附近遗传物质的交换要受到抑制。52第四节位点特异性重组位点特异性重组发生在特殊序列对之间，这一重组型式最早是在λ噬菌体的遗传学研究中发现的。λ噬菌体有两种存在型式：裂解状态和溶源状态。两种类型间的转换是通过位点特异性重组实现的。53一、λ噬菌体DNA的整合与切除为了进入溶源状态，游离的DNA必须整合（intergrate）到细菌DNA中去；而为了从溶源状态向裂解状态转化，原噬菌体DNA则必须从细菌染色体DNA上切除（excise）。整合和切除均通过细菌DNA和λDNA上特定位点—附着点（attachmentsite，att）之间的重组而实现。第五节异常重组异常重组（illegitimaterecombination）是指发生在彼此同源性很小或没有同源性的DNA序列之间的重组。异常重组可发生在DNA很多不同的位点之上。异常重组可能