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1、第六章微生物的遗传和变异第一节 遗传变异的物质基础第二节质粒和转座因子第三节基因突变和修复第四节细菌的基因转移和重组第五节真核微生物的遗传学特性第六节微生物的育种第一节 遗传变异的物质基础一、DNA作为遗传物质1，格里菲思转化（Griffith）实验 肺炎链球菌S型菌株加热杀死注入小鼠体内后小鼠不死，而且也不能从小鼠体内重新分离到肺炎球菌。将S型菌株加热杀死后和小量活的非致病的R型菌（由S型突变而来）一起注入小鼠体内后小鼠死亡，而且从小鼠体内重新分离到活的S肺炎球菌。这种现象唯一合理的解释是：活的、非致病型的R型从已被杀死的S中获得了遗传物质，使其成为产生荚膜、有致病性的S型。当分别用降解DN
2、A、RNA或蛋白质的酶作用与有毒的S型细胞提取物，选择性地破坏这些细胞成分，然后分别与无毒的R型细胞混合，结果发现：只有DNA被酶降解遭到破坏的抽提物无转化作用。从而证明DNA是转化所必需的转化因子。2，T2噬菌体感染实验用32P标记病毒的DNA，35S标记病毒的蛋白质外壳。然后将这两种不同标记的病毒分别与宿主大肠杆菌混合，结果发现：用含有35S蛋白质的T2噬菌体感染大肠杆菌时，大多数放射性留在宿主细胞的外边，而用含有32PDNA的 T2噬 菌 体 感 染 大 肠 杆 菌 时，32PDNA注入宿主细胞，并产生噬菌体后代，这些T2噬菌体后代的蛋白质外壳的组成、形状大小等特性均与留在细胞外的蛋白质
3、外壳完全相同，这说明决定蛋白质外壳的遗传信息是在DNA上。二、RNA作为遗传物质TMV拆分重建实验：分别提取TMV的蛋白质和HR（TMV的变种）的RNA，通过重建获得杂种病毒。TMV抗血清使杂种病毒失活，HR抗血清不能使杂种病毒失活，说明杂种病毒的蛋白质外壳来自TMV；杂种病毒感染烟草产生HR所特有的病斑，说明杂种病毒的感染特性是由HR的RNA所决定；从病斑中再分离得到的子代病毒的蛋白质外壳是HR蛋白质，而不是TMV蛋白质。实验表明T2的遗传物质是RNA。三、基因基因：是一个具有遗传因子效应的DNA片断，是遗传物质的最小功能单位。基因组：是指存在于细胞或病毒中的所有基因。性状：构成一个生物个体
4、的所有的有关结构、形态、物质和功能等方面的总称。基因决定性状，性状是基基因因表表达达的最终结果。四、原核微生物的遗传物质 原核微生物无典型的染色体结构，但是通常都称核区中的DNA为染色体DNA.。染色体DNA是原核微生物的主要遗传物质，直接存在于原核之中，一般为dsDNA，基因数103104。大肠杆菌基因组特点：1，遗传信息是连续的。2，功能相关的结构基因组成操纵子结构，有些功能相关的RNA基因也串联在一起。4100个基因，2584个操纵子，16SrRNA基因-23SrRNA基因-5SrRNA基因串联在一起。3，结构基因在基因组中多为单拷贝。rRNA基因多拷贝，7个rRNA操纵子。4，基因组的
5、重复序列少而短。重复序列一般为4-40个碱基。（质粒和转座因子是细胞中除染色体之外的另外两类遗传因子。）五、真核微生物的遗传物质染色体DNA存在于核内的染色体中，双链，每一条染色体只含有一条线状双链DNA。代表，啤酒酵母，16条染色体。啤酒酵母基因组特点：1，高度重复：tRNA基因在每条染色体上至少有4个，共约250个拷贝。2，没有明显的操纵子结构，有间隔区或内含子序列。3，基因组上有许多较高同源性的DNA重复序列(即遗传丰余)。（核外遗传物质线粒体DNA、叶绿体DNA）六、古生菌-詹氏甲烷球菌的基因组1，几乎有一半基因在现有的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。如环形染
