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1、细菌的遗传和变异细菌的遗传和变异2021/7/27 星期二1遗传物质是DNA 2021/7/27 星期二2遗传物质是DNA（有时是RNA）的证据（1）细菌的转化 2021/7/27 星期二3（2）噬菌体的侵染和繁殖 遗传物质是DNA（有时是RNA）的证据 2021/7/27 星期二4遗传物质是DNA（有时是RNA）的证据（3）病毒的重建 2021/7/27 星期二5A.Doublehelixbyelement:basepairs,hydrogenbondingB.TheCodeCodonsandAnti-CodonsC.StrandsandhelicalbackboneD.Ends,Antip
2、arallelism2021/7/27 星期二6 DNA和RNA的分子结构和复制 2021/7/27 星期二72021/7/27 星期二82021/7/27 星期二9DNA和RNA的分子结构和复制1953年，Watson和Crick关于碱基互补配对的规律，阐明了DNA的空间结空间结构构 2021/7/27 星期二10RNA的分子结构DNA和RNA的分子结构和复制2021/7/27 星期二11遗传物质的复制-双链DNA的复制（半保留复制）2021/7/27 星期二12遗传物质的复制-双链DNA的复制（半保留复制）2021/7/27 星期二13DNA与遗传密码2021/7/27 星期二14DNA与
3、遗传密码 -由A、T（U）、C、G 组成的三联体密码 2021/7/27 星期二15tRNA 的结构2021/7/27 星期二16 在核糖体上合成蛋白质（1 1）启动阶段）启动阶段 2021/7/27 星期二17肽链的延伸阶段肽链的延伸阶段-“受位”（A）和“给位”（P）2021/7/27 星期二18*进位反应*转位反应*移位反应*终止阶段 肽链的延伸阶段和终止阶段肽链的延伸阶段和终止阶段2021/7/27 星期二192021/7/27 星期二20中心法则 2021/7/27 星期二21真核生物的染色体原核生物的染色体染色体的形态2021/7/27 星期二22真核生物的染色体四级结构DNA双螺
4、旋结构核小体浓缩的染色质中期染色体2021/7/27 星期二23原核生物的染色体2021/7/27 星期二242021/7/27 星期二25基因A基因BDNA转录基因A基因BmRNA翻译蛋白质A蛋白质B蛋白质原核生物的染色体与细胞质没有核膜分开，因此三个过程紧密联系2021/7/27 星期二26外显子1外显子2内含子1内含子2基因 XDNA外显子1外显子2内含子1内含子2初始RNA转录物转录加工过程中内含子被切除外显子1 外显子2成熟的mRNA细胞核转运到细胞质外外显子2外显子1mRNA翻译蛋白质X蛋白质细胞质真核生物2021/7/27 星期二27细菌染色体细菌属于原核细胞型微生物,细菌染色体
5、是环状双螺旋DNA，不含组蛋白,无核膜包围。基因,是具有一定生物学功能的核苷酸序列，如编码结构蛋白、酶等功能。细菌基因的结构是连续的,无内含子。细菌染色体DNA的复制：大肠埃希菌已证明是双向复制2021/7/27 星期二282021/7/27 星期二29质粒（plasmid）质粒是细菌染色体外的遗传物质，是环状闭合的双链DNA。大质粒小质粒几种重要的质粒 致育质粒（F质粒）耐药质粒毒力质粒（Vi质粒）细菌素质粒代谢质粒2021/7/27 星期二30致育质粒（F质粒）与有性生殖有关带有F质粒的为雄性菌，能长出性菌毛；无F质粒的为雌性菌，无性菌毛2021/7/27 星期二31耐药性质粒编码细菌对抗
