微生物遗传变异课件

第 四 章 微生物遗传和变异,目的要求： 通过本章的学习，使学生掌握细菌基因重组，真菌基因重组和微生物诱变育种的基本原理和方法。 要求掌握： 1、细菌基因重组的原理和方法。 2、真菌基因重组的原理和方法。 3、微生物诱变育种的原理和方法。 4、基因工程的基本原理 5、基因表达的调控 重 点： 基因突变及修复、细菌的基因重组 难 点： 低频转导，高频转导，准性生殖，基因表达的调控,遗传：,亲代与子代相似,变异：,亲代与子代、子代间不同个体不完全相同,遗传（inheritance）和变异（variation）是生命的最本质特性之一,遗传型： (genotype),表型： (phenotype),生物的全部遗传因子所携带的遗传信息,具有一定遗传型的个体，在特定环境条件下通过生长发育所表现出来的外表特征和内在特征的总和。,表型是由遗传型所决定，但也和环境有关。,遗传型环境条件,表型,表型饰变：,表型的差异只与环境有关，不涉及遗传物质结构改变，只发生在转录、转译水平上的表型变化 特点：暂时性、不可遗传性、表现为全部个体的行为,遗传型变异（基因突变）：,遗传物质改变，导致表型改变 特点：遗传性、群体中极少数个体的行为（自发突变频率通常为10-6-10-9）,Production of a red pigment (prodigiosin) by Serratia marcescens（粘质沙雷氏菌）. From left to right: slant culture grown at 25°C, slant culture grown at 37°C, broth culture grown at 25°C, broth culture grown at 37°C.,微生物是遗传学研究中的明星：,微生物细胞结构简单，营养体一般为单倍体， 方便建立纯系。 很多常见微生物都易于人工培养，快速、大 量生长繁殖。 物种和代谢类型多样 对环境因素的作用敏感，易于获得各类突变株， 操作性强。,第一节 遗传的物质基础,1、经典转化实验 肺炎链球菌：S型（菌体具荚膜，菌落表面光滑，有 致病能力） R型（菌体无荚膜，菌落表面粗糙，无 致病能力）,一、三个证明核酸是遗传物质的经典实验,1928年，F.Griffth的转化实验,1944年，Avery的转化实验，确定了转化因子,实验证明，将R菌转化为S菌的转化因子是DNA！,2、噬菌体感染实验,实验证明，进入细菌细胞内部的物质是DNA。DNA包含有产生完整噬菌体的全部信息。,32P标记DNA,35S标记蛋白质,3、植物病毒TMV重建实验,实验证明，TMV的遗传物质是RNA。,朊病毒的发现和思考:,朊病毒,蛋白质是遗传物质,？,1、细胞水平 2、细胞核水平 3、染色体水平 4、核酸水平 5、基因水平 6、密码子水平 7、核苷酸水平,二、遗传物质在微生物细胞内存在的部位和形式 （一）遗传物质在7个水平上的形式,1、细胞水平 真核微生物：细胞核 原核微生物：核区 细胞核或核区的数目在不同的微生物中是不同的,2、细胞核水平 真核生物 细胞核 核染色体 原核生物 核区 DNA链,核基因组,在核基因组之外，还存在各种形式的核外遗传物质,3、染色体水平 真核生物染色体是由组蛋白与DNA构成的线状结构 真核生物通常为多倍体 原核生物的染色体只有闭合环状的DNA链 原核生物为单倍体 染色体的数目在不同的生物中是不同的,4、核酸水平 核酸种类：DNA，RNA 核酸结构：双链、单链； 环状，线状，超螺旋状 DNA长度：因种而异,微生物基因组测序工作是在人类基因组计划的促进下开 始的，最开始是作为模式生物，后来不断发展，已成为 研究微生物学的最有力的手段。,5、基因水平,它的物质基础是一个具有特定核苷酸顺序的DNA片段。,1909年 丹麦生物学家WJohansen,结构基因：是为细胞结构、组成(如细胞生化反应所需的酶)及 完成细胞功能所需的蛋白质等进行编码的基因。 调节基因：用于编码调节蛋白的基因。 操纵基因：是位于启动子和结构基因之间的一段碱基顺序， 能与调节蛋白相结合，以此来决定结构基因的转 录是否能进行。 重复基因：DNA片段重复 跳跃基因：可在DNA上转移位置的基因（IS因子、Tn因子）,6、密码子水平,7、核苷酸水平 核苷酸是最小突变单位和交换单位,（二）微生物基因组结构的特点,1、原核生物（细菌）的基因组,1）染色体为双链环状的DNA分子（单倍体）； 2）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 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； 4）结构基因的单拷贝及rRNA基因的多拷贝； 5）基因组的重复序列少而短；,2、真核微生物（啤酒酵母）的基因组,1）典型的真核染色体结构； 啤酒酵母基因组大小为13.5×106bp，分布在16条染色体中。 2）没有明显的操纵子结构； 3）有间隔区（即非编码区）或内含子序列； 4）重复序列多；,第一个完成基因组测序的真核生物基因组,2、古生菌（詹氏甲烷球菌）的基因组,第一个完成基因组测序的古生菌,只有40的基因与其他两界的生物有同源性 古生菌的基因组在结构上类似于细菌 1.66x106bp的环状染色体DNA 1682个ORF(Open Reading Frame) 3) 负责信息传递功能的基因（复制 、转录和翻译）则类似于真核生物,（三）转座因子,转座因子：细胞中能改变自身位置（例如从染色体或质粒转移到另一个位点，或者在两个复制子之间转移）的一段DNA序列。,插入序列（insertion sequence, IS),转座子（transposon, Tn),某些病毒（Mu噬菌体）,原核生物的转座因子：,转座的遗传学效应：,1）插入突变,2）产生染色体畸变,3）基因的移动和重排,质粒通常不含有细胞初级代谢的遗传信息，而含有关于次级代谢的遗传信息,质粒是独立存在于细菌染色体外或附加在染色体上的遗传物质。