细菌的遗传变异-8

1、细菌的遗传和变异,遗传物质是DNA,遗传物质是DNA（有时是RNA）的证据,（1）细菌的转化,（2）噬菌体的侵染和繁殖,遗传物质是DNA（有时是RNA）的证据,遗传物质是DNA（有时是RNA）的证据,（3）病毒的重建,DNA和RNA的分子结构和复制,DNA和RNA的分子结构和复制,1953年，Watson和Crick关于碱基互补配对的规律，阐明了DNA的空间结构,RNA的分子结构,DNA和RNA的分子结构和复制,遗传物质的复制-双链DNA的复制 （半保留复制）,遗传物质的复制-双链DNA的复制 （半保留复制）,DNA与遗传密码,DNA与遗传密码 -由A、T（U）、C、G 组成的三联体密码,tRNA 的结构,在核糖体上合成蛋白质 （1）启动阶段,肽链的延伸阶段 -“受位” （A）和“给位”（P）,*进位反应 *转位反应 *移位反应 *终止阶段,肽链的延伸阶段和终止阶段,中心法则,真核生物的染色体,原核生物的染色体,染色体的形态,真核生物的染色体,四级结构,DNA双螺旋结构,核小体,浓缩的染色质,中期染色体,原核生物的染色体,原核生物的染色体与细胞质没有核膜分开，因此三个过程紧密联系,转录

2、,加工过程中内含子被切除,细胞核,转运到细胞质外,翻译,细胞质,真核生物,细菌染色体,细菌属于原核细胞型微生物, 细菌染色体是环状双螺旋DNA，不含组蛋白, 无核膜包围。 基因, 是具有一定生物学功能的核苷酸序列，如编码结构蛋白、酶等功能。细菌基因的结构是连续的, 无内含子。 细菌染色体DNA的复制：大肠埃希菌已证明是双向复制,质粒（plasmid）,质粒是细菌染色体外的遗传物质，是环状闭合的双链DNA。 大质粒 小质粒 几种重要的质粒 致育质粒（F质粒） 耐药质粒 毒力质粒（Vi质粒） 细菌素质粒 代谢质粒,致育质粒（F质粒）,与有性生殖有关 带有F质粒的为雄性菌，能长出性菌毛； 无F质粒的为雌性菌，无性菌毛,耐药性质粒,编码细菌对抗菌药物或重金属盐类的耐药性。 可通过细菌间接合进行传递的称接合性耐药质粒，又称R质粒 不能通过接合传递的非接合性耐药质粒，但可通过噬菌体传递。,毒力质粒（Vi质粒）,编码与该菌致病性有关的毒力因子。 如致病性的大肠埃希菌产生的耐热性肠毒素是由ST质粒编码的。 细菌粘附定植在肠粘膜表面是由K质粒决定的。,细菌素质粒,编码各种细菌产生的细菌素。 Col质粒编

3、码大肠埃希菌产生大肠菌素,代谢质粒,编码产生相关的代谢酶。 沙门菌发酵乳糖的能力通常是由质粒决定的,质粒的特征,自我复制能力，为复制子，单拷贝或多拷贝 紧密型质粒和松弛型质粒 编码产物赋予细菌某些性状特征 可自行丢失与消除 有转移性 可分为相容性和不相容性,转座因子,是存在于细菌染色体或质粒DNA分子上的一段特异性核苷酸序列片段，它能在DNA分子中移动，不断改变它们在基因组的位置，能从一个基因组转移到另一个基因组中。,转座因子,插入序列（insertion sequence,IS） 是最小的转位因子，长度不超过2kb，不携带任何已知与插入功能无关的基因区域，往往是插入后与插入点附近的序列共同起作用，可能是原细胞正常代谢的调节开关之一。,转座因子,转座子（transposon,Tn） 长度一般超过2kb，除携带与转位有关的基因外，还携带耐药性基因、抗金属基因、毒素基因及其他结构基因等。因此当Tn插入某一基因时，一方面可引起插入基因失活产生基因突变，另一方面可因带入耐药性基因而使细菌获得耐药性。转座子可能与细菌的多重耐药性有关。,转座子的特征,转座因子,转座噬菌体或前噬菌体 是一些具有转座

4、功能的溶原性噬菌体，当整合到细菌染色体上，能改变溶原性细菌的某些生物学性状，如白喉棒状杆菌、肉毒梭菌等的外毒素就是由转座噬菌体的有关基因所编码的。另外，转座噬菌体从细菌染色体分离脱落时，可能连带有细菌的DNA片段，故它还可能在遗传物质转移过程中起载体作用。,二、遗传信息的传递和基因的表达,基因到蛋白质,基因,RNA,转录,蛋白质,翻译,细菌基因的结构,启动子,RBS,编码序列,终止子,基因的转录,RNA聚合酶和启动子 全酶：核心酶 因子 起始：-10序列和-35序列 终止：终止子 细菌中常常是几个基因连续转录,mRNA的加工 原核细胞转录翻译同时进行 真核细胞中mRNA要经过加帽、加尾、拼接等过程产生成熟的mRNA.,翻译,起始 肽链延长 翻译终止,基因表达的调节,组成型酶：持续合成 诱导型酶：需要时诱导合成 调控水平 转录 翻译 翻译后调节,操纵子,操纵子是原核基因组的突出结构特点。是指数个功能上相关联的结构基因串联在一起构成信息区, 连同其上游的调控区和下游的转录终止信号构成基因表达单位 。,结构基因：乳糖操纵子包含3个结构基因：lacZ、lacY、lacA。LacZ合成半乳糖苷酶

