《【教学课件】第八章微生物遗传.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《【教学课件】第八章微生物遗传.ppt（108页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、第八章第八章微生物遗传微生物遗传第一节第一节遗传的物质基础遗传的物质基础第二节第二节微生物的基因组结构微生物的基因组结构第三节第三节质粒和转座因子质粒和转座因子第四节第四节基因突变及修复基因突变及修复第五节第五节细菌基因转移和重组细菌基因转移和重组第六节第六节菌种保藏菌种保藏第一节第一节 遗传的物质基础遗传的物质基础一、一、DNA作为遗传物质作为遗传物质二、二、RNA作为遗传物质作为遗传物质三、朊病毒的发现与思考三、朊病毒的发现与思考一、一、DNA作为遗传物质作为遗传物质1、Griffith肺炎双球菌转化实验肺炎双球菌转化实验野生型肺炎双球菌野生型肺炎双球菌(Strep-tococcus pn
2、eumoniae)菌落为光滑型菌落为光滑型S，一种突变型为粗糙型，一种突变型为粗糙型R，两者根本，两者根本差异在于荚膜形成；差异在于荚膜形成；荚膜的主要成分是多糖，具特殊的抗原性；荚膜的主要成分是多糖，具特殊的抗原性；不同抗原型是遗传的、稳定的，一般情况下不发生不同抗原型是遗传的、稳定的，一般情况下不发生互变。互变。荚膜荚膜菌落菌落毒性毒性类型类型光滑型光滑型S发达发达光滑光滑有有I,II,III粗糙型粗糙型R无无粗糙粗糙无无I,IIS型型R型型Griffith转化研究转化研究(1928)实验步骤实验步骤1、将、将R型的活细菌注射到小鼠体内，小鼠不死亡型的活细菌注射到小鼠体内，小鼠不死亡说说明
3、明S型的活细菌对小鼠有毒，型的活细菌对小鼠有毒，而而R型的活细菌无毒。型的活细菌无毒。2、将、将S型的活细菌注射到小鼠体内，小鼠患败血症死亡型的活细菌注射到小鼠体内，小鼠患败血症死亡4、将、将R型的活细菌与加热杀死的型的活细菌与加热杀死的S型细菌混合，注射到型细菌混合，注射到 小鼠体内，小鼠患败血症死亡，并检测出有小鼠体内，小鼠患败血症死亡，并检测出有S型细菌型细菌3、将加热杀死的、将加热杀死的S型细菌注射到小鼠体内，小鼠不死亡型细菌注射到小鼠体内，小鼠不死亡说明说明:加热杀死的加热杀死的S型细菌对小鼠无毒害作用型细菌对小鼠无毒害作用说明说明:小鼠体内小鼠体内R型活细菌在加热杀死的型活细菌在加
4、热杀死的S型型细菌的作用下可以转化为细菌的作用下可以转化为?S型活细菌型活细菌该实验表明该实验表明:在加热杀死的在加热杀死的S型细菌中，型细菌中，必必然存在某种活性物质然存在某种活性物质转化因子转化因子，促使，促使小鼠体内小鼠体内R型活细菌转化为有毒性的型活细菌转化为有毒性的S型活型活细菌。细菌。2、DNA作为遗传物质的第一个实验作为遗传物质的第一个实验证据证据Avery 等的转化实验等的转化实验(1944)1 1、从、从S S型活细菌分离得到型活细菌分离得到DNADNA、蛋白质和多糖等物质。、蛋白质和多糖等物质。2 2、将上述分离得到的、将上述分离得到的DNADNA与与R R型活细菌混合后注
5、射入小型活细菌混合后注射入小鼠体内，结果小鼠患败血症鼠体内，结果小鼠患败血症死亡死亡并检测出并检测出有有有毒性的有毒性的S S型活细菌存在。型活细菌存在。3 3、将上述分离得到的、将上述分离得到的蛋白质蛋白质与与R R型活细菌混合后注射入型活细菌混合后注射入小鼠体内，结果小鼠小鼠体内，结果小鼠不死亡不死亡且且无无有毒性的有毒性的S S型活细菌存在型活细菌存在4 4、将上述分离得到的、将上述分离得到的多糖多糖与与R R型活细菌混合后注射入小型活细菌混合后注射入小鼠体内，结果小鼠鼠体内，结果小鼠不死亡不死亡且且无无有毒性的有毒性的S S型活细菌存在型活细菌存在该实验证明：该实验证明：在在S S型细
6、菌中，型细菌中，DNADNA是促使小鼠体内是促使小鼠体内R R型型活细菌转化为有毒性活细菌转化为有毒性S S型活细菌的物质，即：型活细菌的物质，即：DNADNA是遗是遗传物质而蛋白质不是遗传物质。传物质而蛋白质不是遗传物质。验证实验验证实验将上述分离得到的将上述分离得到的DNA先与先与DNA酶酶混合一段时间混合一段时间后再与后再与R型活细菌混合后注射入小鼠体内，结型活细菌混合后注射入小鼠体内，结果小鼠果小鼠不死亡且无不死亡且无有毒性的有毒性的S型活细菌存在。型活细菌存在。3、T2噬菌体的感染实验噬菌体的感染实验噬菌体侵染细菌实验噬菌体侵染细菌实验（同位素示踪法）（同位素示踪法）设计：设计：35
