第七章 微生物遗传―变异物质基础

第七章微生物遗传2遗传：亲代与子代相似变异：亲代与子代、子代间不同个体不完全相同遗传(inheritance)和变异(variation)是生命的最本质特性之一。遗传型：表型：生物的全部遗传因子所携带的遗传信息具有一定遗传型的个体，在特定环境条件下通过生长发育所表现出来的外表特征和内在特征的总和。表型是由遗传型所决定，但也和环境有关。3表型饰变：表型的差异只与环境有关特点：暂时性、不可遗传性、表现为全部个体的行为遗传型变异（基因变异、基因突变）：遗传物质改变，导致表型改变特点：遗传性、群体中极少数个体的行为Productionofaredpigment(prodigiosin)bySerratiamarcescens.Fromlefttoright:slantculturegrownat25°C,slantculturegrownat37°C,brothculturegrownat25°C,brothculturegrownat37°C.4微生物是遗传学研究中的明星：微生物细胞结构简单，营养体一般为单倍体，方便建立纯系；很多常见微生物都易于人工培养，快速、大量生长繁殖；物种和代谢类型多样；对环境因素的作用敏感，易于获得各类突变株，操作性强。5第一节遗传变异的物质基础一、三个证明核酸是遗传物质的经典实验1、经典转化实验肺炎链球菌：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）61928年，F.Griffth作了3组实验:71944年，Avery精确重复了转化实验，确定了转化因子实验证明，将R菌转化为S菌的转化因子是DNA82、T2噬菌体感染实验1952年Hershey和Chase用32P标记DNA，用35S标记蛋白。实验证明，进入细菌细胞内部的物质是DNA。DNA包含有产生完整噬菌体的全部信息。93、植物病毒重建实验1956年H.Fraenkel-Conrat用烟草花叶病毒进行拆分与重建实验证明，RNA也是遗传物质基础。10二、遗传物质在微生物细胞内存在的部位和方式（一）遗传物质在7个水平上的形式1、细胞水平2、细胞核水平3、染色体水平4、核酸水平5、基因水平6、密码子水平7、核苷酸水平111、细胞水平真核微生物：细胞核原核微生物：核区细胞核或核区的数目在不同的微生物中是不同的122、细胞核水平真核生物细胞核核染色体原核生物核区DNA链核基因组在核基因组之外，还存在各种形式的核外遗传物质133、染色体水平（1）染色体是由组蛋白与DNA构成的线状结构；（2）染色体的数目在不同的生物中是不同的；（3）染色体的倍数在同一生物的不同生活时期是不同的；144、核酸水平核酸种类：DNA，RNA核酸结构：双链、单链；环状，线状，超螺旋状DNA长度：因种而异微生物基因组测序工作是在人类基因组计划的促进下开始的，最开始是作为模式生物，后来不断发展，已成为研究微生物学的最有力的手段。155、基因水平166、密码子水平177、核苷酸水平核苷酸是最小突变单位和交换单位18第二节微生物基因组结构的特点1、原核生物（细菌、古生菌）的基因组1）染色体为双链环状的DNA分子（单倍体）；2）基因组上遗传信息具有连续性；3）功能相关的结构基因组成操纵子结构；4）结构基因的单拷贝及rRNA基因的多拷贝；5）基因组的重复序列少而短；192、真核微生物（啤酒酵母）的基因组1996年由96个实验室633位科学家完成测序工作。1）典型的真核染色体结构；啤酒酵母基因组大小为13.5×106bp，分布在16条染色体中。2）没有明显的操纵子结构；3）有间隔区（即非编码区）和内含子序列；4）重复序列多，遗传丰余；203、詹氏甲烷球菌的基因组该古生菌发现于1982年，生活在2600米深、260个大气压、94℃海底火山口。1996由美国基因研究所等完成测序。1）有近一半的基因在基因数据库中找不到同源序列；2）基因组在结构上类似于细菌；3）负责信息传递功能的基因（复制、转录、翻译）类似于真核生物；4）是真细菌和真核生物特征的一种奇异的结合体。