微生物遗传与变异授课课件

,第十一章微生物的遗传和变异,概念： 遗传：遗传使细菌的性状保持相对稳定，且代代相传，使其种属得以保存。 变异：在一定条件下，子代和亲代之间以及子代和子代之间的差异称为变异。 基因型：指贮存在遗传物质中的信息，也就是它的DNA碱基顺序。包括生物的全部遗传因子及基因。 表型：指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特定环境条件下通过生长发育所表现出的形态等生物学特征的总和。 表型是由基因型所决定,但也和环境有关。,遗传（保守性、稳定性）:亲代与子代相似 “种瓜得瓜种豆得豆”,负面：？,“劣汰”,“优胜”,遗传和变异是生命的最本质特性之一,正面： 继承亲代优点，保持物种延续,不适应变化的环境条件而死亡,第一节 微生物遗传和变异的物质基础,一、微生物的主要遗传物质DNA,生物的各项生命活动都有它的物质基础。生物遗传的物质基础是什么呢？ 答案是DNA，科学告诉我们，亲代将各种遗传性状通过DNA传递给了子代，子代获得DNA后形成一定的蛋白质，将遗传特性表现出来。,核酸是病毒粒子中最重要的成分，它是病毒遗传信息的载体和传递体，因此是病毒生命活动的主要物质基础。 病毒核酸的类型可从以下几点来区分： 是DNA还是RNA，是单链（ss，single strand）结构还是双链（ds，double strand）结构； 呈线状还是环状； 是闭环还是缺口环； 基因组是单组分、双组分、三组分还是多组分。核酸的碱基（b，base）或碱基对（bp，base pair）数，以及核苷酸序列等。 总的说来，动物病毒以线状的dsDNA和ssRNA为多，植物病毒以ssRNA为主，噬菌体以线状的dsDNA居多，而至今发现的真菌病毒都是dsRNA，藻类病毒则都是 dsDNA。,(一）病毒的核酸,（二）原核细胞型微生物的染色体,1、特点：基因组通常仅由一条环形或线形双链DNA分子构成只有一个复制起点有操纵子串联在一起，受同一调控区调节，合成多顺反子mRNA 编码蛋白质的结构基因为拷贝的，但rRNA基因一般是多拷贝的。非编码DNA所占比例少，类似于病毒基因组基因组DNA具有多种调控区，如复制起始区，复制中止区，转录启动子等特殊序列，以及还有重复序列。 与真核生物基因组类似，也具有可移动的DNA序列,（三）真核细胞型微生物的染色体,真核细胞型微生物： 细胞核的分化程度较高，有核膜、核仁和染色体；胞质内有完整的细胞器（如内质网、核糖体及线粒体等）。真菌属于此类型微生物。,二、质粒和转座因子 （一）质粒 、质粒的概念：是细菌染色体外的遗传物质，为双股环状闭合的DNA。可游离于细菌胞浆中进行自我复制；也可整合于细菌的染色体上，并随染色体的复制而复制，此类质粒又称附加体。 、质粒的基本特性 ）绝大多数质粒为CCC双链DNA分子，分子量为1-1000kDa左右.,）质粒具有自我复制的能力 一个质粒就是一个复制子。 ）质粒DNA所编码的基因产物赋予细菌某些性状特征 如致育性、耐药性、致病性等。 ）质粒并非细菌生命活动不可缺少的遗传物质 可自行丢失或经紫外线等理化因素处理后消除，质粒所赋予细菌的性状亦随之消失，但细菌仍存活 ）质粒可通过接合、转化或转导等方式在细菌间转移,）质粒可分为相容性与不相容性两种 几种不同的质粒同时共存于一个细菌内称相容性，有些质粒则不能相容。 （二）、常见的质粒类型 1）F质粒 编码性菌毛，带有游离F质粒的细菌为雄性菌，能长出性菌毛；无F质粒的细菌为雌性菌无性菌毛。整个质粒分为三个功能区： 自主复制和不相容区：复制基因自主复制 转移基因群区：进行结合转移 重组基因区：将自主复制基因与细菌染色体进行整合重组。,整合于细菌的染色体上，不仅保留致育功能并在进行接合转移时能高频率地带动细菌染色体转入F菌体内。所以染色体上整合有F质粒的细菌为高频重组菌。 2）R质粒 编码细菌对抗生素或重金属盐类的耐药性。