7、35S S标记蛋白质标记蛋白质,3232P P标记标记DNA,DNA,分别侵染细菌分别侵染细菌现象：现象：噬菌体的蛋白质没进入细菌体内；噬菌体的蛋白质没进入细菌体内；噬菌体的噬菌体的DNADNA进入细菌体内。进入细菌体内。结论：结论：噬菌体在细菌内的增殖是在噬菌体噬菌体在细菌内的增殖是在噬菌体DNADNA作用下完成的，作用下完成的，DNADNA是遗传物质。是遗传物质。烟草花叶病毒烟草花叶病毒病毒病毒RNA+另一病毒另一病毒病毒蛋白质病毒蛋白质+另一病毒另一病毒正常的烟草叶正常的烟草叶感感染染病病毒毒的的烟烟草草叶叶二、二、RNA作为遗传物质作为遗传物质DNA是遗传物质某些只含RNA病毒的遗传物
8、质是RNA 绝大多数生物的遗传物质是DNARNA也是遗传物质核酸是遗传物质DNA是主要的遗传物质小小结结三、朊病毒的发现与思考三、朊病毒的发现与思考亚病毒的一种：具有传染性的蛋白质致病因子，亚病毒的一种：具有传染性的蛋白质致病因子，迄今为止尚为发现该蛋白内含有核酸。迄今为止尚为发现该蛋白内含有核酸。其致病作用是由于动物体内正常的蛋白质其致病作用是由于动物体内正常的蛋白质PrPc改改变折叠状态为变折叠状态为PrPsc所致，而这二种蛋白质的一所致，而这二种蛋白质的一级结构并没有改变。级结构并没有改变。Prion的结构模型的结构模型PrPcPrPSc第二节第二节 微生物的基因组结构微生物的基因组结构
9、一、概念一、概念二、微生物与人类基因组计划二、微生物与人类基因组计划三、微生物基因组结构的特点三、微生物基因组结构的特点一、概念一、概念基因组（基因组（genome）：）：一个物种的单倍体的所有一个物种的单倍体的所有染色体及其所包含的遗传信息的总称。染色体及其所包含的遗传信息的总称。原核生物（如细菌），多为单倍体（在一般情原核生物（如细菌），多为单倍体（在一般情况下只有一条染色体）况下只有一条染色体）真核微生物，多条染色体，例如啤酒酵母有真核微生物，多条染色体，例如啤酒酵母有16条染色体。有时为双倍体条染色体。有时为双倍体二、微生物与人类基因组计划二、微生物与人类基因组计划人类基因组计划人类基
10、因组计划（HumanGenomeProject）1985年提出；年提出；1990年正式开始实施；年正式开始实施；2001年年2月，测序工作完成；月，测序工作完成；后基因组时代（后基因组时代（PostgenomeEra）三、微生物基因组结构的特点三、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、原核生物（细菌、古生菌）的基因组1）染色体为双链环状的）染色体为双链环状的DNA分子（单倍体）；分子（单倍体）；2）基因组上遗传信息具有连续性；）基因组上遗传信息具有连续性；基因数基本接近由它的基因组大小所估计的基因数基因数基本接近由它的基因组大小所估计的基因数一般不含内含子，遗传信息是连续
11、的而不是中断的一般不含内含子，遗传信息是连续的而不是中断的3）功能相关的结构基因组成操纵子结构；）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）结构基因的单拷贝及rRNA基因的多拷贝；基因的多拷贝；5）基因组的重复序列少而短；）基因组的重复序列少而短；个别细菌个别细菌(鼠伤寒沙门氏菌和犬螺杆菌鼠伤寒沙门氏菌和犬螺杆菌)和古生菌的和古生菌的rRNA和和tRNA中也发现有内含子或间插序列中也发现有内含子或间插序列一个典型的原核细胞基因结构示意图一个典型的原核细胞基因结构示意图大肠杆菌的基因组大肠杆菌的基因组紧密缠绕的环状双链紧密缠绕的环状双链DNADNA分子分子遗传信息的连续性遗传信息
12、的连续性功能相关的结构基因组成操纵子结构功能相关的结构基因组成操纵子结构结构基因的单拷贝及结构基因的单拷贝及rRNArRNA基因的多拷贝基因的多拷贝基因组的重复序列少而短基因组的重复序列少而短大大肠肠杆杆菌菌环环状状染染色色体体基基因因图图谱谱大肠杆菌大肠杆菌rRNA基因位置示意图基因位置示意图rrnArrnG表示表示7个个rRNA基因位置基因位置2、真核微生物（啤酒酵母）的基因组、真核微生物（啤酒酵母）的基因组典型的真核染色体结构，典型的真核染色体结构，DNA与组蛋白构成染色体与组蛋白构成染色体啤酒酵母基因组大小为啤酒酵母基因组大小为13.5106bp，分布在，分布在16条染条染色体中。色体
