第8章-微生物遗传

1第八章微生物遗传2要求掌握：微生物遗传物质存在的实验证据、存在形式及结构特点，质粒，基因突变及遗传重组的基本规律，真核微生物的遗传特性。重点和难点：微生物基因组和质粒、转座因子的结构，基因突变、修复以及转移重组的方式及规律，真核微生物遗传规律。3第一节遗传的物质基础遗传的物质基础到底是核酸还是蛋白质？经典微生物学实验证明：遗传物质是DNA或RNA一、DNA作为遗传物质1、Griffith的转化试验Griffith转化试验共有三个组成部分：动物试验、细菌培养试验、无细胞抽提液试验4肺炎链球菌：S型（菌体具荚膜，菌落表面光滑，有致病能力）R型（菌体无荚膜，菌落表面粗糙，无致病能力）5Griffith转化试验（1）动物实验SIII热死菌SIII活菌R活菌SIII热死菌R活菌6（2）细菌培养实验（3）S型菌的无细胞抽提液试验热死SIII菌—————不生长活R菌—————R菌热死SIII菌+活R菌——大量R菌和10-6SIII菌活R菌+SIII菌无细胞抽提液——大量R菌和少量S菌7这种转化物质是什么？？？以上实验说明：加热杀死的SIII型细菌细胞内可能存在一种转化物质，它能通过某种方式进入R型细胞并使R型细胞获得稳定的遗传性状，转变为SIII型细胞。82、DNA作为遗传物质的第一实验证据1944年O.T.Avery、C.M.MacLeod和M.McCarty精确地重复了转化试验分别用降解DNA、RNA、蛋白质的酶作用于SIII细胞抽提物，而后重复Griffith转化试验结果显示：只有DNA被酶解的抽提物无转化作用9活R菌长出S菌只有R菌②加SIII菌DNA及DNA酶以外的酶③加SIII菌的DNA和DNA酶④加SIII菌的RNA⑤加SIII菌的蛋白质⑥加SIII菌的荚膜多糖①加SIII菌DNA102、DNA作为遗传物质的第一实验证据将DNA纯化后，DNA的浓度与转化效果成正比关系结果说明：DNA是转化所必需的转化因子113、T2噬菌体的感染试验S3512P3213二、RNA作为遗传物质TMVHR用表面活性剂处理弱碱处理14以上试验结果表明：杂种病毒的感染特性和蛋白质特性是由它的RNA决定的15三、朊病毒的发现和思考“中心法则”即生物遗传信息流的方向是“DNARNA→蛋白质”？？？多肽链中氨基酸序列如何决定蛋白质的空间结构是否也存在另一套密码——“折叠密码”呢?“折叠密码”的翻译过程又是怎样的呢?16第二节微生物的基因组结构一、大肠杆菌的基因组及其特点1、遗传信息的连续性2、功能相关的结构基因组成操纵子结构：3、结构基因的单拷贝及rRNA基因的多拷贝4、基因的重复序列少而短总体特点：经济有效17二、啤酒酵母的基因组第一个完成基因测序的真核生物基因组基因组大小13.5x106bp，分布在16个不连续的染色体中。DNA与4种主要的组蛋白结合构成染色质的14bp核小体核心DNA染色体DNA上有着丝粒和端粒，没有明显的操纵子结构，有间隔区或内含子序列。最显著的特点是高度重复。基因组上有许多具有较高同源性的DNA重复序列，称之为遗传丰余。总体特点：进步富有、有备无患18三、詹氏甲烷球菌的基因组第一个完成测序的古生菌和自养型生物的基因组古细菌基因组在结构上类似于细菌。功能相关的基因组成操纵子结构，共转录成一个多顺反子转录子；基本上无内含子；无核膜但负责信息传递功能的基因（复制、转录和翻译）则类似于真核生物19古细菌的RNA聚合酶在亚基组成和亚基序列上类同于真核生物的RNA聚合酶II和III,而不同于细菌的RNA聚合酶相应的启动子结构也类同于真核生物，TATA-box序列都位于转录起始位点上游25-30核苷酸处，与细菌启动子的典型结构（-10和-35）不一样。古生菌的翻译延长因子、氨酰tRNA合成酶基因，复制起始因子等均与真核生物相似。20古生菌另有5个组蛋白基因综合来看：虽然甲烷球菌基因图谱看来酷似细菌的基因图谱，但实际上基因组本身在细胞内可能是按典型的真核生物方式组成真正的染色体结构。