214、原核生物和真核生物的基因组比较22第三节原核生物的质粒与转座因子一、质粒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。23大小：约为2-100×106Dalton，上面携带有数个到数十个甚至上百个基因。1、性质①可以在细胞质中独立于染色体之外独立存在（游离态），也可以通过交换掺入染色体上，以附加体（episome）的形式存在；②质粒是一种复制子（replicon），根据自我复制能力的不同，可把质粒复制的控制形式分为严紧型和松弛型两种，严紧型质粒的复制受细胞核控制，与染色体DNA复制相伴随,一般一个寄主细胞内只有少数几个（1-5）个拷贝；松弛型质粒的复制不受细胞核控制，在染色体DNA复制停止的情况下仍可以进行复制，在细胞内的数量可以达到10-200个或更多。③可以通过转化、转导或接合作用而由一个细菌细胞转移到另一个菌细胞中，可成为基因工程的载体。④对于细菌的生存并不是必要的⑤功能多样化242、结构特点通常以共价闭合环状(covalentlyclosedcircle，简称CCC)的超螺旋双链DNA分子存在于细胞中；也发现有OC型、L型双链DNA质粒和RNA质粒；质粒分子的大小范围从1kb左右到1000kb；细菌质粒多在10kb以内253、质粒的类型严谨型质粒(stringentplasmid)：复制行为与核染色体的复制同步，低拷贝数松弛型质粒(relaxedplasmid)：复制行为与核染色体的复制不同步，高拷贝数窄宿主范围质粒(narrowhostrangeplasmid)（只能在一种特定的宿主细胞中复制）广宿主范围质粒(broadhostrangeplasmid)（可以在许多种细菌中复制）264、质粒在基因工程中的应用质粒的优点：（1）体积小，易分离和操作（2）环状，稳定（3）独立复制（4）拷贝数多（5）存在标记位点，易筛选E.coli的pBR322质粒是一个常用的克隆载体275、质粒的检测提取所有胞内DNA后电镜观察；超速离心或琼脂糖凝胶电泳后观察；对于实验室常用菌，可用质粒所带的某些特点，如抗药性初步判断。286、质粒的主要种类质粒所编码的功能和赋予宿主的表型效应致育因子（Fertilityfactor，F因子）抗性因子（Resistancefactor，R因子）产细菌素的质粒（Bacteriocinproductionplasmid）毒性质粒（virulenceplasmid）代谢质粒（Metabolicplasmid）隐秘质粒（crypticplasmid）29（1）致育因子(Fertilityfactor，F因子)又称F质粒，其大小约100kb，这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。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因子能以游离状态(F+)和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)。30（2）抗性因子（Resistancefactor，R因子）包括抗药性和抗重金属二大类，简称R质粒。抗性质粒在细菌间的传递是细菌产生抗药性的重要原因之一。R质粒抗性转移因子（RTF）：转移和复制基因抗性决定因子：抗性基因31R100质粒(89kb)可使宿主对下列药物及重金属具有抗性：汞（mercuricion，mer）四环素（tetracycline，tet）链霉素(Streptomycin,Str)、磺胺(Sulfonamide,Su)、氯霉素(Chlorampenicol,Cm)、夫西地酸（fusidicacid，fus）并且负责这些抗性的基因是成簇地存在于抗性质粒上。