13、中。没有明显的操纵子结构；没有明显的操纵子结构；有间隔区（即非编码区）和内含子序列；有间隔区（即非编码区）和内含子序列；重复序列多；重复序列多；3、原核生物和真核生物的基因组比较、原核生物和真核生物的基因组比较真核生物与原核生物基因上的差别真核生物与原核生物基因上的差别A.真核细胞真核细胞DNA上基因区域占少数，上基因区域占少数，原核生物的原核生物的原核生物的原核生物的DNADNA全都是基因区域；全都是基因区域；全都是基因区域；全都是基因区域；基因基因（35%）假基因假基因基因外区域基因外区域假基因无意义的占用细胞空间,为什么没有进化去除呢?不影响生存。不影响生存。B.真核生物基因还有内含子与
14、外显子之分真核生物基因还有内含子与外显子之分外显子外显子内含子内含子只有外显子信息最终指导蛋白质合成；原核生物没有这种区别；C.C.真核生物基因重复出现真核生物基因重复出现真核生物基因重复出现真核生物基因重复出现真真核核生生物物的的DNA上含上含有有很很多多完完全全相相同同或或几几乎乎相相同同的的rRNArRNA及及及及tRNAtRNA基基基基 因因因因。有有许许多多蛋蛋白白质质的的基基因因亦亦重重复。复。生物意义生物意义何在？何在？可以同时制造许多个产物，可以同时制造许多个产物，满足急需满足急需第三节第三节 质粒质粒一、质粒的分子结构一、质粒的分子结构二、质粒的主要类型二、质粒的主要类型质粒
15、（质粒（plasmid）：）：一种独立于染色体外，能进行自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主复制的细胞质遗传因子，主要存在于各种微生物细胞中。胞中。质粒所含的基因对宿主细胞一般是非必需的；质粒所含的基因对宿主细胞一般是非必需的；在某些特殊条件下，质粒有时能赋予宿主细胞以特殊在某些特殊条件下，质粒有时能赋予宿主细胞以特殊的机能，从而使宿主得到生长优势。的机能，从而使宿主得到生长优势。通常以共价闭合环状通常以共价闭合环状(covalentlyclosedcircle，CCC)的超螺旋双链的超螺旋双链DNA分子存在于细胞中；分子存在于细胞中；有线型双链有线型
16、双链DNA质粒和质粒和RNA质粒；质粒；质粒分子的大小范围从质粒分子的大小范围从1kb左右到左右到1000kb；细菌质粒多在细菌质粒多在10kb以内以内一、质粒的分子结构一、质粒的分子结构二、质粒的类型二、质粒的类型严谨型质粒严谨型质粒(stringent plasmid)：复制行为与核染色：复制行为与核染色体的复制同步，低拷贝数。体的复制同步，低拷贝数。松弛型质粒松弛型质粒(relaxed plasmid)：复制行为与核染色体：复制行为与核染色体的复制不同步，高拷贝数的复制不同步，高拷贝数窄宿主范围质粒窄宿主范围质粒(narrowhostrangeplasmid)：只能在一种特定的宿主细胞中
17、复制。只能在一种特定的宿主细胞中复制。广宿主范围质粒广宿主范围质粒(broadhostrangeplasmid)：可：可以在许多种细菌中复制。以在许多种细菌中复制。根据质粒编码的功能和赋予宿主的表型效应分为：根据质粒编码的功能和赋予宿主的表型效应分为：F质粒（致育因子）质粒（致育因子）R质粒（抗药因子）质粒（抗药因子）Col质粒（大肠杆菌素因子）质粒（大肠杆菌素因子）Ti质粒质粒Ri质粒质粒巨大质粒巨大质粒降解质粒降解质粒致病性质粒致病性质粒共生固氮质粒共生固氮质粒隐蔽质粒隐蔽质粒1 1、F F质粒（致育因子）质粒（致育因子）TraTra区：编码转移相关区：编码转移相关蛋白；合成性纤毛蛋白；合
18、成性纤毛 2 2、R R质粒（抗药因子）质粒（抗药因子）RTFRTF基因基因（抗性转移因子）（抗性转移因子）抗性决定子（抗性决定子（抗抗生素、抗药、抗重金属）抗抗生素、抗药、抗重金属）3、Col质粒（大肠杆菌素因子）质粒（大肠杆菌素因子）产大肠杆菌素产大肠杆菌素细菌素：由细菌质粒编码产生的只能抑制或杀灭细菌素：由细菌质粒编码产生的只能抑制或杀灭近缘细菌或同种不同菌株的蛋白质。近缘细菌或同种不同菌株的蛋白质。Col质粒类型质粒类型非接合型：松弛型非接合型：松弛型接合型：严紧型接合型：严紧型4 4、TiTi质粒质粒：合成冠瘿碱、大型质粒：合成冠瘿碱、大型质粒5 5、RiRi质粒质粒：产生根毛、大型