6、色体DNA、功能相关的基因组成操纵子、基本上无内含子等。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，特别是古生菌的转录起始系统基本上与真核生物一样。如RNA聚合酶、启动子结构、翻译延伸因子等。第二节质粒和转座因子质粒和转座因子是细胞中除染色体之外的另外两类遗传因子。一、质粒1，概念 质粒：一种独立于染色体外、能进行自主复制自主复制的细胞质遗传物质。2，质粒的特性（1）通常是共价闭合、环状、双链DNA分子。比染色体DNA小得多，约含50100个基因。（2）具有自我复制能力。（3）质粒基因不是宿主生长所必需的，消除质粒后不会影响到宿主细胞的生存，但是却决定宿主细胞的某些性状，如抗
7、药性、接合作用等。（4）具有不相容性（不亲和性），当细胞内有一种质粒时，可干扰第二种近缘质粒进行复制。（5）质粒可自行或以人工方法消除。3，质粒类型（1）根据质粒所编码的功能和赋予宿主的表型效应A：致育质粒（致育因子、F因子、F质粒）:是最早发现的一种与大肠杆菌的有性生殖有关的质粒。携带F质粒的菌株称为F+，不携带F质粒的菌株称为F-，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（Hfr），当高频重组菌株（Hfr）上的F因子通过重组恢复成自主状态时，有时可将其相邻的染色体基因一起切割下来，而成为携带某一染色体基因的F因子，将这些携带不同基因的F因子统称为F，携带F因子的菌株也常用F表示。
8、B：抗性质粒（抗性因子、R因子、R质粒）:包括抗药性和抗金属性两大类。C：细菌素质粒:（细菌素是细菌产生的一般只能抑制或杀死种内不同亚种或菌株中敏感细菌的特殊多肽类代谢产物。）如col质粒。D：毒性质粒（致病质粒）:质粒上具有编码毒素的基因，如Ti质粒。E：代谢质粒（降解质粒）:这类质粒上携带有能降解某些基质的基因，这类质粒还包括一些能编码固氮功能的质粒。F：隐秘质粒:不显示任何表型效应，只有通过物理方法才能发现。（2）根据质粒的拷贝数A：高拷贝质粒（松弛型质粒）10-100B：低拷贝质粒（严谨型质粒）1-4（3）根据宿主范围A：窄宿主范围质粒:质粒的复制起点较特异，只能在一种特定的宿主细胞中
9、复制。B：广宿主范围质粒二、转座因子转座因子是细胞中（位于染色体或质粒上）能够改变自身位置的一段特殊的DNA序列。1，转座因子的类型 根据转座因子分子结构和特点可分为三大类：（1）插入顺序（插入序列IS）插入顺序:只含有编码转座所必需的转座酶基因，也称跳跃基因。如IS4。（2）转座子（易位子，Tn）:包括复合转座子和复杂转座子两种类型。（3）转座噬菌体:具有转座功能的一类可引起突变的溶源性噬菌体。如Mu。2，转座的遗传学效应（1）插入突变（2）染色体畸变（DNA的缺失和倒位）（3）基因的移动和重排第三节基因突变和修复一、基因突变的类型DNA分子中一对或少数几对碱基发生变化称为基因突变（狭义的基
10、因突变），也称点突变。1，根据碱基变化对遗传信息的改变不同可分为：（1）同义突变：某个碱基的变化没有改变产物氨基酸序列的密码子变化。（2）错义突变：碱基序列的改变引起了产物氨基酸的改变。（3）无义突变：某个碱基的改变，使代表某种氨基酸的密码子变为蛋白质合成的终止密码子（UAA,UAG,UGA）。（4）移码突变：由于DNA序列中发生12个核苷酸的缺失或插入，使翻译的阅读框发生改变，从而导致从改变位置以后的氨基酸序列的完全变化。2，根据突变所引起的表型变化可分为：表型：可观察或可检测到的个体性状或特征，是特定的基因型在一定环境条件下的表现。（1）营养缺陷型（2）抗药性突变型（3）条件致死突变型（4
