《微生物学教程》周德庆（第二版）

1、第7章 微生物的遗传,第1节 微生物遗传研究的起源 第2节 微生物的遗传因子 第3节 原核生物的基因重组 第4节 真核微生物的基因重组 第5节 菌种的保藏,第1节 微生物遗传研究的起源 微生物遗传的研究起源于对“细菌变异”现象 的早期研究。 一、证实微生物具有种的稳定性 1870年巴斯德，科恩。 球菌 球菌，杆菌 杆菌。 1882年科赫。 固体培养基，分离纯化技术。,二、发现细菌变异现象 19世纪最后20年，越来越多的证据表明细菌物 种不稳定。 1907年马西尼（R. Massini）首次对细菌 变异进行专门研究，发表了可突变的大肠杆菌 的论文。在这篇论文中，他第一次使用了定量研 究的方法。,三、探索细菌变异的本质 1928年格里非斯（Friderick Griffith）发 表了一篇论文，描述了肺炎球菌培养物中的转化 现象。 格里非斯的这篇文章非常重要，对于理解转化 作用和最终阐明DNA是遗传物质打下了基础。,1933年 奥洛韦（J.L.Alloway）证明转化因 子是一种可溶性的物质，至少是亚细胞的物质。,有毒菌株 有毒菌株无细胞提取物,无毒菌株,老鼠死亡,有毒菌株,加热杀菌,+,

2、注射,1944年埃弗里（O.T.Avery）和他的同事们 通过一系列精密的实验，证明转化中起作用的分子 是DNA。,四、发现并阐明细菌的接合作用 1945年 塔特姆（E.L.Tatum） 和莱德伯格（Lederberg） 证实了大肠杆菌K12菌株 的两个营养缺陷型菌株 之间的遗传重组。,戴维斯（B.D.Davis）进一步证明细胞与细胞的接触对这种遗传重组发生是必不可少的。,1952年海斯（William Hayes）在自然 上发表论文宣布接合和重组是供体细胞遗传物质 发生单向转移的结果。 1952年莱德伯格和卡瓦利（L.L.Cavalli） 证实了这一点，创造了F+和F-等术语。同年，他 们发现了高频重组菌株（Hfr）。 影印平板法也是由莱德伯格发明的。,影印平板法 replica plating,1953年4月沃森-克里克在自然的一篇短文中公布了DNA的结构模型。,1955-1958年雅各布（F.Jacob）和沃尔曼 （F.L.Wollman）以一系列独创性的研究工作阐 明了大肠杆菌K12的基因转移机制。在这些工作 中，最著名和关键性的是“中断杂交实验”,五、阐明细菌抗药性产生的原因

3、 1961年渡边、戴塔（N.Datta）、梅内耳 （F. Meynell）和安德森（E. S.Anderson）的工 作揭示了抗药性是以一种或多种“接合促进因子” 为媒介来传播的。每类接合促进因子与它所在的 细胞表面上的某种特异的纤毛结合在一起，并证 明这种结构确能造成供体和受体细胞之间的特异 粘附，并有可能形成让遗传物质从中通过的接合 管。,电镜观察到的接合现象,抗药性质粒在细菌之间的转移,第2节 微生物的遗传因子 遗传因子（Genetic elements）：承载遗传物质的结构。 遗传因子必须具备2点：能自我复制，能编码。 基因组：一个细胞或病毒所含的完整基因。 基因：编码一种蛋白，一种tRNA或一种rRNA 的DNA片段。,一、原核微生物的遗传因子 原核微生物的遗传因子有3类： 染色体，质粒，噬菌体。 （一）细菌的染色体 1、形状、大小 1条环状dsDNA。 负超螺旋。约50个超螺旋区域。 正超螺旋（少数，都生活在极高温度下）。,超螺旋的形成,伯氏疏螺旋体的DNA是线性的，其末端为发卡结构。 Streptomyces lividans的DNA是线性的，其末端与蛋白质共价结合。 最

4、小的细菌染色体：580kbp（一种枝原体） 最大的细菌染色体：9500kbp（一种粘细菌）,2、结构 （1）一般没有间隔基因（内含子）,原核细胞,真核细胞,（2）一般没有重复序列 细菌的基因一般都是单拷贝的。 （3）相关的细菌，染色体上基因的排列顺序也相 似，否则不相似。 （4）许多细菌在DNA复制起始附近的结构相似， 同样，在复制终止附近的结构也相似。,（二）细菌的质粒 质粒（plasmid）存在于绝大多数原核生物， 但只在少数真核生物中发现。 质粒是能独立于宿主细胞染色体进行自我复 制的遗传因子，以核酸的形式存在于细胞内，无 细胞外存在形式。,1、质粒的物理性状 环状 dsDNA，一般为超螺旋状。 大小 11000kbp。 2、质粒的复制 DNA合成靠细胞中的酶。 复制起始 子细胞中质粒的拷贝数,质粒控制,质粒在细胞中的拷贝数,13/细胞 100/细胞,绝大多数G+菌的环状质粒的复制是滚环式复制。,绝大多数G 菌环状质粒的复制是 式复制,绝大多数线性质 粒的复制是将一 种蛋白质结合于 每条链的5端 作为引物。,3、各种质粒之间的相容性 相容性质粒（compatible plasmi

