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酵母菌遗传学 酵母菌概况 酵母菌是一类单细胞真菌，并非系统演化分类 的单元 目前已知有1000多种酵母，根据酵母菌产生孢 子(子囊孢子和担孢子)的能力，可将酵母分成三类 ： 形成孢子的株系属于子囊菌和担子菌；不形成孢子 但主要通过芽殖来繁殖的称为不完全真菌，或者叫 “假酵母” 目前已知大部分酵母被分类到子囊菌门酵母 菌主要的生长环境是潮湿或液态环境，有些酵母菌 也会生存在生物体内 1996年完成了酿酒酵母的全基因组测序，是真 核生物中第一个被测序的生物 酵母作为模式生物的作用 酵母作为高等真核生物特别是人类基因组研究 的模式生物，其最直接的作用体现在生物信息学 领域 当人们发现了一个功能未知的人类新基因时， 可以迅速地到任何一个酵母基因组数据库中检索 与之同源的功能已知的酵母基因，并获得其功能 方面的相关信息，从而加快对该人类基因的功能 研究 研究发现，有许多涉及遗传性疾病的基因均与 酵母基因具有很高的同源性，研究这些基因编码 的蛋白质的生理功能以及它们与其它蛋白质之间 的相互作用将有助于加深对这些遗传性疾病的了 解 主要内容 n一、酵母菌的基因组和染色体 n二、酵母线粒体基因组及其遗传 n三、酵母菌中的质粒 n四、酵母基因表达的调控 n五、接合型基因及其基因型转换 n六、酵母菌的载体系统 第一节酵母菌的基因组和染色体 一.酵母菌的基因组 酵母中编码RNA或蛋白质的大约2600个基因。

通过对酿酒酵母的完整基因组测序，发现在 12068kb的全基因组序列中有5885个编码专一性蛋白 质的开放阅读框（ORF）这意味着在酵母基因组中 平均每隔2kb就存在一个编码蛋白质的基因，即整个 基因组有72％的核苷酸顺序由开放阅读框组成 这说明酵母基因比其它高等真核生物基因排列紧 密 1.核小体：DNA和组蛋白（H2A、H2B、H3和H4） 酿酒酵母中无H1（有丝分裂中维持染色质的高度超螺旋） 2.着丝粒（centromere）:点着丝粒和区域着丝粒 3.端粒(telomere)：末端重复序列和蛋白质 4.复制起点：控制DNA复制起始的一段DNA序列—ARS ARS若克隆到质粒中，可使质粒DNA在酵母中自主复制 1）ARS的结构 A：ACS在所有的ARS都完全相同或相似 ARS B：ACS的3’末端 C：ACS的5’末端，富含AT，C之间无同源性，无共有序列 二.酵母菌的染色体 （2）ARS-结合蛋白：可能起始酿酒酵母的复制 起始识别复合物（ORC）：与A、B区结合，可 能使复制起始蛋白Abf1p与蛋白结合可提高 复制效率 （3）ARS启动染色体复制的活性 有些ARS在原染色体上无自主复制活性，而克 隆到质粒中则具有活性？正在研究中。

第二节酵母线粒体基因组及其遗传 n线粒体是真核细胞重要的代谢中心之一 n其DNA（mtDNA）编码自身所需的rRNA、 tRNA以一些蛋白质如细胞色素和ATP酶等 n1. 呼吸缺陷突变株－三类： 分离性小菌落：染色体上基因发生了突变 中性小菌落：完全丢失了线粒体DNA 抑制性小菌落：丢失了部分线粒体DNA 接合子基因营救:野生型 细胞能为缺陷的小菌落基 因组提供有功能的蛋白翻 译系统，那么它们杂交产 生的接合子就能够表达该 小菌落基因组携带的基因 特点： 1)大多数mtDNA（线粒体 DNA）中无重复核苷酸序 列—重要特点 2)半自主性 2. 酵母线粒体基因组的物理图谱及其特性 图7－7 第三节 酵母菌中的质粒 n1. 2μm质粒：双链、环状DNA、50－100个拷 贝，不赋予宿主细胞遗传表型，属于隐蔽质 粒 n最显著的特点：两个反向重复顺序（IR ）， 其上有FRT（专一性重组位点），它们被一 个较大的单一区（约2.7kb）和一个较小的单 一区（约2.3kb）隔开FRT重组产生两种构 型的质粒，即A型和B型 2. 嗜杀现象 1963年，Bevan和Makower发现酿酒酵母中某些 菌株可产生毒素而杀死其他酵母的现象。