6、菌药物或重金属盐类的耐药性。可通过细菌间接合进行传递的称接合性耐药质粒，又称R质粒不能通过接合传递的非接合性耐药质粒，但可通过噬菌体传递。2021/7/27 星期二32毒力质粒（Vi质粒）编码与该菌致病性有关的毒力因子。如致病性的大肠埃希菌产生的耐热性肠毒素是由STST质粒质粒编码的。细菌粘附定植在肠粘膜表面是由K K质粒质粒决定的。2021/7/27 星期二33细菌素质粒编码各种细菌产生的细菌素。Col质粒编码大肠埃希菌产生大肠菌素2021/7/27 星期二34代谢质粒编码产生相关的代谢酶。沙门菌发酵乳糖的能力通常是由质粒决定的2021/7/27 星期二35质粒的特征自我复制能力，为复制子，
7、单拷贝或多拷贝紧密型质粒和松弛型质粒编码产物赋予细菌某些性状特征可自行丢失与消除有转移性可分为相容性和不相容性2021/7/27 星期二36转座因子是存在于细菌染色体或质粒是存在于细菌染色体或质粒DNADNA分子上的分子上的一段特异性核苷酸序列片段，它能在一段特异性核苷酸序列片段，它能在DNADNA分子中移动，不断改变它们在基因组的分子中移动，不断改变它们在基因组的位置，能从一个基因组转移到另一个基位置，能从一个基因组转移到另一个基因组中。因组中。2021/7/27 星期二37转座因子插入序列（插入序列（insertion sequence,ISinsertion sequence,IS）是最
8、小的转位因子，长度不超过是最小的转位因子，长度不超过2 2kbkb，不携带任何已知与插入功能无关的基不携带任何已知与插入功能无关的基因区域，往往是插入后与插入点附近因区域，往往是插入后与插入点附近的序列共同起作用，可能是原细胞正的序列共同起作用，可能是原细胞正常代谢的调节开关之一常代谢的调节开关之一。2021/7/27 星期二38转座因子转座子（transposon,Tn）长度一般超过长度一般超过2 2kbkb，除携带与转位有关的基，除携带与转位有关的基因外，还携带耐药性基因、抗金属基因、毒因外，还携带耐药性基因、抗金属基因、毒素基因及其他结构基因等。因此当素基因及其他结构基因等。因此当TnT
9、n插入某插入某一基因时，一方面可引起插入基因失活产生一基因时，一方面可引起插入基因失活产生基因突变，另一方面可因带入耐药性基因而基因突变，另一方面可因带入耐药性基因而使细菌获得耐药性。转座子可能与细菌的多使细菌获得耐药性。转座子可能与细菌的多重耐药性有关。重耐药性有关。ISIS ISISResistance Gene(s)Resistance Gene(s)ISIS ISISResistance Gene(s)Resistance Gene(s)2021/7/27 星期二39转座子的特征转座子携带耐药或毒素基因Tn1 Tn2 Tn3Tn1 Tn2 Tn3APAP（氨苄青霉素）（氨苄青霉素）Tn
10、4Tn4APAP、SMSM（链霉素）、（链霉素）、SuSu（磺胺）（磺胺）Tn5Tn5KmKm（卡那霉素）（卡那霉素）Tn6Tn6KmKmTn7Tn7TMPTMP（甲氧苄氨嘧啶）、（甲氧苄氨嘧啶）、SMSMTn9Tn9CmCm（氯霉素）（氯霉素）Tn10Tn10TcTc（四环素）（四环素）tn551tn551EmEm（红霉素）（红霉素）Tn971Tn971EmEmTn1681Tn1681大肠埃希菌（肠毒素基因）大肠埃希菌（肠毒素基因）2021/7/27 星期二40转座因子转座噬菌体或前噬菌体转座噬菌体或前噬菌体是一些具有转座功能的溶原性噬菌体，是一些具有转座功能的溶原性噬菌体，当整合到细菌染色
11、体上，能改变溶原性当整合到细菌染色体上，能改变溶原性细菌的某些生物学性状，如白喉棒状杆细菌的某些生物学性状，如白喉棒状杆菌、肉毒梭菌等的外毒素就是由转座噬菌、肉毒梭菌等的外毒素就是由转座噬菌体的有关基因所编码的。另外，转座菌体的有关基因所编码的。另外，转座噬菌体从细菌染色体分离脱落时，可能噬菌体从细菌染色体分离脱落时，可能连带有细菌的连带有细菌的DNADNA片段，故它还可能在遗片段，故它还可能在遗传物质转移过程中起载体作用。传物质转移过程中起载体作用。2021/7/27 星期二41二、二、遗传信息的传递和基因的表达遗传信息的传递和基因的表达基因到蛋白质基因到蛋白质基因基因RNA转录转录蛋白质蛋