19、质粒：产生根毛、大型质粒6 6、巨大质粒、巨大质粒：1000kb1000kb7 7、降解质粒、降解质粒：降解、接合：降解、接合8 8、致病性质粒：、致病性质粒：肠毒素、内毒素（肠毒素、内毒素（E.ColiE.Coli）溶血素、肠毒素（溶血素、肠毒素（S.aureusS.aureus）9 9、共生固氮质粒：、共生固氮质粒：结瘤基因（结瘤基因（nodnod）固氮基因（固氮基因（nifnif）1010、隐蔽质粒、隐蔽质粒：未有明确表型：未有明确表型工程质粒工程质粒-pBR322-pBR322主要特点：主要特点：1 1）分子量小）分子量小2 2）稳定、松弛型复制）稳定、松弛型复制3 3）可大量扩增可大
20、量扩增4 4）容易分离）容易分离5 5）可携带小于）可携带小于10kb10kb外源外源DNADNA6 6）带有带有2 2个选择标记个选择标记；7 7）多个单一酶切位点多个单一酶切位点 8 8）容易转化容易转化利用选择标记鉴别携带外源片段的转化子利用选择标记鉴别携带外源片段的转化子 (双抗菌素对照筛选）双抗菌素对照筛选）第四节第四节 基因突变及修复基因突变及修复一、基因突变的特点一、基因突变的特点二、几种常见的微生物突变类型二、几种常见的微生物突变类型三、诱变剂与致癌物质三、诱变剂与致癌物质Ames试验试验四、基因突变的修复四、基因突变的修复突变是指遗传物质突然发生了稳定的可遗传的变化。突变是指
21、遗传物质突然发生了稳定的可遗传的变化。突变包括突变包括染色体畸变和基因突变染色体畸变和基因突变两大类。两大类。染色体畸变染色体畸变是指染色体较大范围结构的变化，如缺失、是指染色体较大范围结构的变化，如缺失、重复、倒位、易位等。重复、倒位、易位等。染色体上基因本身的变化又称染色体上基因本身的变化又称基因突变基因突变(genemutation)。具有某种突变型的细胞或个体称为具有某种突变型的细胞或个体称为突变体突变体(mutant)。野生型菌株：从自然界分离获得的菌株。野生型菌株：从自然界分离获得的菌株。基本培养基：满足野生型菌株生长基本培养基：满足野生型菌株生长最低营养要求最低营养要求的合成培养
22、基。的合成培养基。细胞学上看细胞学上看不到遗传物不到遗传物质的变化质的变化细胞学上可以看细胞学上可以看到染色体的变化到染色体的变化一、基因突变的特点一、基因突变的特点适用于整个生物界，以细菌的抗药性为例：适用于整个生物界，以细菌的抗药性为例：u随机性：随机性：突变可以在没有人为诱变因素处理下自发突变可以在没有人为诱变因素处理下自发地产生。地产生。u独立性独立性：各种突变独立发生，不会互相影响。：各种突变独立发生，不会互相影响。u可逆性可逆性：从原始的野生型基因到变异株的突变称为：从原始的野生型基因到变异株的突变称为正向突变，从突变株回到野生型的过程则称为回复正向突变，从突变株回到野生型的过程则
23、称为回复突变或回变。突变或回变。u稳定性稳定性：变异性状稳定可遗传。：变异性状稳定可遗传。u稀有性稀有性：突变率低且稳定。：突变率低且稳定。u不对应性不对应性：突变的性状与突变原因之间无直接的：突变的性状与突变原因之间无直接的对应关系。对应关系。u自发性自发性：突变可以在没有人为诱变因素处理下自：突变可以在没有人为诱变因素处理下自发地产生。发地产生。u可诱发性可诱发性：诱变剂可提高突变率。：诱变剂可提高突变率。一、基因突变的特点（续）一、基因突变的特点（续）1 1、依表型的改变分为、依表型的改变分为:形态突变型：指细胞形态结构发生变化或引起菌落形态改变的形态突变型：指细胞形态结构发生变化或引起
24、菌落形态改变的那些突变类型。那些突变类型。生化突变型：没有形态效应的突变型。常见的是营养缺陷型生化突变型：没有形态效应的突变型。常见的是营养缺陷型（因突变而丧失产生某种生物合成酶的能力，必须在培养基中（因突变而丧失产生某种生物合成酶的能力，必须在培养基中添加某种物质才能生长的突变类型），添加某种物质才能生长的突变类型），基因基因：his+，his-；表表型型：His+，His-。致死突变型：由于基因突变而造成个体死亡或生活力下降的突致死突变型：由于基因突变而造成个体死亡或生活力下降的突变型。造成个体生活力下降的突变型称为半致死突变型。变型。造成个体生活力下降的突变型称为半致死突变型。二、基因突
25、变的类型二、基因突变的类型条件致死突变型：突变后在某种条件下可正常生长繁殖，而在条件致死突变型：突变后在某种条件下可正常生长繁殖，而在另一条件下却无法生长繁殖的突变型。另一条件下却无法生长繁殖的突变型。抗性突变型：因突变而产生了对某种化学药物或致死物理因子抗性突变型：因突变而产生了对某种化学药物或致死物理因子的抗性。的抗性。基因基因：strr、strs；tetr、tets；表型表型：Strr，Strs发酵突变型：丧失产生某种生物合成酶能力的突变型。发酵突变型：丧失产生某种生物合成酶能力的突变型。抗原突变型：因突变而引起的抗原结构发生改变。抗原突变型：因突变而引起的抗原结构发生改变。产量突变型：
