沈萍-微生物学--第八章-微生物遗传-要点

第八章微生物遗传第一节遗传物质基础：1944Avery肺炎球菌转化实验第一次证实DNA是遗传物质一DNA作为遗传物质1Griffith转化实验死的S型肺炎球菌和活的R型使小鼠致死，并分离得到S型transformingfactor转化因子：能引起转化现象的遗传物质transformation转化：是某一基因型的细胞从周围介质中吸收来自另一基因型的细胞的DNA而使它的基因型和表现型发生相应变化的现象。Griffith首先在细菌中发现。2Avery发现只有S型肺炎球菌DNA是转化所必须的转化因子首次证实DNA是遗传物质3T2phageinfection实验Hershey和Chase用32P标记病毒DNA，用35S标记病毒蛋白，将这两种不同标记的病毒分别于其宿主大肠杆菌混合，发现32P注入细胞并产生phage后代。二RNA作为遗传物质Fraenkel-Conrat用RNA病毒烟草花叶病毒的拆分与重建证明RNA也是遗传物质：（1）用表面活性剂处理TMV得到其蛋白；（2）从TMV变种HR（外壳蛋白氨基酸组成存在2-3个AA差别）通过弱碱处理得到其RNA；（3）通过重建获得杂种病毒（TMV的蛋白+HR的RNA）；（4）标准TMV抗血清使杂种病毒失活，HR抗血清不能；（5）杂种病毒感染烟草产生HR特有病斑，说明杂种病毒感染特性由HR的RNA决定，而不是二者的融合；（6）从病斑中分离得到子代毒蛋白外壳是HR蛋白，而不是TMV蛋白。三朊病毒发现和思考有一种既不含DNA也不含RNA的蛋白颗粒即朊病毒（prion），致病机制为：致病性的prion（以PrPsc表示），是由正常的蛋白PrPC改变其折叠状态所致；而PrPc仍是基因编码产生的一种糖蛋白，PrPsc并不是遗传信息携带者。机体内存在正常的PrPc==PrPsc的动态平衡，其中PrPsc数量极少，当PrPsc增加时会产生大量时会促使PrPc变为PrPsc，蛋白折叠发构象发生改变，α-螺旋含量减少，β-折叠增加使正常蛋白变成有传染性的蛋白，从而导致疾病的发生conformationaldisease构象病：蛋白质的空间三维结构称为蛋白质的构象，特定的构象是蛋白质发挥其功能的结构基础，由于蛋白质的空间构象改变而产生的异常的疾病称为构象病foldingcode折叠密码：称第二遗传密码，即指氨基酸顺序与蛋白质三维结构之间存在的对应关系。第二节微生物基因组结构genome基因组：细胞中基因以及飞机因的DNA序列组成总称，包括编码蛋白的结构基因、调控序列以及目前功能不清楚的DNA序列。细菌一般情况下是一套基因即单倍体hoploid，真核微生物通常是有两套基因又称二倍体diploid。一般来说依赖于宿主生活的病毒基因组都很小，最小的大肠杆菌噬菌体MS2只有3Kb含3个基因。能独立生活的最小基因组是一种生殖道支原体，只含473个基因，通过与流感嗜血菌序列比较研究，移出了256个基因可能是维持细胞生命活动所必须的最低数量假说。接下来以大肠杆菌、詹氏甲烷球菌和啤酒酵母为代表进行说明：一大肠杆菌基因组环状双链DNA，在细胞中紧密缠绕成较致密的不会则小体形式，即拟核nucliod，其上结合有类组蛋白蛋白质和少量RNA使其压缩致密。1遗传信息连续性微生物基因组DNA绝大部分用来编码蛋白、RNA；用作复制起点、启动子、终止子和一些由调节蛋白识别和结合的位点等信号序列。除了个别细菌（鼠伤寒沙门氏菌和犬螺杆菌）和古生菌的rRNA和tRNA中发现有内含子或间插序列，其他绝大部分原核生物不含内含子，遗传信息连续。2功能相关结构基因组成操纵子大肠杆菌有2584个operon，73%只含1个gene，16.6%含2个gene，4.6%含3个gene（lacoperon），6%含4个或4个以上gene。核糖体核蛋白的3种RNA基因转录在同一转录产物，一次为16SrRNA、23SrRNA、5SrRNA。3结构基因的单拷贝及rRNA基因的多拷贝大多数情况下结构基因是单拷贝，但编码rRNA的基因rrn是多拷贝的。