12、白质翻译翻译2021/7/27 星期二42细菌基因的结构细菌基因的结构启动子启动子RBS编码序列编码序列终止子终止子2021/7/27 星期二43基因的转录基因的转录RNA聚合酶和启动子聚合酶和启动子全酶：核心酶全酶：核心酶因子因子起始：起始：-10序列和序列和-35序列序列终终止：止：终终止子止子细细菌中常常是几个基因菌中常常是几个基因连续转录连续转录2021/7/27 星期二44mRNA的加工的加工原核细胞转录翻译同时进行原核细胞转录翻译同时进行真核细胞中真核细胞中mRNA要经过加帽、加尾、拼要经过加帽、加尾、拼接等过程产生成熟的接等过程产生成熟的mRNA.2021/7/27 星期二45翻
13、译翻译起始起始肽链延长肽链延长翻译终止翻译终止2021/7/27 星期二46基因表达的调节基因表达的调节组成型酶：持续合成组成型酶：持续合成诱导型酶：需要时诱导合成诱导型酶：需要时诱导合成调控水平调控水平转录转录翻译翻译翻译后调节翻译后调节2021/7/27 星期二47操纵子操纵子操纵子是原核基因组的突出结构特点。操纵子是原核基因组的突出结构特点。是指数个功能上相关联的结构基因串联是指数个功能上相关联的结构基因串联在一起构成信息区在一起构成信息区,连同其上游的调控区连同其上游的调控区和下游的转录终止信号构成基因表达单和下游的转录终止信号构成基因表达单位位。2021/7/27 星期二48结构基因
14、：乳糖操纵子包含结构基因：乳糖操纵子包含3个结构基因：个结构基因：lacZ、lacY、lacA。LacZ合成合成半乳糖半乳糖苷酶，苷酶，lacY合成透过酶，合成透过酶，lacA合成乙酰合成乙酰基转移酶。基转移酶。启动基因启动基因P，位于操纵基因的附近，它的，位于操纵基因的附近，它的作用是发出信号，作用是发出信号，mRNA合成开始，该合成开始，该基因也不能转录成基因也不能转录成mRNA乳糖操纵子乳糖操纵子2021/7/27 星期二492021/7/27 星期二50三、微生物的变异和基因重组三、微生物的变异和基因重组突变突变转换转换颠换颠换移码移码诱变诱变2021/7/27 星期二51基因的转移和
15、重组基因的转移和重组基因转移基因转移外源性的遗传物质由供体菌转入某受体菌细胞的外源性的遗传物质由供体菌转入某受体菌细胞的过程称为基因转移（过程称为基因转移（gene transfergene transfer）。重组重组转移的基因与受体菌转移的基因与受体菌DNADNA整合在一起称为重组（整合在一起称为重组（recombinationrecombination），使受体菌获得供体菌的某些性），使受体菌获得供体菌的某些性状。状。细菌的基因转移和重组可通过转化、接合、转导、细菌的基因转移和重组可通过转化、接合、转导、溶原性转换和细胞融合等方式进行溶原性转换和细胞融合等方式进行。2021/7/27 星
16、期二52转化（转化（transformationtransformation）转化是供体菌裂解游离的转化是供体菌裂解游离的DNADNA片段被受体菌片段被受体菌直接摄取，使受体菌获得新的性状。直接摄取，使受体菌获得新的性状。转化现象在肺炎链球菌、葡萄球菌和流感转化现象在肺炎链球菌、葡萄球菌和流感嗜血杆菌等中被证实。嗜血杆菌等中被证实。2021/7/27 星期二53转化转化转化因子（转化因子（transforming principle transforming principle）在转化过程中，转化的在转化过程中，转化的DNADNA片段称为转化片段称为转化因子因子 ，分子量小于，分子量小于101