11、）形态突变型二、基因突变规律1，自发突变（1）彷徨实验（又称变量实验或波动实验）（2）涂布实验（3）影印培养实验2，自发基因突变的分子基础（1）碱基的互变异构体形成不同碱基配对（2）在DNA复制时短的DNA片断的插入或缺失（3）随机插入基因组的转座因子3，突变规律（1）非对称性（随机性）（2）稀有性（3）规律性（4）独立性（5）遗传和回复性（6）可诱变性三、诱发突变（一）诱变剂种类：1,碱基类似物：5-溴尿嘧啶等。2,插入染料：溴化乙锭、丫啶橙等。3,直接与DNA碱基起化学反应的诱变剂：NH2OH等。4,辐射和热：UV等。5,生物诱变因子：转座因子等。（二）诱变剂与致癌物质Ames试验凡是致癌
12、剂都是诱变剂，化学药剂对细菌的诱变率与其对动物的致癌率成正比关系，所以只要试验一下某化学物质对细菌是否有诱变性，便可推测它的致癌性。其原理是；组氨酸缺陷型在基本培养基上不能生长，如果待测样品具有诱变作用而使其发生回复突变后即能在基本培养基上生长，从而初步判断待测样品是否具有诱变作用。将待测样品与从老鼠肝脏抽提的酶混合在一起适当保温后，用直径约23mm的圆形滤纸片吸取待测样品，放置在含有鼠伤寒沙门氏细菌组氨酸缺陷型突变株的基本培养基平板中央，370C培养1624小时。如有诱变作用，则在滤纸片周围即可长出回复突变的菌落，由于试验纸片的化学药剂向四周扩散而形成自然的浓度梯度，故在浓度最高即离试验纸片
13、近的地方，细菌会全部被杀死，因而无菌落形成；而离试验滤纸片较远的适宜地方形成回复突变的菌落最多。（实验所用的细菌必须不含有DNA修复酶）四、DNA的损伤修复1，光复活作用（光修复）2，切除修复3，重组修复4，SOS修复（另外：适应修复，DNA酶的校正作用）（光修复、切除修复、重组修复是避免差错的修复，SOS修复是倾向差错的修复）第四节、细菌的基因转移和重组基因重组是指来自两种不同亲本的DNA分子在同一生物体内经过交换作用而产生新的重组DNA分子的现象。在真核生物内，基因重组主要通过典型的有性生殖方式有规律地进行，而在细菌及放线菌等原核生物中，由于缺少完全的有性生殖方式，不能形成真正的融合细胞。
14、所以它们的基因重组只能在特定的条件下才能发生，一般只能以转化、接合和转导方式由供体菌进入受体菌而形成重组子。一、细菌的接合作用接合作用是指通过细胞与细胞的直接接触而产生的遗传信息的转移和重组过程。质粒起主要作用。二、转导作用转导：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的过程。（是由病毒介导的细胞间进行的遗传物质交换一种形式。）能将一个细菌宿主的部分染色体或质粒DNA带到另一个细菌的噬菌体称为转导噬菌体。转导可分为普遍性转导和局限性转导两种类型。在普遍性转导中，噬菌体可以转导供体染色体的任何部分到受体细胞中（如P22）；而在局限性转导中，噬菌体总是携带同样的DNA片断到
15、受体细胞中。普遍性转导中外源普遍性转导中外源DNA的三种后果的三种后果1)进入受体的外源进入受体的外源DNA通过与细胞染色体的重组通过与细胞染色体的重组交换而形成稳定的转导子交换而形成稳定的转导子.2)如果转导如果转导DNA不能进行重组和复制，其上的基不能进行重组和复制，其上的基因仅经过转录而得到表达，就成为流产转导因仅经过转录而得到表达，就成为流产转导（abortive transduction），其特点是在选择培养），其特点是在选择培养基平板上形成微小菌落。基平板上形成微小菌落。DNA不能复制，因此群不能复制，因此群体中仅一个细胞含有体中仅一个细胞含有DNA，而其它细胞只能得到，而其它细胞
16、只能得到其基因产物，形成微小菌落。其基因产物，形成微小菌落。3）被降解）被降解,转导失败，在选择平板上无菌落形成。转导失败，在选择平板上无菌落形成。局限性转导局限性转导(specialized transduction):(specialized transduction):温和噬菌体感染受体菌后，其染色体会整合到细菌染色温和噬菌体感染受体菌后，其染色体会整合到细菌染色体的特定位点上，从而使宿主细胞发生溶源化，例如体的特定位点上，从而使宿主细胞发生溶源化，例如噬菌体，其插入位点的二侧分别是噬菌体，其插入位点的二侧分别是galgal和和biobio基因；基因；如果该溶源菌因诱导而发生裂解时，在原