可分为： 接合型耐（抗）药质粒：由抗药转移因子和抗药决定子组成。 非接合型耐（抗）药质粒：简称r质粒，不能进行接合转移 耐药性质粒可在同种、不同种甚至在不同属的细菌间传播，导致耐药性广泛而迅速地蔓延，所以R质粒又称传染性耐药因子。,3）Col质粒 大肠埃希菌中的Col质粒编码大肠菌素。这类细菌素只对有近缘关系的细菌具杀灭作用。 4）代谢质粒 含有此类质粒的细菌能编码一些酶，将复杂的有机化合物降解为小分子物质，用为碳源和能源被细菌利用；此外还能对环境中的有毒化合物如农药、苯等进行降解起到保护环境作用。 5）毒力质粒或Vi质粒 编码与该菌致病性有关的毒力因子。如致病性大肠埃希菌的ST质粒编码耐热性肠毒素，LT质粒编码不耐热肠毒素。 概念：是指菌细胞基因组中能从一个位置转移到另一个位置的一段DNA序列。,一、转座因子的发现,美国女遗传学家 Barbura McClintock,（三）转座与转座因子,芭芭拉·麦克林托克(Barbara McClintock) 1902 年生于美国。康奈尔大学毕业。曾任密苏里大学助教。自1941 年起，任卡内基研究所研究员。主要从事玉米果实斑点现象的遗传研究，发表了移动的控制基因学说。1983年获诺贝尔生理学医学奖。,芭芭拉·麦克林托克 Barbara McClintock,“倘若你认为自己迈开的步伐是正确的，并且已经掌握了专门的知识，那末，任何人都阻挠不了你，不必去理会人们的非难和评头品足。”,Transposition(转座) ：由可移位因子介导的遗传 物质重排现象。,二、转座因子的概念,转座子(transposon), 转座因子(transposable element)：存在于染色体DNA上可自主位移的基本单位。,最简单的转座子，不含有任何宿主基因。 是独立的单元，每个IS元件只编码转座酶。 是细菌染色体或质粒DNA的正常组成部分。,1.插入序列 (insertional sequence,IS),原核生物转座因子的类型和结构特征,Transposase gene,IS结构特征,在插入位点,IS 两侧总有短的正向重复(Direct repeat),一类较大的转座子，除转座酶基因外，带有某些抗药性基因（或其他宿主基因）的转座子 复合转座子(composite transposon)：带有IS的Tn 简单转座子(simple transposon)：不含IS的Tn,2、转座子(composite transposon Tn),复合转座子(composite transposon),它是Ecoli的一种温和噬菌体。与必须整合到宿主染色体特定位置上的一般温和噬菌体不同，Mu噬菌体并没有一定的整合位置。 与其他温和性噬菌体的差别：其基因组不论在进入裂解周期或处于溶源状态都可随机整合到宿主染色体的任何位置，且游离的和已整合的基因次序是相同的. 与IS和Tn两种转座因子相比，Mu噬菌体的分子量最大（38kb），它含有20多个基因。Mu噬菌体引起的转座可以引起插入突变，其中约有2是营养缺陷型突变。,3. Mu 噬菌体 (mutator phage),（四）、转座机制,Replicative transposition(复制性转座),Non-replicative transposition(非复制性转座),Replicative transposition(复制性转座),复制性转座要经过一个共整合阶段,Non-replicative transposition(非复制性转座),1.靶位点形成正向重复序列(靶位加倍现象) 2.引起插入突变；,2、遗传学效应及应用,Hemophilia（血友病）: a “jumping disease”,Blood-clotting gene mutation by insertion of transposon,3.转座子从原位点切离 准确的切离使插入失活的基因发生回复突变，不准确的切离则不发生回复突变，而是造成序列变异,转座子切离所造成的序列变异,5.