5、ds）：不同的 质粒共存于同一个细胞，这些质粒互为相容性 质粒，否则称为不相容性质粒（incompatible plasmids）。相容与否由质粒基因控制。 4、质粒在细胞中的存在、转移和消除 （1）存在 游离于细胞质中。 整合到细胞染色体上。附加体（episome）,（2）转移 有些质粒可在细胞之间通过接合作用转移， 这类质粒叫可接合质粒。 质粒的接合转移由质粒编码的基因控制。 （3）消除 质粒可自发从细胞中消除。 可通过多种物理化学方法将质粒从细胞中消除。,F质粒的基因图谱,见教材199页,5、质粒赋予细菌的性状 质粒可携带多种基因，但这些基因必须不影 响质粒自身的复制和宿主细胞的生存。 隐质粒（cryptic plasmids）：除自身复制的基因， 不含其他基因。,质粒赋予细菌的一些性状： 根瘤菌固氮，结瘤 假单胞菌降解一些难以降解的化合物 致病性大肠杆菌吸附抗原，溶血素，肠毒素 大肠杆菌大肠杆菌素 金黄色葡萄球菌凝固酶，溶血素，溶纤维蛋 白酶，肠毒素，黄色色素等 乳酸细菌细菌素NisinA 抗药性,（三）细菌的噬菌体 从自然界分离到的细菌中，绝大多数是溶原菌。 许多证据证明，细

6、菌的一些基因群来自染色体 外的遗传因子，如质粒和噬菌体。,二、真核微生物的遗传因子 真核微生物的遗传因子有：染色体，线粒体 DNA，叶绿体DNA，质粒，病毒。 真核微生物可以单倍体或/和二倍体形式存在， 但在绝大多数真核微生物中，二倍体阶段是很短暂 的。 酿酒酵母是最常用于真核遗传研究的真核微生 物之一，也是第一个测定基因组全序列的真核生物。,（一）酿酒酵母的染色体 单倍体：16条 大小：2452200kbp 单倍体碱基数：12106 bp （二）酿酒酵母的2质粒 绝大多数酵母菌株含有2质粒。 酿酒酵母中2质粒的拷贝数约30-50/细胞。 2质粒：环状dsDNA， 6318 bp。编码4种蛋 白质。不赋予细胞任何性状。,三、病毒的遗传因子 DNA，RNA 有重叠基因,噬菌体X174的基因图谱,第3节 原核微生物的基因重组,在原核中，基因重组以下列3中方式中的一种 实现： 转化，转导，接合。,一、转化（transformation） 1、定义： 受体菌直接吸收供体菌的DNA片段而获得后者 部分遗传性状的现象，称为转化或转化作用。 2、可转化微生物的种类 许多微生物是自然可转化的，包括G+

7、和G-的一 些种类，以及一些古细菌。,3、感受态（competence ） 能吸收DNA并被转化的细胞叫感受态细胞。 感受态似乎是一种遗传特性：DNA结合蛋白， 细胞壁自溶，各种核酸酶。 4、DNA的吸收 细菌转化所需的最小DNA量为110-5g/mL。,dsDNA结合到细胞表面,整条双链DNA被吸收 一条链被降解，另一条被吸收,动物细胞：吞噬的方式将DNA吞入。 真菌：消化细胞壁，然后让DNA被吸收。 电穿孔法 基因枪法,二、转导（transduction） 由病毒介导，DNA由一个细胞转移到另一个 细胞，使后者获得前者部分遗传性状的现象，称为 转导。 转导子（transductant）：由转导作用而获得 部分新性状的重组细胞。,流产转导,普通转导generalized transduction,特殊转导（specialized transduction） 局限转导,三、接合（conjugation）（教材229-232页） 接合是细胞-细胞间转移质粒的一种机制。,F质粒的基因图谱,1,2,3,第4节 真核微生物的基因重组,真核微生物的基因重组方式主要有：有性 杂交，准性杂交，原生质

8、体融合和遗传转化。,一、真核微生物的有性生殖和有性杂交 酿酒酵母有性生殖的分子机制： 酵母有两种配子，分别为a和。 a 配子的MAT位点是 a基因：产生a 因子；细胞表 面只有 因子的受体。 配子的MAT位点是基因：产生 因子；细胞表 面只有 a 因子的受体。 在每种配子细胞中，基因组的其他位置上有a和基因的拷贝，他们是转型的贮备基因。这种机制叫“暗盒”机制（cassette mechanism）,有性杂交（sexual hybridization）： 一般指不同遗传型的两性细胞间发生的接合和随之进行的染色体重组，进而产生新遗传型后代的一种育种技术。,酿酒酵母生活史,准性杂交（parasexual hybridization）： 是利用准性生殖对一些没有有性生殖的半知菌类进行杂 交育种的一种技术。 准性生殖是一种类似于有性生殖生殖方式，是一种在同 种而不同菌株的体细胞间发生的融合，它可不借助减数分裂 而导致低频率基因重组并产生重组子。,二、真核微生物的准性生殖和准性杂交,准性生殖过程： （1）菌丝联结（n+n，频率极低） （2）形成异核体，异核体能独立生活。 （3）核融合产生双倍体杂合子（频率低） （4）体细胞交换和单倍体化,体细胞交换,有丝分裂（产生错误，导致染色体分配不均）,染色体逐步丢失，单倍体化,新的稳定的单倍体杂合子,第5节 菌种的衰退、复壮和保藏,在DNA复制过程中发生自发突变的几率为： 10-710-11每碱基对每次复制 一个基因自发突变率约 10-6/代 无意突变率约 10-610-8/代 RNA基因组的突变率比DNA的高103。,一、衰退的防止 1、控制传代次数 2、创造良好的培养条件 3、利用不易衰退的细胞传代 4、采用有效的菌种保藏方法 二、菌种的复壮 1、纯种分离 2、通过宿主体复壮 3、淘汰已衰退的个体,三、菌种的保藏 著名的菌种保藏中心 常用的菌种保藏方法：斜面保藏 沙土管保藏 甘油悬液保藏法 液氮保藏法,

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