5、，lacY合成透过酶，lacA合成乙酰基转移酶。 启动基因P，位于操纵基因的附近，它的作用是发出信号，mRNA合成开始，该基因也不能转录成mRNA,乳糖操纵子,三、微生物的变异和基因重组,突变 转换 颠换 移码 诱变,基因的转移和重组,基因转移 外源性的遗传物质由供体菌转入某受体菌细胞的过程称为基因转移（gene transfer） 。 重组 转移的基因与受体菌DNA整合在一起称为重组（ recombination），使受体菌获得供体菌的某些性状。 细菌的基因转移和重组可通过转化、接合、转导、溶原性转换和细胞融合等方式进行。,转化（transformation）,转化是供体菌裂解游离的DNA片段被受体菌直接摄取，使受体菌获得新的性状。 转化现象在肺炎链球菌、葡萄球菌和流感嗜血杆菌等中被证实。,转化,转化因子（transforming principle ） 在转化过程中，转化的DNA片段称为转化因子 ，分子量小于107，最多不超过10-20个基因。 感受态（competence） 受体菌只有处于感受态时，才能摄取转化因子。细菌处于感受态是因为其表面有一种吸附DNA的受体. 自溶素、核酸

6、酶,转化,转化因子吸附在受体菌表面受体上，然后再被摄入 。 解链，一链进入受体菌，另一链为进入提供能量。 重组。 DNA复制重组菌繁殖后，获得新的性状的细菌称为转化菌的突变株。,转化,接合（conjugation）,接合是细菌通过性菌毛相互连接沟通，将遗传物质（主要是质粒DNA）从供体菌转移给受体菌。 接合性质粒：能通过接合方式转移的质粒称为接合性质粒，F质粒、R质粒、Col质粒和毒力质粒。,接合,F质粒的接合 F+F 高频重组菌（high frequency recombination,Hfr） F F+ 、 Hfr、 F都为雄菌,原核生物质粒的接合,接合,接合,接合,接合,转导（transduction）,转导是以噬菌体为载体，将供体菌的一段DNA转移到受体菌内，使受体菌获得新的性状。 普遍性转导（generalized transduction） 局限性转导（restricted transduction）,普遍性转导,普遍性转导,被误包装的DNA可以是供体菌中的任何部分（包括质粒），故称为普遍性转导。,普遍性转导,完全转导 外源性DNA片段与受体菌的染色体整合，并随染色体而传代

7、，称完全转导 流产转导 外源性DNA片段游离在胞质中,既不能与受体菌染色体整合，也不能自身复制，称为流产转导,局限性转导,局限性转导或特异性转导， 所转导的只限于供体菌染色体上特定的基因。如噬菌体进入大肠埃希菌。,局限性转导,普遍性转导与局限性转导的区别,溶源转变 （ lysogenic conversion）,当温和噬菌体感染其宿主而使之发生溶源化时，因噬菌体的基因整合到宿主的基因组上，而使后者获得新性状的现象。 溶源转变获得的新性状会噬菌体的丧失而消失,溶源转变与转导有本质的不同：不携带任何供体菌的基因；噬菌体是完整的，而不是缺损的。 白喉棒状杆菌 不产毒素的白喉杆菌,感染噬菌体,产毒素的白喉杆菌,原生质体融合 （protopast fusion),原生质体融合是将两种不同的细菌经溶菌酶或青霉素等处理，失去细胞壁成为原生质体后进行彼此融合的过程。 聚乙二醇可促使二种原生质体的融合。 原生质体融合是一种人工基因转移系统,基因转座,转座效应 插入突变 调控相邻基因的表达 应用 诱变和转基因的手段,四、基因工程,基因工程：在基因水平、分子水平上的 生物工程。 基本操作过程包括： 目的基因的获取 选择合适的载体 DNA体外重组和转化 克隆子的筛选,目的基因的获得,从适当的供体细胞DNA中分离 mRNA 合成cDNA PCR合成,模板,引物,DNA聚合酶,dNTP,反应缓冲液,体系组成,变性,退火,延伸,反应过程,选择合适的载体,能自我复制 分子质量尽可能小 有多克隆位点 有选择性标记,DNA体外重组和转化,DNA重组技术：体外酶切连接 限制性内切酶 转化,DNA重组基本过程,克隆子的筛选,抗药性标记筛选 原位杂交 基因表达筛选,微生物在基因工程中的作用： 做为克隆载体； 生产基因工程工具酶（限制性内切酶、连接酶）； 做为克隆载体的宿主（原核，真核）； 做为表达载体,基因的定点突变,PCR的方法获得,

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