微生物幻灯片9微生物遗传

1、微生物遗传与变异,要点： 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： 细菌的基因重组 难点： 低频转导，高频转导，准性生殖,第一节 遗传的物质基础,第二节 微生物的基因组结构,第四节 真核微生物的基因重组,第三节 原核微生物的基因重组,第五节 基因突变和诱变育种,第六节 微生物与基因工程,三个经典实验的原理与方法，朊病毒的概念,原核及真核微生物基因组的基本特征,基因突变的规律,三种基因水平转移方式及其应用,准性生殖,基因工程的基本过程和基本技术,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),决定生物表现型的遗传因子,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：,同样遗传型的生物在不同外界条件下显现的

2、不同表现型的变异，不涉及遗传物质结构改变 特点：暂时性、不可遗传性、表现为全部个体的行为,遗传型改变引起的表型变化，发生在基因水平上，可以遗传给子代。 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）,遗传型变异（基因突变）：,第一节 遗传的物质基础,一.证明核酸是遗传物质的经典实验 1928年，F. Griffith；1944年O. T. Avery 肺炎链球菌（Streptococcus pneumoniae）转化试验。 1952年，A. D. Hershy、M. Chase的噬菌体感染实验。 1956年，H. Fraenkel-Conrat的TMV拆开和重建实验。,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）,加S菌DNA 加S菌DNA及DNA酶以外的酶 加S菌的DNA和DNA酶 加S菌的RNA 加S菌的蛋白质 加S菌的荚膜多糖,活R菌,长出S菌,只有R菌,1944年Avery、MacLeod和McCarty从热死S型S. pneumoniae中提纯了可能作为转化因子的各种成

3、分，并在离体条件下进行了转化试验：,只有S型细菌的DNA才能将S. pneumoniae的R型转化为S型。且DNA纯度越高，转化效率也越高。说明S型菌株转移给R型菌株的，是遗传因子DNA。,2、噬菌体感染实验,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。,3、植物病毒TMV重建实验,TMV的遗传物质是RNA。,结论：,证明核酸（DNA或RNA）是遗传的物质基础 简单的细菌（或病毒）解决复杂而重大的问题 微生物与高等生物具有共同的遗传本质,朊病毒的发现和思考:,朊病毒 一种具有传染性的蛋白质致病因子,蛋白质是遗传物质吗 蛋白质折叠与功能的关系，是否存在折叠密码？,？,已知的传染性疾病的传播因子必须含有核酸,真核生物 DNA分子与组蛋白结合构成染色体，每条染色体有单一线性双链DNA分子。一个真核生物细胞内有多条染色体（脉孢菌7条，人23条）。高等生物中有2至多套染色体（动物2倍，水稻4倍），真菌有双倍体，但多数微生物是单倍体。真核细胞核物质外有核膜包围，形成完整细胞核。 原核生物 DNA不与组蛋白结合，染色体仅由一条DNA组成，DNA为共价闭合环状双链，一个细胞内

4、只有一条染色体（单倍体haploid）。无核膜包围，只在细胞中央形成核区。 质粒plasmid和转座因子 原核生物中，除染色体以外，能够自主复制的共价闭合环状DNA分子。它们携带少量遗传基因，决定细胞的某些性状，并非细菌生活必需。,二、遗传物质在微生物细胞内存在的部位和形式 一）遗传物质在微生物细胞中的存在方式,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,（二）遗传物质存在的部位,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,核外染色体,真核生物的“质粒” 原核生物的质粒,线粒体 细胞质基因 叶绿体 （质体） 中心体 动 体 共生生物： 卡巴颗粒 酵母菌的2m质粒,F因子 R因子 Col质粒 Ti质粒 巨大质粒 降解性质粒,核基因组,遗 传 物 质 类 型,（三）转座因子（transposible element）,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。也称跳跃基因（jumping gene）或可移动基因（mo

5、vable gene）。,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：,转座因子,40年代McClintock在玉米中发现了转座子即跳跃基因，自1967年以来，已在微生物和其它生物中得到普遍证实。 新发现：有些DNA片段不但可在染色体上移动，还可从一个染色体跳到另一个染色体，从一个质粒跳到另一个质粒或染色体，甚至还从一个细胞转移到另一个细胞。在这些DNA顺序的跳跃过程中，往往导致DNA链的断裂或重接，从而产生重组交换或使某些基因启动或关闭，结果导致突变的发生。,转座因子的种类（1）,插入序列（IS，insertion sequence）：分子量最小（仅0.7-1.4kb），只能引起转座（transposition）效应而不含其它基因。可以在染色体、F因子等质粒上发现它们。 已知的IS有5种，即 IS1、IS2、IS3、IS4和IS5。 因IS在染色体上插入的位置和方向的不同，其引起的突变效应也不同。IS引起的突变可回复，其原因可能是IS被切离，如果因切离部位有误而带走IS以外的一部分DNA序