26、产量突变型：通过基因突变而产生的在代谢产物产量上明显有通过基因突变而产生的在代谢产物产量上明显有别于原始菌株的突变株。别于原始菌株的突变株。2、依突变所引起的遗传信息的改变分为：、依突变所引起的遗传信息的改变分为：u错义突变错义突变：突变造成一个不同氨基酸的置换。：突变造成一个不同氨基酸的置换。u同义突变同义突变：碱基突变后编码的氨基酸与野生型的氨基酸相同。：碱基突变后编码的氨基酸与野生型的氨基酸相同。u无义突变无义突变：当碱基突变后形成终止密码子，使蛋白质合成提：当碱基突变后形成终止密码子，使蛋白质合成提前终止。前终止。无义突变分为无义突变分为琥珀突变、赭石突变和乳白突变琥珀突变、赭石突变和
27、乳白突变。琥珀突变是指碱基突变后形成的终止密码子为琥珀突变是指碱基突变后形成的终止密码子为UAG；赭石突变是指碱基突变后形成的终止密码子为赭石突变是指碱基突变后形成的终止密码子为UAA；乳白突变是指碱基突变后形成的终止密码子为乳白突变是指碱基突变后形成的终止密码子为UGA。3、依遗传物质的结构改变分为：、依遗传物质的结构改变分为：u碱基置换突变碱基置换突变：由一个错误的碱基对替代一个正确：由一个错误的碱基对替代一个正确的碱基对的突变。的碱基对的突变。一个嘌呤被另一个嘌呤所取代，或者一个嘧啶被另一个嘧啶所取一个嘌呤被另一个嘌呤所取代，或者一个嘧啶被另一个嘧啶所取代的置换代的置换转换转换（tran
28、sition）；）；一个嘌呤被另一个嘧啶所取代或一个嘧啶被另一个嘌呤所替代的一个嘌呤被另一个嘧啶所取代或一个嘧啶被另一个嘌呤所替代的置换置换颠换颠换（transversion）。）。可产生可产生4种不同的转换和种不同的转换和8种不同的颠换。种不同的颠换。自然界的突变，转换多于颠换。自然界的突变，转换多于颠换。碱基置换会导致蛋白一级结构氨基酸组成的改变而影响蛋白质酶碱基置换会导致蛋白一级结构氨基酸组成的改变而影响蛋白质酶生物的功能。生物的功能。u移码突变：移码突变：指指DNA链上插入或丢失链上插入或丢失1个、个、2个甚至多个甚至多个碱基（但不是三联体密码子及其倍数），在读码个碱基（但不是三联体密
29、码子及其倍数），在读码时，由于原来的密码子移位，导致在插入或丢失碱时，由于原来的密码子移位，导致在插入或丢失碱基部位以后的编码都发生了相应改变。基部位以后的编码都发生了相应改变。移码突变造成的肽链延长或缩短，取决于移码终止密码子推移码突变造成的肽链延长或缩短，取决于移码终止密码子推后或提前出现。后或提前出现。移码突变诱发的原因是一些像吖啶类染料分子能插入移码突变诱发的原因是一些像吖啶类染料分子能插入DNA分分子，使子，使DNA复制时发生差错，导致移码突变。复制时发生差错，导致移码突变。u整码突变：整码突变：如果在如果在DNA链的密码子之间插入或丢失一链的密码子之间插入或丢失一个或几个密码子，则
30、合成的肽链将增加或减少一个或个或几个密码子，则合成的肽链将增加或减少一个或几个氨基酸，但插入或丢失部位的前后氨基酸顺序不几个氨基酸，但插入或丢失部位的前后氨基酸顺序不变变整码突变（整码突变（codonmutation）或密码子插入）或密码子插入或丢失（或丢失（codoninsertionordeletion）。）。u染色体错误配对不等交换：染色体错误配对不等交换：减数分裂期间，同源染色减数分裂期间，同源染色体间的同源部分发生联会和交换，如果联会时配对不体间的同源部分发生联会和交换，如果联会时配对不精确，会发生不等交换，造成一部分基因缺失和部分精确，会发生不等交换，造成一部分基因缺失和部分基因重
31、复基因重复DNA片段插入和缺失。片段插入和缺失。4、按突变的条件和原因分为：、按突变的条件和原因分为：u自发突变：自发突变：指某种微生物在自然条件下，没有人工参指某种微生物在自然条件下，没有人工参与而发生的基因突变。与而发生的基因突变。过去，人们认为自发突变是由于过去，人们认为自发突变是由于自然界中存在的辐射因素和环境诱变剂自然界中存在的辐射因素和环境诱变剂所引所引起的。起的。深入研究表明，绝大多数的自发突变起源于细胞内部的一些生命活动过程，深入研究表明，绝大多数的自发突变起源于细胞内部的一些生命活动过程，如遗传重组的差错和如遗传重组的差错和DNA复制的差错，这些差错的产生与酶的活动相关联。复