17、07 7，最多不超过，最多不超过10-10-2020个基因。个基因。感受态（感受态（competencecompetence）受体菌只有处于感受态时，才能摄取转受体菌只有处于感受态时，才能摄取转化因子。细菌处于感受态是因为其表面化因子。细菌处于感受态是因为其表面有一种吸附有一种吸附DNADNA的受体的受体.自溶素、核酸酶自溶素、核酸酶2021/7/27 星期二54转化转化转化因子吸附在受体菌表面受体上，然转化因子吸附在受体菌表面受体上，然后再被摄入后再被摄入 。解链，一链进入受体菌，另一链为进入解链，一链进入受体菌，另一链为进入提供能量。提供能量。重组。重组。DNADNA复制重组菌繁殖后，获得
18、新的性状的复制重组菌繁殖后，获得新的性状的细菌称为转化菌的突变株。细菌称为转化菌的突变株。2021/7/27 星期二55转化转化2021/7/27 星期二56接合（接合（conjugationconjugation）接合是细菌通过性菌毛相互连接沟通，接合是细菌通过性菌毛相互连接沟通，将遗传物质（主要是质粒将遗传物质（主要是质粒DNADNA）从供体菌）从供体菌转移给受体菌。转移给受体菌。接合性质粒：能通过接合方式转移的质接合性质粒：能通过接合方式转移的质粒称为接合性质粒，粒称为接合性质粒，F F质粒、质粒、R R质粒、质粒、ColCol质粒和毒力质粒。质粒和毒力质粒。2021/7/27 星期二5
19、7接合接合F F质粒的接合质粒的接合F F+FF高频重组菌（高频重组菌（high frequency high frequency recombination,Hfrrecombination,Hfr）F F F F+、HfrHfr、FF都为雄菌都为雄菌 2021/7/27 星期二58原核生物质粒的接合原核生物质粒的接合2021/7/27 星期二59接合接合F+F-F+F-F+F+F+F+DonorRecipient2021/7/27 星期二60接合接合F+F+Hfr2021/7/27 星期二61接合接合HfrF-HfrF-HfrF-HfrF-2021/7/27 星期二62接合接合FFFFFF
20、-FF-2021/7/27 星期二63转导（转导（transductiontransduction）转导是以噬菌体为载体，将供体菌的一段转导是以噬菌体为载体，将供体菌的一段DNADNA转转移到受体菌内，使受体菌获得新的性状。移到受体菌内，使受体菌获得新的性状。普遍性转导（普遍性转导（generalized transductiongeneralized transduction）局限性转导（局限性转导（restricted transductionrestricted transduction）2021/7/27 星期二64普遍性转导普遍性转导2021/7/27 星期二65普遍性转导普遍性转导
21、被误包装的被误包装的DNADNA可以是供体菌中的任何部分（包可以是供体菌中的任何部分（包括质粒），故称为普遍性转导。括质粒），故称为普遍性转导。2021/7/27 星期二66普遍性转导普遍性转导完全转导完全转导外源性外源性DNADNA片段与受体菌的染色体整合，片段与受体菌的染色体整合，并随染色体而传代，称完全转导并随染色体而传代，称完全转导 流产转导流产转导外源性外源性DNADNA片段游离在胞质中片段游离在胞质中,既不能与既不能与受体菌染色体整合，也不能自身复制，受体菌染色体整合，也不能自身复制，称为流产转导称为流产转导 2021/7/27 星期二67局限性转导局限性转导局限性转导或特异性转导
22、，局限性转导或特异性转导，所转导的只所转导的只限于供体菌染色体上特定的基因。如限于供体菌染色体上特定的基因。如噬菌体进入大肠埃希菌。噬菌体进入大肠埃希菌。2021/7/27 星期二68局限性转导局限性转导galbiogalbiogalbiogalbiobiogal2021/7/27 星期二69普遍性转导与局限性转导的区别普遍性转导与局限性转导的区别区别要点区别要点普遍性转导普遍性转导局限性转导局限性转导转导的遗传物质转导的遗传物质供体菌染色体供体菌染色体DNADNA任任何部位或质粒何部位或质粒噬菌体噬菌体DNADNA及供体菌及供体菌DNADNA的特定部位的特定部位转导的后果转导的后果完全转导或
