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1、1、微生物遗传学基础,遗传与变异的概念,遗传和变异是生物体的最本质的属性之一。 遗传(heredity)：亲代生物的性状在子代得到表现；亲代生物传递给子代一套实现与其相同形状的遗传信息。特点：具稳定性。 遗传型（genotype）：又称基因型，指某一生物个体所含有的全部基因的总和；-是一种内在可能性或潜力。 遗传型 + 环境条件 表型 表型（phenotype）：指生物体所具有的一切外表特征和内在特性的总和;-是一种现实存在，是具一定遗传型的生物在一定条件下所表现出的具体性状。,遗传与变异的概念,遗传和变异是生物体的最本质的属性之一。 遗传(heredity)：亲代生物的性状在子代得到表现；亲
2、代生物传递给子代一套实现与其相同形状的遗传信息。特点：具稳定性。 遗传型（genotype）：又称基因型，指某一生物个体所含有的全部基因的总和；-是一种内在可能性或潜力。 遗传型 + 环境条件 表型 表型（phenotype）：指生物体所具有的一切外表特征和内在特性的总和;-是一种现实存在，是具一定遗传型的生物在一定条件下所表现出的具体性状。,变异(variation):生物体在外因或内因的作用下，遗传物质的结构或数量发生改变。变异的特点：a.在群体中以极低的几率出现，（一般为10-610-10）；b.形状变化的幅度大； c. 变化后形成的新性状是稳定的，可遗传的。 饰变（modificati
3、on）：指不涉及遗传物质结构改变而只发生在转录、转译水平上的表型变化。特点是：a.几乎整个群体中的每一个个体都发生同样的变化；b.性状变化的幅度小；c.因遗传物质不变，故饰变是不遗传的。引起饰变的因素消失后，表型即可恢复。,例如：粘质沙雷氏菌：在25下培养，产生深红色的灵杆菌素；在37下培养，不产生色素；如果重新将温度降到25，又恢复产色素的能力。,1.1.1 DNA作为遗传物质,Avery在四十年代以更精密的实验设计重复了以上实验,分别用降解DNA、RNA、蛋白质的酶 作用于有毒的S型菌细胞抽提物,只有DNA被酶降解破坏的抽提物无转化活性,DNA是转化所必需的转化因子,1.1 遗传变异的物质
4、基础,肺炎链球菌的转化现象,1.1.2 RNA作为遗传物质,生化提取分别获得含RNA的烟草花叶病 毒蛋白质外壳（病毒1）和核酸（病毒2）,抗血清处理，证明杂种病毒的蛋 白质外壳来自病毒1，而非病毒2,杂种病毒的后代的蛋白质外壳表现 为病毒2，而非病毒1,遗传物质是核酸（RNA）而非蛋白质,普通的TMV与毒株霍氏车前花叶病毒（HR）的核酸和蛋白质的拆开和相互对换重建的过程，同样令人信服地证实了核酸是TMV的遗传物质基础。,烟草花叶病毒经弱碱、尿素、去垢剂等处理，可以将其蛋白外壳与RNA分开，重新将蛋白外壳与RNA混合，病毒粒子又会重建。,将普通的TMV外壳与毒株霍氏车前花叶病毒HR的RNA混合构
5、成杂种病毒。,TMV抗体处理会使其钝化，不能引起病斑。,而用HR抗体处理，则不会影响杂种病毒的感染性，这说明杂种病毒的外壳确实是TMV病毒的外壳。,杂种病毒感染烟草后，在烟叶上出现HR的病斑，而且从中分离到具HR外壳的HR病毒，这表明是TMV的RNA、而不是蛋白质携带着病毒的所有遗传信息。,烟草花叶病毒经弱碱、尿素、去垢剂等处理，可以将其蛋白外壳与RNA分开，重新将蛋白外壳与RNA混合，病毒粒子又会重建。,1.1.3 朊病毒的发现与思考,亚病毒的一种：具有传染性的蛋白质致病因子，迄今为止尚为 发现该蛋白内含有核酸。,其致病作用是由于动物体内正常的蛋白质PrP c改变折叠状态为 PrP sc所致