21第三节质粒和转座因子质粒（plasmid）是一种独立于染色体外，能进行自主复制的细胞质遗传因子，主要存在于各种微生物细胞中。转座因子(transosableelement)是位于染色体或质粒上的一段能改变自身位置的DNA序列，广泛分布于原核和真核细胞中。22一、质粒的特性与分子结构微生物质粒DNA与染色体DNA差别：①宿主细胞染色体DNA分子量明显大于细胞所含质粒DNA分子量，质粒所携带的遗传信息量较少②大肠杆菌质粒DNA较宿主细胞染色体DNA更为耐碱性。③染色体DNA所含基因为“持家基因”，质粒所含基因为非必需基因某些细菌中的质粒还具有可转移性、可整合性、可重组性23质粒的存在形式：通常以共价闭合环状的超螺旋双链DNA存在于细胞中，但从细胞中分离的质粒大多是三种构型：CCC、OC、L型，也发现有线型双链DNA质粒和RNA质粒2425根据质粒的分子大小和结构特征，通过超离心或琼脂糖凝胶电泳可将质粒与染色体DNA分开，从而分离得到质粒。染色体DNA分子大小远远超过质粒，分离过程会断裂成线状，分子内的紧张态完全松弛。因此在含溴化乙锭的氯化铯梯度中，松弛的染色体DNA密度比质粒小，经高速密度梯度离心后，就可将二者分开，从而可分离得到质粒DNA。琼脂糖凝胶电泳则是根据分子量大小和电泳呈现的带型将染色体DNA与质粒分开。26质粒的分离小35000rpm线状DNAcccDNA大细菌质粒DNA的CsCl-EB密度梯度离心27二、质粒的主要类型质粒所含的基因对宿主细胞一般是非必需的，只是在某些特殊条件下，质粒能赋予宿主细胞以特殊的机能（一）根据质粒所编码的功能和赋予宿主的表型效应分：1、致育因子（F因子）：又称F质粒，其大小约100kb，是最早发现的一种与大肠杆菌的有性生殖现象（接合作用）有关的质粒。F＋菌株、F－菌株、Hfr菌株、F’因子。28携带F质粒的菌株称为F＋菌株（相当于雄性），无F质粒的菌株称为F—菌株（相当于雌性）。F因子既能以游离状态(F+)存在还能以与染色体相结合的状态(Hfr)存在于细胞中，所以又称之为附加体(episome)292、抗性因子：R质粒，抗药性、抗重金属3、Col质粒：大肠杆菌——编码大肠菌素G+细菌——细菌素4、毒性质粒：苏云金杆菌——伴孢晶体根癌土壤杆菌——Ti质粒发根土壤杆菌——Ri质粒5、代谢质粒：编码能降解某些基质的酶6、隐秘质粒：酵母的2μm质粒30（二）根据质粒的拷贝数、宿主范围等分：低拷贝数质粒（严谨型）高拷贝数质粒（松弛型）窄宿主范围质粒广宿主范围质粒附加质粒31三、质粒的不亲和性亲和性：存在于同一细菌中并能稳定遗传的2种或2种以上的质粒具有亲和性不亲和性：质粒不能共存于同一细胞的特性称为不亲和性不亲和群：在同一细菌中不能共存的质粒属于同一不亲和群；能共存的属于不同的不亲和群。质粒消除：是指由于质粒的复制受到抑制，而在细胞分裂增殖中发生的质粒丢失。32四、转座因子的类型和分子结构原核生物的转座因子包括：插入序列（insertionsequencesIS）转座子（transposonsTn）某些病毒如Mu噬菌体。33插入序列也称跳跃基因（jumpinggenes），是最简单的转座因子。只含有编码转座所必需的转座酶的基因34转座子是能够插入染色体或质粒不同位点的一般DNA序列，具有转座功能，自身也可复制。转座后在原来位置仍保留1份拷贝。转座子上携带有编码某些细菌表型特征的基因，如抗卡那霉素和新霉素的基因。根据转座子两端结构的组成可将其分为两种类型：复合转座子、复杂转座子35复合转座子36复杂转座子37侵染微生物的某些病毒能自我复制，也可整合到染色体或质粒上，且可在微生物细胞之间进行转移而可看作为一类微生物染色体外的遗传物质38五、转座的遗传学效应插入突变产生染色体畸变基因的移动和重排39第四节基因突变及修复基因突变或称点突变是由于DNA（RNA病毒和噬菌体的RNA）链上的一对或少数几对碱基的缺失、插入或置换而导致的遗传变化。