32、制的差错，这些差错的产生与酶的活动相关联。u诱发突变：诱发突变：利用物理的或化学的因素处理微生物群体，利用物理的或化学的因素处理微生物群体，促使少数个体细胞的促使少数个体细胞的DNA分子结构发生改变，基因内分子结构发生改变，基因内部碱基配对发生错误，引起微生物的遗传性状发生突部碱基配对发生错误，引起微生物的遗传性状发生突变。凡能显著提高突变率的因素都称诱发因素或诱变变。凡能显著提高突变率的因素都称诱发因素或诱变剂。剂。5 5、按是否比较容易、迅速地分离到发生突变的细胞来、按是否比较容易、迅速地分离到发生突变的细胞来分：分：u 选择性突变株选择性突变株（selective mutantselec
33、tive mutant）：）：具有选择标具有选择标记（如营养缺陷性、抗性突变型、条件致死突变型），记（如营养缺陷性、抗性突变型、条件致死突变型），只要选择适当的环境条件，如培养基、温度、只要选择适当的环境条件，如培养基、温度、pHpH值等，值等，就比较容易检出和分离到。就比较容易检出和分离到。u非选择性突变株非选择性突变株（non-selective mutantnon-selective mutant）：）：无选无选择标记（如产量突变型、抗原突变型、形态突变型），择标记（如产量突变型、抗原突变型、形态突变型），能鉴别这种突变体的惟一方法是检查大量菌落并找出能鉴别这种突变体的惟一方法是检查大量
34、菌落并找出差异。差异。三、三、Ames试验试验nAmes试验：利用细菌模型了解潜在化学致癌物的诱试验：利用细菌模型了解潜在化学致癌物的诱变作用。变作用。n生物化学统一性生物化学统一性”法则：法则：人和细菌在人和细菌在DNA的结构及特性方面是一致的，能使微生物发的结构及特性方面是一致的，能使微生物发生突变的诱变剂必然也会作用于人的生突变的诱变剂必然也会作用于人的DNA，使其发生突变，使其发生突变，最后造成癌变或其他不良的后果。最后造成癌变或其他不良的后果。n诱变剂的共性原则：诱变剂的共性原则：化学药剂对细菌的诱变率与其对动物的致癌性成正比化学药剂对细菌的诱变率与其对动物的致癌性成正比超过超过95
35、%的致癌物质对微生物有诱变作用的致癌物质对微生物有诱变作用90%以上的非致癌物质对微生物没有诱变作用以上的非致癌物质对微生物没有诱变作用Amestest：对化学诱变剂做检测：对化学诱变剂做检测 原理：his-在基在基本培养基上不本培养基上不长；而；而发生回生回复突复突变则长。菌种：鼠菌种：鼠伤寒寒沙沙门氏菌氏菌 his-美国加利福尼亚大学的美国加利福尼亚大学的Bruce Ames教授于教授于1966年发明，年发明，因此称为因此称为Ames试验。试验。具体操作：具体操作：检测鼠伤寒沙门氏菌检测鼠伤寒沙门氏菌(Salmonella typhmurium)组氨酸组氨酸营养缺陷型菌株营养缺陷型菌株(h
36、is-)的回复突变率。的回复突变率。回复突变：回复突变：突变体失去的野生型性状，可以通过第二突变体失去的野生型性状，可以通过第二次突变得到恢复，这种第二次突变称为回复突变。次突变得到恢复，这种第二次突变称为回复突变。用用AmesAmes法检测法检测诱变剂诱变剂证明证明Ames试验重要性的应用实例：试验重要性的应用实例：国外曾开发了一种降低妇女妊娠反应的药物国外曾开发了一种降低妇女妊娠反应的药物“反应停反应停”，由于其药效显著，在，由于其药效显著，在60-70年代十分流行年代十分流行但随后人们就发现畸形儿的出生率明显增高，而且生但随后人们就发现畸形儿的出生率明显增高，而且生产畸形儿的妇女大多曾服
37、用产畸形儿的妇女大多曾服用“反应停反应停”，后来采用，后来采用Ames试验发现这种物质的确具有很强的致突变作用，试验发现这种物质的确具有很强的致突变作用，因此这种药物被禁止使用因此这种药物被禁止使用但如果能在这种药物上市之前就进行但如果能在这种药物上市之前就进行Ames试验检测，试验检测，那么这种大量出生畸形儿的悲剧完全可以避免。那么这种大量出生畸形儿的悲剧完全可以避免。四、基因突变的修复四、基因突变的修复光修复光修复错配修复错配修复切除修复切除修复重组修复重组修复SOS修复修复DNA修复修复(DNArepairing)是细胞对是细胞对DNA受损伤后的一种反应，受损伤后的一种反应，这种反应可能