32细菌素抗生素抑制或杀死近缘，甚至同种不同株的细菌较广的抗菌谱通过核糖体直接合成的多肽类物质一般是次级代谢产物编码细菌素的结构基因及相关的基因一般位于质粒或转座子上一般无直接的结构基因，相关酶的基因多在染色体上（3）产细菌素的质粒（Bacteriocinproductionplasmid）33一般都位于质粒或转座子上，因此，细菌素可以杀死同种但不携带该质粒的菌株。细菌素一般根据产生菌的种类进行命名：大肠杆菌（E.coli）产生的细菌素为colicins（大肠杆菌素），而质粒被称为Col质粒。细菌素结构基因涉及细菌素运输及发挥作用的蛋白质的基因赋予宿主对该细菌素具有“免疫力”的相关产物的基因。34（4）毒性质粒（virulenceplasmid）许多致病菌的致病性是由其所携带的质粒引起的，这些质粒具有编码毒素的基因，其产物对宿主（动物、植物）造成伤害。35产毒素大肠杆菌是引起人类和动物腹泻的主要病原菌之一，其中许多菌株含有为一种或多种肠毒素编码的质粒。苏云金杆菌含有编码δ内毒素(伴孢晶体中)的质粒。根癌土壤杆菌所含Ti质粒是引起双子叶植物冠瘿瘤的致病因子。3637Ti质粒中的T-DNA可携带任何外源基因整合到植物基因组中，是植物基因工程中有效的克隆载体。38（5）代谢质粒（Metabolicplasmid）质粒上携带有有利于微生物生存的基因，如能降解某些基质的酶，进行共生固氮，或产生抗生素（某些放线菌）等。将复杂的有机化合物降解成能被其作为碳源和能源利用的简单形式，环境保护方面具有重要的意义。39假单胞菌：具有降解一些有毒化合物，如芳香簇化合物(苯)、农药(2,4dichlorophenoxyaceticacid)、辛烷和樟脑等的能力。40（6）隐秘质粒（crypticplasmid）隐秘质粒不显示任何表型效应，它们的存在只有通过物理的方法，例如用凝胶电泳检测细胞抽提液等方法才能发现。在应用上，很多隐秘质粒被加以改造作为基因工程的载体（一般加上抗性基因）。41二、转座因子转座因子：是在染色体组中或染色体组间能改变自身位置的一段DNA序列。也称作跳跃基因（jumpinggene）或可移动基因（movablegene）。广泛存在于原核和真核细胞中。首先在于米中发现。类型：插入顺序IS：最简单的转座因子，分子量最小,大小在250-1600bp，只能引起转座效应而不含其它基因,即只含有转座酶基因。转座子Tn：它含有几个至十几个基因，其中除了与转座作用有关的基因外，还含有抗药基因或乳糖发酵基因等其它基因。特殊病毒：Mu噬菌体，大肠杆菌温和噬菌体。Mu噬菌体的分子量最大（37kb），它含有20多个基因。424344（1）引起插入突变（2）引起染色体畸变（3）基因的移动和重排转座引起的遗传学效应4546第四节基因突变及修复基因突变：一个基因内部遗传结构或DNA序列的任何改变可遗传、自发或诱变产生.突变狭义：点突变（基因突变）广义：基因突变和染色体畸变野生型（原始性状）基因突变突变型（新性状）一、基因突变类型his-his+Strrstrs温度敏感突变ts47碱基变化与遗传信息的改变同义突变：由于生物地遗传密码子存在兼并现象,是碱基被替换之后,产生了新地密码子，但新旧密码子是同义密码子，所编码的氨基酸种类保持不变，因此同义突变并不产生突变效应。错义突变：是编码某种氨基酸地密码子经碱基替换以后,变成编码另一种氨基酸地密码子,从而使多肽链的氨基酸种类和序列发生改变。错义突变的结果通常能使多肽链丧失原有功能，许多蛋白质的异常就是由错义突变引起的。48无义突变：由于某个碱基的改变使代表某种氨基酸的密码子突变为终止密码子，从而使肽链合成提前终止。移码突变：在正常地DNA分子中,碱基缺失或增加非3地倍数,造成这位置之后的一系列编码发生移位错误的改变，这种现象称移码突变。例如原来的mRNA是GAA、GAA、GAA、GAA……按照密码子所合成的肽链是一个谷氨酸的多肽。如果开头增加一个G，那么mRNA就变成了GGA、AGA、AGA、AGA……按照这些密码子合成的肽链就是一个一甘氨酸开头的精氨酸的多肽。移码突变的结果将引起该段肽链的改变，而肽链的改变将引起蛋白质性质的改变，最终引起性