染色体畸变则是DNA链上大段发生变化或损伤所引起的突变类型。包括染色体DNA链上的插入、缺失、重复、易位、倒位等40一、基因突变的类型及其分离1、根据碱基变化引起的遗传信息变化的不同可将基因突变分为：同义突变错义突变无义突变移码突变41AG42AA432、根据由突变导致的表型改变，突变型可以分为以下几类：形态突变型生化突变型：营养缺陷型、抗性突变型、抗原突变型条件致死突变型441）形态突变型：形态突变型是一类非选择性突变，只能靠看得见的形态变化进行选择2）生化突变型一类代谢途径发生变异但没有明显的形态变化的突变型β半乳糖苷酶基因的插入失活，使重组子菌落为白色，兰色为非重组子。45营养缺陷型是由基因突变而丧失合成某种其生长所必需的营养物质的能力，必须在培养基中添加相应的营养成分才能正常生长的突变型。它的基因型表示方法为：hisC－hisC＋，表型的表示方法为：HisC营养缺陷型是一种负选择性标记（在选择培养基中不能生长），常用影印平板法进行分离（P218图8-9）4647抗性突变型是一类能抵抗有害理化因素的突变型。一种重要的正选择标记，根据其抵抗的对象可分抗药性、抗紫外线或抗噬菌体等突变类型。链霉素抗性和敏感性菌株表示方法：strr和strs抗原突变型指细胞成分尤其是细胞表面成分（细胞壁、荚膜、鞭毛）的细微变异而引起抗原性变化的突变型483)条件致死突变型条件致死突变型指在某一条件下具有致死效应而在另一条件下没有致死效应的突变型温度敏感突变型（tsmutant）是最典型的条件致死突变型。筛选ts突变型的方法也是采用影印平板法49二、基因突变的分子基础基因突变可分为自发突变和诱发突变。1．自发突变1）自发突变具有如下特性：①非对应性：与环境因子的无对应性实验证据：变量试验(波动试验、彷徨试验)涂布试验平板影印培养试验50变量试验(fluctuationtest)又称波动试验或彷徨试验。1943年,Luria和Delbrück据统计学的原理,设计了如下实验实验要点:取对噬菌体T1敏感的大肠杆菌对数期肉汤培养物,用新鲜培养液稀释成浓度为103/ml的细菌悬液,然后在甲、乙两试管中各装10ml。接着把甲管中的菌液先分装在50支小试管中(每管装0.2ml),保温24～36小时后,即把各小管的菌液分别倒在50个预先涂有T1的平板上,培养乙管中的10ml菌液不经分装先整管保温24～36小时,然后才分成50份加到同样涂有噬菌体的平板上,培养分别计算各皿上产生的抗性菌落数。51变量实验（fluctuationanalysis）52结果表明,来自甲管的50皿中,各皿间抗性菌落数相差极大，而来自乙管的则各皿数目基本相同。这就说明,E.coli抗噬菌体性状的突变,不是由所抗的环境因素——噬菌体诱导出来的,而是在它接触到噬菌体前,在某一次细胞分裂过程中随机地自发产生的。这一自发突变发生得越早,则抗性菌落出现得越多,反之则越少,噬菌体在这里仅起着淘汰原始的未突变的敏感菌和鉴别抗噬菌体突变型的作用。利用这一方法，还可计算出突变率。53涂布试验(Newcombeexperiment)1949年,Newcombe设计先在12只培养皿平板上各涂以数目相等(5×104)的大量对噬菌体T1敏感的大肠杆菌,经5小时的培养,约繁殖12.3代,于是在皿上长出大量微菌落(这时每一菌落约含5100个细胞)。取其中6皿直接喷上T1噬菌体,另6皿则先用灭菌玻棒把上面的微菌落重新均匀涂布一次,然后同样喷上相应的T1。经培养过夜后,计算这两组培养皿上所形成的抗噬菌体菌落数。54Newcombe的涂布实验（1949）55结果发现：在涂布过的一组中,共有抗性菌落353个,要比未经涂布过的(仅28个菌落)高得多。这也意味着该抗性突变发生在未接触噬菌体前。噬菌体的加入只起甄别这类突变是否发生的作用，而不是诱导突变的因素。561952年,Lederberg夫妇设计，大致方法为：首先把大量对链霉素敏感的大肠杆菌K12涂布在不含链霉素的平板(1)的表面待其长出密集的小