38、使这种反应可能使DNA结构恢复原样，重新能执行它原来的功结构恢复原样，重新能执行它原来的功能；能；有时并非能完全消除有时并非能完全消除DNA的损伤，只是使细胞能够耐受这种的损伤，只是使细胞能够耐受这种DNA的损伤而能继续生存。的损伤而能继续生存。未能完全修复而存留下来的损伤会在适合的条件下显示出来未能完全修复而存留下来的损伤会在适合的条件下显示出来(如细胞的癌变等如细胞的癌变等)，细胞不具备修复功能，则无法对付经常，细胞不具备修复功能，则无法对付经常发生的发生的DNA损伤，就不能生存。损伤，就不能生存。研究研究DNA修复也是探索生命的一个重要方面，而且与军事医修复也是探索生命的一个重要方面，而
39、且与军事医学、肿瘤学等密切相关。对不同的学、肿瘤学等密切相关。对不同的DNA损伤，细胞可以有不损伤，细胞可以有不同的修复反应。同的修复反应。u一一些些物物理理化化学学因因子子如如紫紫外外线线、电电离离辐辐射射和和化化学学诱诱变变剂剂均均可可引引起起DNA损损伤伤，破破坏坏其其结结构构与与功功能能。然然而而在在一一定定条条件件下下，生生物物机体能使这种损伤得到修复。机体能使这种损伤得到修复。u紫紫外外线线可可使使DNA分分子子中中同同一一条条链链上上两两个个相相邻邻的的胸胸腺腺嘧嘧啶啶碱碱基基之之间间形形成成二二聚聚体体（TT），两两个个T以以共共价价键键形形成成环环丁丁烷烷结结构构。CT、CC
40、间也可形成少量二聚体，使复制、转录受阻。间也可形成少量二聚体，使复制、转录受阻。u细细胞胞内内具具有有一一系系列列起起修修复复作作用用的的酶酶系系统统，可可以以除除去去DNA上上的的损损伤伤，恢恢复复DNA的的双双螺螺旋旋结结构构。目目前前已已知知有有多多种种酶酶修修复复系系统统：光光复复活活、错错配配修修复复、切切除除修修复复、重重组组修修复复、SOS反反应应诱诱导导的的修复。修复。(一一)光修复（光修复（光复活作用）光复活作用）u光复活作用：经紫外线照射后的微生物立即暴露于可见光下光复活作用：经紫外线照射后的微生物立即暴露于可见光下时，可明显降低其死亡率的现象。时，可明显降低其死亡率的现象
41、。这一现象最早是这一现象最早是A.Kelner（1949）在灰色链霉菌中发现的。）在灰色链霉菌中发现的。后来，在许多微生物中都得到了证实。最明显的是在后来，在许多微生物中都得到了证实。最明显的是在E.coli的的实验中：实验中：对照：对照：8106个个/mlE.coliU.V.100个个/mlE.coli试验：试验：8106个个/mlE.coli U.V.360490nm2106个个/mlE.coli可见光，可见光，30分分嘧啶嘧啶嘧啶二聚体嘧啶二聚体UV光复活作用光复活作用嘧啶二聚体嘧啶二聚体嘧啶嘧啶光解酶光解酶紫外线对紫外线对DNA的损伤的损伤u经紫外线照射后形成的带有经紫外线照射后形成的
42、带有TT二聚体的二聚体的DNA分子，在黑暗下分子，在黑暗下会被一种光激活酶（会被一种光激活酶（photoreactivatingenzyme）即光裂合）即光裂合酶（酶（photolyase）结合，当形成的复合物暴露在可见光）结合，当形成的复合物暴露在可见光（300500nm，最有效，最有效400nm）下时，此酶会因获得光能）下时，此酶会因获得光能而发生解离，从而使二聚体重新分解成单体。与此同时，光而发生解离，从而使二聚体重新分解成单体。与此同时，光激活酶也从复合物中释放出来，以便重新执行功能。每一激活酶也从复合物中释放出来，以便重新执行功能。每一E.coli细胞中约含有细胞中约含有25个光激活
43、酶分子。个光激活酶分子。u一般微生物都存在光复活作用，所以进行紫外诱变育种时，一般微生物都存在光复活作用，所以进行紫外诱变育种时，只能在红光下照射及处理照射后的菌液。只能在红光下照射及处理照射后的菌液。u高等哺乳动物没有此酶。高等哺乳动物没有此酶。光复活作用是高度专一的直接修复方式。只作用于紫外光复活作用是高度专一的直接修复方式。只作用于紫外线引起的线引起的DNA嘧啶二聚体。光复活酶在生物界分布很嘧啶二聚体。光复活酶在生物界分布很广，从低等单细胞生物一直到鸟类都有，而高等的哺乳广，从低等单细胞生物一直到鸟类都有，而高等的哺乳类却没有。这种修复方式在植物中特别重要。高等动物类却没有。这种修复方式
44、在植物中特别重要。高等动物更重要的是暗修复，即切除含嘧啶二聚体的核酸链，然更重要的是暗修复，即切除含嘧啶二聚体的核酸链，然后再修复合成。后再修复合成。另一种直接修复的例子是另一种直接修复的例子是O6甲基鸟嘌呤的修复。甲基鸟嘌呤的修复。在烷化剂作用下碱基可被烷基化，并改变了碱基配对在烷化剂作用下碱基可被烷基化，并改变了碱基配对的性质。的性质。甲基化的鸟嘌呤在甲基化的鸟嘌呤在O6甲基鸟嘌呤甲基鸟嘌呤DNA甲基转移酶甲基转移酶作用下，可将甲基转移到酶自身的半胱氨酸残基上。作用下，可将甲基转移到酶自身的半胱氨酸残基上。甲基转移酶因此而失活，但却成为其自身基因和另一甲基转移酶因此而失活，但却成为其自身基