17、噬菌体二侧的如果该溶源菌因诱导而发生裂解时，在原噬菌体二侧的少数宿主基因，（对少数宿主基因，（对噬菌体分别是噬菌体分别是galgal和和biobio基因），基因），会因偶尔发生的不正常切割而连在噬菌体会因偶尔发生的不正常切割而连在噬菌体DNADNA上，由此产上，由此产生了一类特殊的噬菌体生了一类特殊的噬菌体-缺陷噬菌体，缺陷噬菌体，缺陷噬菌体除含大部分自身的缺陷噬菌体除含大部分自身的DNADNA外，缺失的基因被几个外，缺失的基因被几个位于前噬菌体整合位点附近的宿主基因取代，这样形成位于前噬菌体整合位点附近的宿主基因取代，这样形成的杂合的杂合DNADNA分子在宿主细胞内能够象正常的分子在宿主细胞
18、内能够象正常的DNADNA分子一分子一样进行复制、包装，提供所需要的裂解功能，形成转导样进行复制、包装，提供所需要的裂解功能，形成转导颗粒。颗粒。但该缺陷噬菌体没有正常噬菌体的溶源性和增殖能力，但该缺陷噬菌体没有正常噬菌体的溶源性和增殖能力，感染受体细胞后，通过感染受体细胞后，通过DNADNA整合进宿主染色体而形成稳定整合进宿主染色体而形成稳定的转导子。的转导子。局限性转导与普遍性转导的主要区别：局限性转导与普遍性转导的主要区别：1 1）被转导的基因共价地与噬菌体被转导的基因共价地与噬菌体DNADNA连接，与噬菌体连接，与噬菌体DNADNA一起进行复制、包装一起进行复制、包装以及被导入受体细胞
19、中。而完全转导包以及被导入受体细胞中。而完全转导包装的可能全部是宿主菌的基因；装的可能全部是宿主菌的基因；2 2）局限性转导颗粒携带特定的染色局限性转导颗粒携带特定的染色体片段并将固定的个别基因导入受体，体片段并将固定的个别基因导入受体，故称为局限性转导。故称为局限性转导。三、转化 遗传转化：同源或异源的游离DNA分子被自然或人工感受态细胞摄取，并得到表达的水平方向的基因转移过程。感受态：细菌能够从周围环境中吸收DNA分子进行转化的状态。Themechanismofbacterialtransformation(a)BindingoffreeDNAbyamembrane-boundDNAbin
20、dingprotein.(b)Passageofoneofthetwostrandsintothecellwhilenucleaseactivitydegradestheotherstrand.(c)Thesinglestrandinthecellisboundbyspecificproteins,andrecombinationwithhomologousregionsofthebacterialchromosomemediatedbyRecAproteinoccurs.The introduction of DNA into cells by mixing the DNA and the
21、cellTransformed cellConjugationTransformationTransduction第五节、真核微生物的遗传学特性真核微生物可以进行有性繁殖。真核微生物的有性生殖和性的融合发生于单倍体核之间，核融合后进行减数分裂，并发育成新的单倍体细胞。亲本的基因重组主要是通过染色体的独立分离和染色体之间的交换。所以DNA的转移和重组在许多方面不同于原核微生物。真菌除了同时具有有性生殖和无性生殖外，还有异核现象和准性生殖。一、酵母菌的接合型遗传 酿酒酵母的单倍体细胞可分为a和两种接合型。一个单倍体细胞是a型还是型是由其本身的遗传特性决定的稳定特征，由第三条染色体上的一对等位基因M