大肠杆菌有7个rRNA操纵子，按复制方向表达。7个rrn操纵子有6个分布在大肠DNA的双向复制起点oriC附近，这样有利于核糖体快速装配，便于在急需蛋白合成时，短时间内有大量核糖体生成。反映了基因组经济有效的结构。4基因组重复序列少而短重复序列一般4-40个碱基，重复度10-1000次不等。二啤酒酵母的genome啤酒酵母是单细胞真核生物，是第一个完成测序的真核生物基因组。genome大小13.5Mb分布在16个不连续的染色体中。酵母菌genomicDNA与4种主要组蛋白（H2A、H2B、H3、H4）结合成染色质（chromatin）的14bp核小体核心DNA，染色体DNA上着丝粒centromere和端粒telomere，最显著特点是高度重复，rRNA基因只位于XII号染色体近端粒处，tRNA每个染色体都含4-30个。geneticrebundancy遗传丰余：酵母基因组全部序列测定后，在其基因组上还发现了许多较高同源的DNA重复序列，称为遗传丰余。这是一种进化策略，可能在份数众多的丰余基因中，少数基因突变失活不会影响生命生存；也可能是为了适应复杂多变环境，多余基因可以是生物体能在不同环境中分别使用多个功能相同或者相似的基因产物。而细菌和病毒更为“聪明”的利用有限的遗传资源，如许多病毒基因组上的重叠基因，Overlapgene：是指两个或两个以上的基因共有一段DNA序列，或是指一段DNA序列成为两个或两个以上基因的组成部分。三詹氏甲烷球菌的基因组属于古生菌，是第一个基因组测序的古生菌和自养型生物，证实了伍斯等人提出的三界域学说，故称为“里程碑”的研究成果。古生菌是真细菌和真核生物特种的结合体：A古生菌在基因组结构上类似细菌，如詹氏甲烷球菌有一环形染色体DNA；1682个编码蛋白的ORF；功能相关基因组成操纵子，共转录成1个多顺反子；有2个rRNA操纵子和37个tRNA基因；无内含子，无核膜。B但在负责信息传递功能的基因（复制、转录、翻译）则类似于真核生物：其转录起始系统与真核生物一样，与细菌截然不同；古生菌RNA聚合酶在组成和亚基序列上类似真核生物的RNA聚合酶II和III，相应的启动子结构类似真核；TATAbox序列都位于转录起点上游25-30核苷酸处，这与细菌启动子典型结构（-10和-35区）不同；古生菌翻译延伸因子EF-Ia（细菌中为EF-Tu）和EF-2（细菌中为EF-G）、酰胺-tRNA合成酶基因、复制起始因子等均与真核生物相似。此外，古生菌有5个组蛋白基因，即产物组蛋白可能暗示古生菌基因组本身在细胞内可能实际上按照真核生物样式组成真正的染色体结构。微生物通过结合conjunction、转导transduction、转化transformation进行水平方向的基因转移，此外还可向同类或异类——高等动植物appropriate盗用基因。conjugation接合作用：当细胞与细胞、或细菌通过菌毛相互接触时，质粒DNA就可从一个细胞(细菌)转移至另一细胞(细菌)，这种类型的DNA转移称为接合作用。transduction转导：由噬菌体将一个细胞的基因传递给另一细胞的过程。它是细菌之间传递遗传物质的方式之一。其具体含义是指一个细胞的DNA或RNA通过病毒载体的感染转移到另一个细胞中。transformation转化：是某一基因型的细胞从周围介质中吸收来自另一基因型的细胞的DNA而使它的基因型和表现型发生相应变化的现象。该现象首先发现于细菌。第三节质粒plasmid和转座因子transposableelement：都是细胞中除染色体以外的两类遗传因子。plasmid是独立于染色体外，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。transposableelement：是位于染色体或染色质上的一段能改变自身位置的DNA序列，分布于原核和真核细胞中。