23、流产转导完全转导或流产转导受体菌获得供体菌受体菌获得供体菌DNADNA特定部位的遗传特定部位的遗传特性特性转导频率转导频率受体菌的受体菌的1010-7-7转导频率较普遍转转导频率较普遍转导增加导增加10001000倍倍(10(10-4-4)2021/7/27 星期二70溶源转变溶源转变（lysogenic conversionlysogenic conversion）当温和噬菌体感染其宿主而使之发生溶源化时，当温和噬菌体感染其宿主而使之发生溶源化时，因噬菌体的基因整合到宿主的基因组上，而使因噬菌体的基因整合到宿主的基因组上，而使后者获得新性状的现象。后者获得新性状的现象。溶源转变获得的新性状会
24、噬菌体的丧失而消失溶源转变获得的新性状会噬菌体的丧失而消失2021/7/27 星期二71溶源转变与转导有本质的不同：不携带任何供溶源转变与转导有本质的不同：不携带任何供体菌的基因；噬菌体是完整的，而不是缺损的。体菌的基因；噬菌体是完整的，而不是缺损的。白喉棒状杆菌白喉棒状杆菌不产毒素的白喉杆菌不产毒素的白喉杆菌感染噬菌体感染噬菌体产毒素的白喉杆菌产毒素的白喉杆菌2021/7/27 星期二72原生质体融合原生质体融合（protopast fusion)protopast fusion)原生质体融合是将两种不同的细菌经溶原生质体融合是将两种不同的细菌经溶菌酶或青霉素等处理，失去细胞壁成为菌酶或青霉
25、素等处理，失去细胞壁成为原生质体后进行彼此融合的过程。原生质体后进行彼此融合的过程。聚乙二醇可促使二种原生质体的融合。聚乙二醇可促使二种原生质体的融合。原生质体融合是一种人工基因转移系统原生质体融合是一种人工基因转移系统2021/7/27 星期二73基因转座基因转座转座效应转座效应插入突变插入突变调控相邻基因的表达调控相邻基因的表达应用应用诱变和转基因的手段诱变和转基因的手段2021/7/27 星期二74四、基因工程四、基因工程基因工程基因工程：在基因水平、分子水平上的在基因水平、分子水平上的生物工程。生物工程。基本操作过程包括基本操作过程包括：目的基因的获取目的基因的获取选择合适的载体选择合
26、适的载体DNA体外重组和转化体外重组和转化克隆子的筛选克隆子的筛选2021/7/27 星期二75目的基因的获得目的基因的获得从适当的供体细胞从适当的供体细胞DNA中分离中分离mRNA合成合成cDNAPCR合成合成模板模板引物引物DNA聚合酶聚合酶dNTP反应缓冲液反应缓冲液体系组成体系组成变性变性退火退火延伸延伸反应过程反应过程2021/7/27 星期二76选择合适的载体选择合适的载体能自我复制能自我复制分子质量尽可能小分子质量尽可能小有多克隆位点有多克隆位点有选择性标记有选择性标记2021/7/27 星期二77DNA体外重组和转化体外重组和转化DNA重组技术：体外酶切连接重组技术：体外酶切连
27、接限制性内切酶限制性内切酶转化转化2021/7/27 星期二78 DNADNA重组基本过程重组基本过程2021/7/27 星期二792021/7/27 星期二802021/7/27 星期二81克隆子的筛选克隆子的筛选抗药性标记筛选抗药性标记筛选原位杂交原位杂交基因表达筛选基因表达筛选2021/7/27 星期二82微生物在基因工程中的作用微生物在基因工程中的作用：做为克隆载体；做为克隆载体；生产基因工程工具酶（限制性内切酶、连生产基因工程工具酶（限制性内切酶、连接酶）；接酶）；做为克隆载体的宿主（原核，真核）；做为克隆载体的宿主（原核，真核）；做为表达载体做为表达载体2021/7/27 星期二83基因的定点突变基因的定点突变PCR的方法获得的方法获得2021/7/27 星期二84