6、，而这二种蛋白质的一级结构并没有改变。,人的库鲁病(kuru)、克雅氏病(Creutzfeldt Jakob disease, CJD)等,羊搔痒症(scrapie),牛海绵状脑病(spongiform encephalopathy),引起人与动物的致死性中枢神经系统疾病,Prusiner (1982)提出羊搔痒病因子是一种蛋白质侵染颗粒 （proteinaceous infectious particle），并将之称做Prion或Virino。 -朊病毒,1997年，Stanley B. Prusiner荣获诺贝尔奖,核酸存在的七个水平及质粒 细胞水平：存在于细胞核或核质体，单核或多核 细胞
7、核水平: 原与真核生物的细胞核结构不同，核外DNA 染色体水平: 倍性(真核)和染色体数 核酸水平：在原核中同染色体水平、存在部分二倍体 DNA或RNA，复合或裸露，双链或单链 基因水平：具自主复制能力的遗传功能单位，长度与信息量，转录翻译 密码子水平： 信息单位,起始和终止, 核苷酸水平： 突变或交换单位，四种碱基,1.2 遗传物质在细胞内的存在部位和方式,原核生物的核质,类核或拟核（nucleoids）,习惯上仍称为“梁色体”,细菌类核结构：,也存在一些RNA,可能不是必需组份分离中带上,蛋白质和DNA,E.coli的DNA,大约4510个形成超螺旋的环,高度折叠的结构使DNA分子长度压缩
8、了千余倍,1.3 微生物的染色体分子结构,1.3.1 原核微生物拟核体,DNA分子形成环状，这种环呈超螺旋状,它从致密的含蛋白质的结构中伸出（支架）,E.coli 2.4109 Da，42000 Kb（1300微米），闭合环 状，约编码2000个基因。 类核（nucleoid）。 支架 (scafford） 50-100个DNA环组成，每200bp就有一个负超螺旋,DNA这种高度折叠的结构使DNA分子长度压缩了千余倍。,1.3.2 真核微生物染色体,(1) 染色质的基本结构,真核基因组的DNA是与蛋白质结合的染色质 染色质：细胞核中被碱性染料所染的成分 染色体：有丝分裂时所见的棒状结构,染色质
9、,核小体是染色质的基本结构单位,核小体结构模型,(2) 染色体的结构模型,染色体的结构是由两条染色单体(chromatid)组成的。,每条染色单体包括一条染色线(chromonema)，以及位于线上许多染色很深、颗粒状的染色粒(chromomere),细胞分裂过程中染色质线卷缩成为一定形态结构的染色体,(3) 着丝粒和端体,着丝粒是染色体的缩缢部位，是细胞分裂过程中纺锤丝(spindle fiber)结合的区域。,端粒的功能 防止染色体末端为DNA酶酶切； 防止染色体末端与其它DNA分子的结合 使染色体末端在DNA复制过程中保持完整,2.4 微生物基因组,基因组（genome）： 一个物种的单
10、倍体的所有染色体及其所包含的遗传信息的总称,原核生物（如细菌），多为单倍体（在一般情况下只有一条染色体） 真核微生物，多条染色体，例如啤酒酵母有16条染色体。有时为双倍体,有代表性的生物体内DNA大小,1.4.1原核生物（细菌、古生菌）的基因组,1）染色体为双链环状的DNA分子（单倍体）；,链环状的染色体在细胞中以紧密缠绕成的较致密的不规则小体形式 存在于细胞中，该小体称为拟核(nucliod)，其上结合有类组蛋白蛋 白质和少量RNA分子，使其压缩成一种手脚架形的致密结构。,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,微生物基因组DNA绝大部分用来编码蛋白质
11、、RNA；用作为复制 起点、启动子、终止子和一些由调节蛋白识别和结合的位点等信 号序列。,一般不含内含子，遗传信息是连续的而不是中断的。,真核生物基因组的一个重要 特点就是含有内含子,个别细菌(鼠伤寒沙门氏菌和犬螺杆菌)和古生菌的rRNA和tRNA中也发现有内含子或间插序列,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；,古生菌的基因组在结构上类似于细菌。但是信息传递系统(复制、 转录和翻译)则与细菌不同而类似于真核生物。,操纵子（operon）： 功能相关的几个基因前后相连，再加上一个共同的调节基因和一组 共同的控制位点（启