它由一共价闭合环DNA分子组成。,（四）染色体外的遗传因子质粒（Plasmid）,1、致育因子(fertility factor, F因子) 又称F质粒，一种与大肠杆菌的有性生殖现象（接合作用）有关的质粒。 携带F质粒的菌株称为F+菌株（相当于雄性）， 无F质粒的菌株称为F-菌株(相当于雌性)。 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（high frequence recombination, 简称Hfr) 由于F因子能以游离状态(F+)和以与染色体相结合的状态(Hfr)存在于细胞中，所以又称之为附加体(episome)。,质粒的类型:,2、抗性因子(resistancefactor，R因子) 另一类普遍而重要的质粒，主要包括抗药性和抗重金属二大类，简称R质粒。带有抗药性因子的细菌有时对于几种抗生素或其它药物呈现抗性。 例如R1质粒(94kb)可使宿主对下列五种药物具有抗性： 氯霉素(Cm)、链霉素(Sm)、磺胺(Su)、 氨苄青霉素(Ap)、卡那霉素(Km)。 并且负责这些抗性的基因是成簇地存在于R1抗性质粒上。 许多R质粒能使宿主细胞对许多金属离子呈现抗性，包括碲(Te6+)、砷(As3+)、汞(Hg2+)、镍(Ni2+)、钴(Co2+)、银(Ag+)、镉(Cd2+)等。在肠道细菌中发现的R质粒，约有25是抗汞离子的，而铜绿假单胞菌中约占75。,3、细菌素质粒 Col质粒含有编码大肠菌素的基因 4、毒性质粒 具有编码毒素的基因 5、降解质粒 携带有能降解某些物质的酶的基因 6、共生质粒 携带有与固氮有关的基因 7、代谢型质粒 控制某一特殊代谢过程 8、隐蔽质粒 此类质粒不显示任何表型效应，只有通过物理的方法检测其存在,松弛型质粒（relaxed plasmid)：质粒在宿主中可以有10100个拷贝，也称为高拷贝数质粒。,严谨型质粒(stringent plasmid)：质粒在每个宿主细胞中只有14个拷贝，也叫低拷贝数质粒。,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复制。,广宿主范围质粒：质粒的复制起点不太特异，可以在许多种细菌中复制。,质粒的特点：,1、不亲和性 可以共存于同一细胞中的不同质粒彼此是亲和的，而不能共存于同一细胞的质粒彼此不亲和，质粒的这种特性称为不亲和性。 2、可消除性 3、能自我复制，稳定的遗传； 4、没有质粒的细菌不能自发的产生质粒,但可以通过转化、转导或接合作用的转移获得质粒； 5、质粒可以携带供体细胞的DNA转移。,质粒的功能：,2、可作为基因转移的载体。,1、质粒控制细菌的某一遗传性状；,第二节 基因突变和诱变育种,基因突变：一个基因内部遗传结构或DNA序列的任何可 遗传的改变。,基因突变,狭义：点突变（一对或少数几对碱基的缺失、插入或置换）,野生型（原始性状）,基因突变,突变型（新性状）,广义：基因突变和染色体畸变（大片段染色体的缺失、重 复、倒位）,一、基因突变的定义,自发突变：在自然条件下发生的基因突变。,诱发突变：利用物理化学因子处理微生物使其产生的突变。,回复突变：突变菌株发生突变，回复到出发菌株的状态。,基因突变分为,二、基因突变的类型,同义突变：碱基的变化没有改变产物氨基酸序列的变化。,错义突变：碱基序列的变化引起产物氨基酸的变化。,无义突变：碱基的改变使得密码子变为终止密码子。,移码突变：碱基的缺失或插入使翻译的阅读框发生改变， 从而使氨基酸序列完全变化。,不同的碱基变化对遗传信息的改变不同：,U,常见的微生物突变体类型：,1、营养缺陷型（auxotroph）,特点：,在选择培养基（一般为基本培养基）上不生长,负选择标记,（突变株不能通过选择平板直接获得）,缺乏合成其生存所必需的营养物的突变型。,影印平板（Replica plating）法是Lederberg夫妇在1952年建立,2、抗药性突变型（resistant mutant),由于基因突变使菌株对某种或某几种药物，特别是抗生素，产生抗性的突变型。,3、条件致死突变型(conditional lethal mutant),在某一条件下具有致死效应，而在另一条件下没有致死效应的突变型。,4、形态突变型(morphological mutant),指造成形态改变的突变型。,5、其他突变型,1）自发性 2）不对应性 3）稀有性 4）规律性,三、基因突变的机制,5）独立性 6）可诱变性 7）遗传性 8）可逆性,1、基因突变的特点：,基因突变自发性和不对应性的实验证明：,三个经典实验 变量实验 涂布实验 影印实验,证明突变是自发产生的，并且突变的性状与引起突变的原因间无直接对应关系。,野生型 （原始性状）,特定环境,突变型 （适应环境的新性状）,驯化,定向诱变,筛选,？,？,？,突变的原因,？,变量实验（fluctuation analysis） Salvador Luria and Max Delbruck（1943）,Salvador Luria,Max Delbruck,The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1969,变量实验（fluctuation analysis）,Newcombe的涂布实验（1949）,影印实验（replica plating ） Joshua Lederberg and Esther Lederberg（1952）,Joshua Lederberg,J. Lederberg is awarded the Noble Prize in Medicine and Physiology in 1958,影印培养,无药物 培养基,含药物 培养基,影印培养试验,原始敏 感菌种,2