22、ATa和MAT控制。a和型配子细胞接合后，形成a/二倍体细胞，二倍体细胞可出芽繁殖但不具有接合能力，当环境发生变化时（如营养贫乏）二倍体细胞通过减数分裂产生子囊和子囊孢子，子囊孢子又可转化为接合型分别为a和型的单倍体配子。研究发现：一种接合型的单倍体细胞有时会发生转变，即由a型变为型或再由型回到a型，受MAT启动子控制。二、酵母菌的质粒大多数酵母菌菌株含有2um质粒。三、酵母菌的线粒体 酿酒酵母线粒体（mtDNA）是双链环状分子，约75kb,只编码少数几种最基本的线粒体成分。大多数线粒体蛋白质是由细胞核基因编码的。四、丝状真菌的准性生殖 准性生殖：是指不经过减数分裂就导致基因重组的生殖过程。在
23、该过程中染色体的交换和染色体的减少不像有性生殖那样有规律，而且也是不协调的。准性生殖和有性生殖的主要不同是：重组体细胞和营养体细胞外形没有不同，不产生于特殊的囊器中；染色体的交换和单倍体化过程没有规律性（偶尔发生，概率低）。准性生殖的过程：准性生殖的过程：包括异核体形成，二倍体形成以及体细胞交换和单元化三个阶段。异核体：当带有不同遗传性状的两个单倍体细胞或菌丝相互融合时，会导致在一个细胞或菌丝中的并存有两个以上不同遗传型的核，这种细胞或菌丝称为异核体。这种现象称为异核现象。体细胞交换是指有丝分裂过程中染色体片断交换的现象，单倍体化是指整条染色体在有丝分裂过程中由于染色体不分离而丢失的现象。体细
24、胞交换产生部分基因纯合化的二倍体重组分离子，单倍化过程则产生各种类型的非整倍体和单倍体分离子。在正常的有丝分裂中，染色体一分为二，各自在纺锤丝的作用下趋向细胞的一极，使子细胞各含一条染色体。由于纺锤丝断裂或其它原因会造成染色体不分离，使分裂后的两条染色体都趋向一极，结果是一个细胞缺少一条染色体（2N-1），一个细胞多了一条染色体（2N+1），它们都是非整倍体。由于染色体不分离现象是随机发生的，可导致一系列非整倍体的产生。分离子 在准性生殖过程中，细胞通过有丝分裂而发生性状的分离，经准性生殖过程产生的分离子包括：（1）体细胞交换产生的重组二倍体，（2）染色体不分离产生的一系列非整倍体，（3）单倍
25、化最后产生的单倍体，（4）经体细胞交换和单倍化产生的重组单倍体等等。第六节微生物的育种 微生物育种的目的就是人为改造或构建我们所需要的菌株，使某种代谢产物过量积累，把生物合成的代谢途径朝着人们所希望的方向引导，或者促使细胞内发生基因重组优化遗传性状，实现人为控制微生物，获得我们所需要的高产、优质和低耗的菌株。一、诱变育种 诱变育种：利用各种诱变剂处理微生物细胞提高基因随机突变频率，通过一定的筛选方法获得所需的高产优质菌株。1，诱变育种的基本程序（1）菌悬液的准备（2）诱变剂处理（3）诱变后的筛选2，筛选策略（1）营养缺陷突变株（2）抗阻遏和抗反馈突变型3，抗性突变型（1）抗生素抗性突变株（2）
26、条件抗性突变二、体内基因重组体内基因重组育种是指采用接合、转化、转导和原生质体融合等遗传学方法和技术使微生物细胞内发生基因重组，以增加优良性状的组合，或者导致多倍体的出现，从而获得优质菌株的一种方法。1，原生质体融合原生质体融合技术是将遗传性状不同的两种菌（包括种内、种间、及属间）融合为一个新细胞的技术。基本程序（1）原生质体制备，（2）原生质体融合和再生，（3）融合子的选择。2，有性杂交育种有性杂交：两种不同的单倍体配子细胞结合形成二倍体的过程称为有性杂交。3，准性生殖基本程序：（1）标记出发菌株的选择和分离，（2）异核体形成，（3）杂合二倍体的形成和分离。4，细菌的基因重组和育种主要方式：接合转化转导三、DNAShuffling技术（体外同源重组技术）基本原理：先将来源不同但功能相同的一组同源基因，用DNA核酸酶（DNase）进行消化，产生随机小片段，由这些小片段组成一个文库，使之互为引物和模板，进行PCR扩增，当一个基因拷贝片段作为另一个基因拷贝的引物时，引起模板转换，重组发生，导入体内后，筛选正突变体作新一轮的体外重组。一般通过23次循环，可获得产物大幅度提高的重组突变体。