12、动子、操作子等）在基因转录时协同动作。,1.4.2真核微生物（啤酒酵母）的基因组,1）典型的真核染色体结构；,2）没有明显的操纵子结构；,啤酒酵母基因组大小为13.5106bp，分布在16条染色体中。,3）有间隔区（即非编码区）和内含子序列；,4）重复序列多；,1.5 染色体外遗传成份,基因不仅存在在染色体上，还存在于细胞中的染色体外的遗传因子上,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,1.5.1 原核微生物核外遗传物质,质粒（pla
13、smid）：,一种独立于染色体外，能进行自主复制的细胞质遗传因子， 主要存在于各种微生物细胞中。,(1)质粒的分子结构,通常以共价闭合环状(covalently closed circle，简称CCC)的 超螺旋双链DNA分子存在于细胞中；,也发现有线型双链DNA质粒和RNA质粒；,质粒分子的大小范围从1kb左右到1000kb； （细菌质粒多在10kb以内）,质粒的检测,提取所有胞内DNA后电镜观察；,超速离心或琼脂糖凝胶电泳后观察；,对于实验室常用菌，可用质粒所带的某些特点，如抗药性初步判断。,对于由于三种构型同时存在时造成的多带现象（提取质粒时造成或自然存在），可以进行特异性单酶切，使其成
14、为一条带。,特定的质粒提取方法和后处理使染色体和RNA均被除掉。,(2) 质粒的主要类型,在某些特殊条件下，质粒有时能赋予宿主细胞以特殊的机能， 从而使宿主得到生长优势。,质粒所含的基因对宿主细胞一般是非必需的；,质粒所编码 的功能和赋 予宿主的表 型效应,致育因子（Fertility factor，F因子） 抗性因子（Resistance factor，R因子） 产细菌素的质粒（Bacteriocin production plasmid） 毒性质粒（virulence plasmid） 代谢质粒（Metabolic plasmid） 隐秘质粒（cryptic plasmid）,1)致育因子
15、(Fertility factor，F因子),又称F质粒，其大小约100kb，这是最早发现的一种与大肠杆菌 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)。,2)抗性因子（Resistance factor，R因子）,包括抗药性和抗重金属二大类，简称R质粒。,R100质粒(89kb)可使宿主对 下列药物及重金属具有抗性： 汞（mercuric ion ，mer） 四环素（tetracycline
16、，tet ） 链霉素(Streptomycin, Str)、 磺胺(Sulfonamide, Su)、 氯霉素(Chlorampenicol, Cm) 夫西地酸（fusidic acid，fus） 并且负责这些抗性的基因是 成簇地存在于抗性质粒上。,抗性质粒在细菌间的传递是细菌 产生抗药性的重要原因之一。,3)产细菌素的质粒（Bacteriocin production plasmid）,细菌素结构基因、涉及细菌素运输及发挥作用（processing）的蛋白质的基因、 赋予宿主对该细菌素具有“免疫力”的相关产物的基因,一般都位于质粒或转座子上，因此，细菌素可以杀死 同种但不携带该质粒的菌株。,细菌素一般根据产生菌的种类进行命名：,大肠杆菌（E. coli）产生的细菌素为colicins（大肠杆菌素）， 而质粒被称为Col质粒。,由G+细菌产生的细菌素或与细菌素类似的因子与colicins有所不同， 但通常