45、因和另一些修复酶基因转录的活化物，促进它们的表达。些修复酶基因转录的活化物，促进它们的表达。（二）错配修复（二）错配修复错配修复机制是在对大肠杆菌的研究中被阐明的。错配修复机制是在对大肠杆菌的研究中被阐明的。DNA复制过程中发生错配，新合成链被校正，基因编码信息复制过程中发生错配，新合成链被校正，基因编码信息可得到恢复；模板链被校正，突变被固定。可得到恢复；模板链被校正，突变被固定。细胞错配修复系统能够区分细胞错配修复系统能够区分“旧旧”链和链和“新新”链。链。Dam甲基甲基化酶可使化酶可使DNA的的GATC序列中腺嘌呤序列中腺嘌呤N6位甲基化。复制后位甲基化。复制后DNA在短期内在短期内(数
46、分钟数分钟)为半甲基化的为半甲基化的GATC序列，一旦发现错序列，一旦发现错配碱基，即将未甲基化的链切除，并以甲基化的链为模板进行配碱基，即将未甲基化的链切除，并以甲基化的链为模板进行修复合成。修复合成。u 原核生物利用甲基化区分原核生物利用甲基化区分old strand old strand 和和new strandnew strand，因此原核细胞中的错配修复也称甲基化指导的错配修因此原核细胞中的错配修复也称甲基化指导的错配修复（复（methyl-directed mismatch repairmethyl-directed mismatch repair）。）。u原核细胞原核细胞DNAD
47、NA的甲基化位点位于的甲基化位点位于5GATC5GATC序列中腺嘌呤序列中腺嘌呤碱基的碱基的6 6位位N N原子上，催化甲基化的酶为原子上，催化甲基化的酶为DamDam甲基化酶甲基化酶（Dam Dam methylasemethylase）。）。u刚合成的刚合成的DNADNA新链上的新链上的GATCGATC序列还没有来得及甲基化序列还没有来得及甲基化，而作为模板的而作为模板的old strandold strand早已被甲基化了，利用这种差早已被甲基化了，利用这种差别区分别区分old strand old strand 和和 new strandnew strand。一旦发现错配碱基，即将未甲
48、基化的链切除，一旦发现错配碱基，即将未甲基化的链切除，并以甲基化的链为模板进行修复合成。并以甲基化的链为模板进行修复合成。大肠杆菌参与错配修复的蛋白质至少有大肠杆菌参与错配修复的蛋白质至少有12种。种。有的区分两条链，有的进行修复。有的区分两条链，有的进行修复。其中几个特有的蛋白由其中几个特有的蛋白由mut基因编码，基因编码，如如MutS、MutL、MutH。uMutS二聚体识别并结合到二聚体识别并结合到DNA的的错配碱基部位错配碱基部位uMutL二聚体与二聚体与MutS结合为结合为MutSLuMutSL可沿可沿DNA双链向两方向移双链向两方向移动，动，DNA由此形成突环由此形成突环u水解水解
49、ATP提供的能量驱使复合物移提供的能量驱使复合物移动，直至遇到动，直至遇到GATC序列为止序列为止uMutH核酸内切酶结合到核酸内切酶结合到MutSL上，上，并在未甲基化链并在未甲基化链GATC位点的位点的5端切端切开。切开处位于错配碱基的开。切开处位于错配碱基的3侧，由侧，由核酸外切酶核酸外切酶I或核酸外切酶或核酸外切酶X沿沿35方向切除核酸链；切开处位于方向切除核酸链；切开处位于5侧，侧，由核酸外切酶由核酸外切酶或或RecJ沿沿53方方向切除核酸链向切除核酸链u解螺旋酶解螺旋酶和和SSB帮助链的解开帮助链的解开u新的新的DNA链由链由DNA聚合酶聚合酶和和DNA连接酶合成并连接。连接酶合成
50、并连接。真核生物的真核生物的DNA错配修复机制与原核生物大致相同。错配修复机制与原核生物大致相同。人类的人类的hMSH2(humanMutshomolog2)和和hMLHl(humanMutLhomologl)基因编码的蛋白质能基因编码的蛋白质能够识别错配碱基和够识别错配碱基和GATC序列，与大肠杆菌对应的序列，与大肠杆菌对应的MutS和和MutL一样，其余过程也都有对应的成分来完一样，其余过程也都有对应的成分来完成。成。错配修复是一个非常耗能的过程。错配修复是一个非常耗能的过程。为了校正一个错配碱基，不仅需要找出错配碱基本身，为了校正一个错配碱基，不仅需要找出错配碱基本身，还要从远在还要从远