嗜杀株（killer）：产生毒素的菌株 敏感株：对毒素敏感的菌株 中性株：既不产毒素又不敏感的菌株 该特性由两种具有自我复制能力的细胞遗传因 子----双链线状RNA(dsRNA)决定的，它们通常以蛋 白质外壳包裹着的粒子状态存在于细胞之中，不具 有体外侵染的特性也称为类病毒颗粒（virus- like particle）. 分类：L-dsRNA:编码自身和M型的蛋白外壳和RNA聚合酶 M-dsRNA：编码杀伤毒素蛋白，分泌到细胞外 第四节 酵母基因表达的调控* 真核基因调控分两类: n1、瞬间调控（可逆性控制） n2、发育调控（不可逆性控制） n一. 酵母基因的启动子元件 n所有启动子都包括3个基本的DNA序列元 件（顺式作用元件）： 1）上游激活序列(UAS) 2）TATA元件 3）转录起始位点，有些酵母基因的启动子 还含有沉默子 n2.酵母的转录调控因子 n(1)TATA区结合蛋白 成环假说 n(2)GAL4转录因子和gal基因的表达调控 n(3)GCN4转录调控因子 n(4)HAP1、HAP2和HAP3 n(5)α1、α2和a1调节蛋白 第五节 接合型基因及其基因型转换 n1. 酿酒酵母 的生活史 酵母的同宗配合和异宗配合 2. 酿酒酵母细胞分裂的遗传调 控 n减数分裂 n有丝分裂 （1）a和α 单倍体细胞 (2)接合信息素信号的传递 （3)接合型基因MAT在接合过 程中的调控 3. 接合型基因的转换 n某些酵母有转换交配型的能力，即从 a 型变成 为 α 型，或从 α 型转变为 a 型。

这些品系带 有显性等位基因 HO 并频繁地改变它们的交配 型（常常每代改变一次），带有隐性等位基因 ho 的品系有一个稳定的交配型，其交配型改 变的频率仅约 10 -6 转换的存在表明所有的细 胞都含有 MATa 和 MAT α 型的潜在信息， MATα 和 MATa 同在一条染色体上， (1)酵母接合 型基因的转换 （1）酵母接合型基因的转换 n 酵母交配型转换的暗箱模型（ cassette model ），提出 MAT 是活性暗盒（ active cassette ），可以是 α 型，也可以是 a 型 HML 和 HMR 是沉默暗盒（ silent cassettes ），都不能表达通常 HML 带 有 α 暗盒，而 HMR 带有 a 暗盒，所有的 暗盒都带有编码交配型的信息，但只有 MAT 可以表达当活性暗盒信息被沉默 暗盒信息所取代时就发生了交配型转换 沉默暗盒和活性暗盒的结构 SIR基因产物关闭HML α和HMR a基因 n原推则 HMLα 和 MHRa 之所以“沉默”是由于它们缺乏启动子， 但其实不然，因为 MATα 和 MATa 特异性 mRNA 的转录是在 Y 片段的内部起始的，而沉默暗盒和 MAT 暗盒中的 Y 序列是相同 的，必定具有相同的启动子。