一质粒的分子结构通常以共价闭合环状（covalentlyclosedcircle，CCC）的超螺旋双链DNA形式存在与cell中，细胞中分离的质粒有3类：CCC型、开环型（opencircularform，OC）和线型（linearform，L），在疏螺旋体、链霉菌和酵母菌中也发现了线型双链DNA质粒和RNA质粒。质粒大小为1Kb-1000Kb。根据质粒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，得到质粒。因为染色体DNA分子极大，往往会断裂成线状，两端可自由转动而使分子内紧张态完全松弛，而小分子质粒绝大多数是CCC或OC结构，共价闭环的质粒DNA分子无自由末端，分子是紧密缠结状态，故溴化乙锭EB与DNA、RNA结合使其崽子外罩谁下显现荧光。氯化铯梯度中，松弛的染色体DNA与结合的EB比质粒多，其密度也比质粒小，经高速密度梯度离心后，就可将二者分开。琼脂糖凝胶电泳则根据分子量大小和电泳呈现带型将染色DNA与质粒分开。前者因随机断裂成线状，且分子量大，电泳速率慢，带型也不整齐；后者相对分子量小，大小均一，电泳速率快，带型整齐，易于区别。二质粒的主要类型：housekeepinggene看家基因：染色体DNA作为细胞中主要遗传物质，携带所有在生长条件下所必须的基因，这些基因称为看家基因。质粒所含基因对宿主细胞来说是非必须的，在某些特殊条件下会赋予宿主特殊机能，使宿主得到生长优势，如抗药性质粒和降解性质粒使宿主细胞具有相应药物或化学毒物环境中生存，且在细胞分裂时恒定的传递给子代细胞。根据质粒所编码功能和赋予宿主的表型，可分为6个不同类型：致育因子、抗性因子、Col质粒、毒性质粒、代谢质粒、隐秘质粒。1fertilityfactor，F因子，致育因子：又称F质粒，大小约100kb,是最早发现的与大肠杆菌有性生殖现象（接合作用）相关的质粒。conjugation接合作用：当细胞与细胞、或细菌通过菌毛相互接触时，质粒DNA就可从一个细胞(细菌)转移至另一细胞(细菌)，这种类型的DNA转移称为接合作用。携带F质粒的菌株称为F+菌株(雄性)，无F质粒的为F-菌株（雌性），F质粒整合到宿主细胞染色体上的菌株称为高频重组菌株（highfrequencerecombination，Hfr）F因子以游离状态（F+）与染色体相结合的状态（Hfr）存在于细胞中，故又称为附加体episome。F质粒在大肠杆菌结合作用中其主要作用。当Hfr菌株上的F因子通过重组回复成自主状态时，有时可将相邻的部分染色体基因一起切割下来，成为携带某一染色体的F因子，统称之为F’，带有这些F’的菌株也常用F’表示。2抗性因子resistancefactor，R因子，包括抗药性和抗重金属两大类，简称R质粒。带有抗药性的细菌有时对几种抗生素or其他药物呈抗性：R1质粒可使宿主对5种药物有抗性：氯霉素Cm、链霉素Sm、磺胺Su、氨苄青霉素Ap、卡那霉素Km。肠道细菌中R质粒约25%抗汞离子，铜绿假单胞菌占75%。3Col质粒Colplasmid：首先发现于大肠杆菌而得名，含有编码大肠杆菌素的基因，大肠杆菌素是一种细菌蛋白，只杀死近缘且不含Col质粒的菌株，而宿主不受其影响。由G+细菌产生的细菌素通常也是质粒基因编码，例如某乳酸菌产生的细菌素NisinA能强烈抑制某些G+细菌生长。4毒性质粒virulenceplasmid致病菌致病性由该质粒引起。例如：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，其中许多菌株含有编码一种或多种肠毒素的质粒；使昆虫致病or致死的细菌毒素由质粒编码，如苏云金杆菌产生的毒素（δ内毒素，即伴孢晶体paraporalcrystal）；植物基因载体Ti质粒（tumor-inducing-plasmid），是引起双子叶植物冠瘿瘤的致病因子，其宿主是一种根癌土壤杆菌。其机制是Ti质粒上的一段特殊DNA片段转移至植物cell内并整合其染色体上，致细胞失控的瘤状增生。合成正常植物没有的冠瘿碱化合物，该DNA片段称为T-DNA，其上有三个致癌基因。Ri质粒与Ti质