启动外显子混编 当二个转座子被同一转座酶识别而整合到染色体的邻近位置时，则位于它们之间的序列有可能被转座酶作用而转座，如果这DNA序列中含有外显子，则被切离并可能插入另一基因中，这种效应称为外显子混编(exon shuffling),双转座子插入所引起的外显子混编示意图,6.调节基因表达,1、很多转座子带有增强子，像RNA病毒一样，能使其插入部位附近的基因活性增加。 2、有的还含有启动子，也能促进基因的活性。 3、也存在转座子插入某个基因的内含子中后影响基因表达，通常降低转录水平。 4、有时也会改变内含子的剪接位点，是外显子丢失，导致基因失活。 5、若插入到基因转录控制区或启动子中，则导致基因完全失活。,7.产生新的基因，引起生物进化。 由于转座子可以携带其他基因，包括自身的基因甚至宿主染色体上的基因进行转座，形成重新组合的基因组，以及前述的通过转座形成大片段插入，双转座子引起缺失、倒位、重复及外显子混编等均会造成基因组新的变异，这些变异对生物的进化有重要意义。,8.转座子标记目的基因 1、由于转座子可在基因组内转座，如插入到某基因外显子内，引起基因失活，使其表型改变为突变体。 2、以转座子DNA为探针，与突变株的基因文库进行杂交，就可以筛选出带此转座子的克隆，它必定含有与转座子邻接的突变基因的部分序列， 3、再以此序列为探针，就可以从野生型基因文库中克隆出完整的基因。 4、从理论上讲，利用转座子标签法可以分离出任何可引起表型变化的失活基因。,第二节噬菌体及其对细菌遗传性的影响,噬菌体(phage)是一类感染细菌和放线菌等微生物的病毒，它由英国细菌学家 Twort1915首次发现。当时Twort在培养葡萄球菌过程中，发现菌落上出现了透明斑，利用接种针接触此透明斑后再接触另一菌落，结果后者也出现了相同的透明斑。1917年，法国科学家dHerelle也发现含有志贺痢疾杆菌的新鲜液体培养物能被某种无菌的污水滤液所溶解，并使混浊的液体培养物变清，将此种澄清液再过滤加到另一敏感菌株的新鲜培养物中，获得了相同的结果。 dHerelle将这种能使菌落形成透明斑以及使混浊液体培养物变清的溶菌因子称为噬菌体。,噬菌体的种类,毒性噬菌体（virulent phage） 能在宿主菌细胞内复制增殖，产生许多子代噬菌体，并最终裂解细菌，称为毒性噬菌体 温和噬菌体（temperate phage）/ 溶原性噬菌体（lysogenic phage） 噬菌体基因与宿主菌染色体整合，不产生子代噬菌体，但噬菌体DNA能随细菌DNA复制，并随细菌的分裂而传代,化学组成 噬菌体主要由核酸和蛋白质组成。核酸是噬菌体的遗传物质，常见噬菌体的基因组大小为2200kb。蛋白质构成噬菌体头部的衣壳及尾部，包括尾髓、尾鞘、尾板、尾刺和尾丝，起着保护核酸的作用，并决定噬菌体外形和表面特征。 抗原性 噬菌体具有抗原性，能刺激机体产生特异性抗体。该抗体能抑制相应噬菌体侵袭敏感细菌，但对已吸附或已进入宿主菌的噬菌体不起作用，噬菌体仍能复制增殖。 抵抗力 噬菌体对理化因素与多数化学消毒剂的抵抗力比一般细菌的繁殖体强；能抵抗乙醚、氯仿和乙醇，一般经75 30min或更久才能被灭活。噬菌体能耐受低温和冰冻，但对紫外线和X射线敏感，一般经紫外线照射1015min即失去活性,噬菌体复制周期,温和噬菌体,前噬菌体（prophage） 溶原性细菌（lysogenic bacterium） 溶原性（lysogeny） 溶原状态 溶原性周期和溶菌性周期 溶原性转换,prophage: 整合在细菌基因组中的噬菌体基因组,溶原性细菌,噬菌体在医药学中的应用,1、用于细菌的鉴定与分型 2、耐药性细菌感染的治疗 3、分子生物学研究的重要工具 4、遗传工程 5、其他,基因工程方法看似简单，但在具体实施上有较大的难度。 A.细菌的质粒本身容易丢失或转移 B.质粒具有不相容性 （只有在一定条件下，属于不同的不相容种群的质粒才能稳定地共存于同一宿主中。）