差不多在同一时期遗传学家们发现 了 4 个不连锁的沉默信息调节基因 SIR （ silent information regulator ） 1 、 2 、 3 和 4 ，这些基因产物共同起反式作用（它 们并不在同一条的染色体上）来阻止沉默暗盒中的基因表达若 这 4 个 SIR 基因中任何一个基因失去作用的话，那么 HMLα 和 HMRa 基因同样可转录为了寻找 SIR 产物的作用位点，首先通 过体外诱变在 HMRa 和 HMRα 中产生缺失，然后利用 DNA 转化 的方法将缺失的 DNAs 插入合适的酵母菌株中看看是否能表达， 从而确定 SIR 蛋白结合位点 n3 ． E L 和 E R 位点缺失突变分析表明在各个 HML 和 HMR 的上游具有阻遏它们表达的位点 ，此靶位点有时称为 E 沉默子和 I 沉默子，或 E L （ near HML ）和 E R （ near HMR ）控 制位点具有 2 个特点： ① 它们具有负的增强 子的作用，它们能对远隔 2 ～ 5Kb 的启动子发 挥作用，而且没有方向性，所以它们被称为沉 默子（ silencers ）； ② 它们和可能具有复制起 点作用的 ASR 序列相联 。

MATa 和 MATα 基因编码调节蛋白 nα 细胞含有很多的“ α- 特异性蛋白”，而 a 细胞含有一套“ a- 特异性蛋白” nMAT 座位的基本功能是控制外激素和受 体基因以及其他和交配有关基因的表达 ，每种类型的座位编码一些调节蛋白 MATα 编码两种调节蛋白： α1 和 α2 nMATa 只编码一种调节蛋白 a1 n在二倍体中 α2 蛋白 仍可合成，其功能 是： ① 阻遏 a- 交 配型特异基因群的 表达； ② 和 a1 相 互合作来阻遏 α1 的 及 hsg 的表达 α1 不能合成就无法诱 导 α- 交配型特异基 因群的表达 hsg 基因的阻遏就不能 合成阻遏减数分裂 和孢子形成的蛋白 ，使二倍体特异基 因群得到表达，从 而可以进行减数分 裂及孢子形成 （2）接合型转换机理 n转换过程中受体位点（ MAT ）被转变成 供体型的序列（ HML 和 HMR ） MAT 的突变可阻止交配型转换鉴别出转换所 需的位点通过 HML 或 HMR 中的缺失 突变发现了这个转变过程具有单向性的 特点 第六节 酵母菌的载体系统 n1. 克隆载体 n（1）酵母整合型载体 n（2）酵母附加体质粒载体（YEp) （2）酵母附加体质粒载体（YEp) n3. 酵母菌复制载体 n4.酵母着丝粒载体 n5.酵母的人工染色体（YAC) 载体首先被BamHI和SnaBI酶 切将分子切成三块，BamHI 片段被去掉，剩下两个臂， 每一臂都已TEL作为末端，另 一端是SnaBI位点。

克隆的 DNA必须是平端(SnaBI也是 一个平端酶，识别序列是 TACGTA)被连接在两个臂的 中间就产生了人工染色体 利用原生质转化法将人工染 色体引入酵母受体酵母是 利用一个双营养缺陷体trp1- ura3，载体上含有互补基因 作为选择标记转化后于基 本培养基上培养，只有含有 人工染色体的细胞可以正常 生长含有两个左臂或者两 个右臂的染色体都不能正常 生长，因为其中一个选择标 记基因丢失，插入片段的鉴 定可以通过SUP4基因的插入 失活，白色的克隆是重组子 ，红色的不是 YAC载体的使用： n 一些哺乳动物的基因大于100kb超过了大肠杆菌载 体系统的承受范围，但正好在YAC载体的范围之内 研究发现，在某些情况下，YACs可以在哺乳动物中表 达，因此可以在基因存在的生物中研究基因的功能 YACs在构建基因文库中非常重要，最高容量的大 肠杆菌质粒可以插入300kb的片断，对于人的基因文库 需要30000个克隆，而YACs可以克隆600kb的片段，一 些类型可以携带1400kb片段，可以使人类基因文库的 克隆数降至6500个虽然，”mega-YACs”存在着不稳 定性，克隆的DNA片段可以被重新排列。

但是，YACs 在大规模的测序中是非常有用的 n二、酵母的表达载体 n三、酵母的分泌载体 。