6、列，就会在插入部位造成缺失，从而发生新的突变。,转座因子的种类（2）,转座子(Tn，transposon，又称转位子，易位子)与IS和Mu噬菌体相比，Tn的分子量居中（一般为225kb）。它含有几个至十几个基因，其中除了与转座有关的基因外，还含有抗药基因或乳糖发酵基因等其它基因。 Tn虽能插到受体DNA分子的许多位点上，但这些位点似乎也不完全是随机的，其中某些区域更易插入。,特征：在两端有IR序列 ，分两类： 型Compound transposons： 两端为插入序列IS，抗性基因居中。 如Tn5、Tn9、Tn10、Tn4001、Tn4003。 型Complex transposons： 两端为IR(30-50bp)，中间为转座基因和抗性基因。 如Tn1、Tn3、Tn21、Tn1721、Tn551。,转座子 transposon,转座因子的种类（3）,Mu噬菌体（即 mutator phage，诱变噬菌体） 是E . coli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IS和Tn相比，Mu噬菌体的分子量最大37kb，含有

7、20多个基因。引起的转座可以导致插入突变，其中约有2%是营养缺陷型突变。,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,四）质粒,1、致育因子(Fertility factor，F因子),3、产细菌素的质粒（Bacteriocin production plasmid）,2、抗性因子（Resistance factor，R因子）,4、毒性质粒（virulence plasmid）,5、代谢质粒（Metabolic plasmid）,6、隐秘质粒（cryptic plasmid）,五）基因的表达 以DNA为模板，通过RNA聚合酶转录出mRNA，然后将mRNA包含的碱基顺序在核糖体中翻译成相应氨基酸序列的多肽。 转录（transcription） 双链DNA单链，以其中一条为模板互补mRNA 翻译(translation) mRNA 多肽,DNARNA肽链蛋白质,五）基因的表达,第二节：微生物的基因组结构,明确基因组的概念，微生物在人类基因组计划中的独特而重要的地位； 人类基因组计划对微生物学发展的影响； 三种代表性微生物基因组结构的特点，特别强调古生菌基因组

8、的独特性及双重特征； 随着基因组全序列测定微生物的增多所发现的新问题： 水平基因转移现象 Woese系统发育树面临的挑战,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.,基因组genome：一种生物的全套基因。,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13.5106bp，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）最显著的特点是重复序列多.,第一个完成基因组测序的真核生物基因组,基因组上有许多较高同源性的 DNA 重复序列，这是一种进化。即可在少数基因发生突变而失去功能时不会影响生命过程，也可适应复杂多变的环境，丰余的基因可在不同的环境种起用多个功能相同或相似的基因产物，有备无患。 酵母菌确实比细菌

9、和病毒进步而富有，而细菌和病毒似乎更聪明，能更经济更有效地利用遗传资源。,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,ORF(Opening reading frame),任何一种生物的基因组，都是由不编码和编码蛋白质的核苷酸序列（基因）所组成。基因通常只是基因组的一小部分. 一个基因组拥有的“基因”数目是由两部分组成的：通过实验证明确有蛋白质产物的真实基因、根据起始密码和终止密码序列所确定的潜在基因。生物学家们把这两类基因都称为“开放阅读框” (）。因此，一个基因组内的基因数目通常是指的数目。,克隆clone 不经过有性细胞的结合，由体细胞发育成新个体，即无性繁殖。 基因重组gene recombination 两个不同来源的遗传物质进行交换，经过基因的重新组合，形成新的基因型的过程。重组获得的后代具有新的基因组合，表现出不同于亲本的新性状。 原核微生物没有有性生殖，其基因重组通过转化、接合、转导方式进行。,第三节 原核微生物的基因重组,一、细菌的接合作用(conjugation),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,1.实验证据,接合(conjugation) 通过供体菌与受体菌间细胞接触而传递大段DNA,1946年，Joshua Lederberg 和Edward L.Tatum E.coli k12的多重营养缺陷型杂交实验,中间平板上长出的原养型菌落是两菌株之间发生了遗传交换和重组所致。,F因子,大肠杆菌是有性别分化的。决定它们性别的因子称为F因子(致育因子或称性质粒)，呈超螺旋状态，既可以在细胞内独立存在, 具有自主的与染色体进行同步复制和转移到其他细胞中的能力,也可插入(即整合)到染色体上,F因子的四种细胞形式：,a）F-菌株(“雌性”菌株)，不含F因子，没有性菌毛，但可以通过接合作用接收F因子而变成F+菌株； b）F

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