微生物学-微生物的遗传

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1、第六章 微生物的遗传和变异第一节 遗传变异的物质基础 第二节 质粒和转座因子 第三节 基因突变和修复 第四节 细菌的基因转移和重组 第五节 真核微生物的遗传学特性 第六节 微生物的育种第一节 遗传变异的物质基础一、DNA作为遗传物质1，格里菲思转化（Griffith）实验肺炎链球菌S型菌株加热杀死注入小鼠 体内后小鼠不死，而且也不能从小鼠体内重 新分离到肺炎球菌。将S型菌株加热杀死后 和小量活的非致病的R型菌（由S型突变而 来）一起注入小鼠体内后小鼠死亡，而且从 小鼠体内重新分离到活的S肺炎球菌。这种现象唯一合理的解释是：活 的、非致病型的R型从已被杀死的S 中获得了遗传物质，使其成为产生荚

2、膜、有致病性的S型。当分别用降解 DNA、RNA或蛋白质的酶作用与有毒 的S型细胞提取物，选择性地破坏这些 细胞成分，然后分别与无毒的R型细胞 混合，结果发现：只有DNA被酶降解 遭到破坏的抽提物无转化作用。从而 证明DNA是转化所必需的转化因子。2，T2噬菌体感染实验用32P标记病毒的DNA，35S标记病毒的 蛋白质外壳。然后将这两种不同标记的病毒 分别与宿主大肠杆菌混合，结果发现：用含 有35S蛋白质的T2噬菌体感染大肠杆菌时，大 多数放射性留在宿主细胞的外边，而用含有 32PDNA的T2噬菌体感染大肠杆菌时，32PDNA 注入宿主细胞，并产生噬菌体后代，这些T2 噬菌体后代的蛋白质外壳的

3、组成、形状大小 等特性均与留在细胞外的蛋白质外壳完全相 同，这说明决定蛋白质外壳的遗传信息是在 DNA上。 二、RNA作为遗传物质TMV拆分重建实验：分别提取TMV的蛋 白质和HR（TMV的变种）的RNA，通过重建 获得杂种病毒。TMV抗血清使杂种病毒失活， HR抗血清不能使杂种病毒失活，说明杂种病 毒的蛋白质外壳来自TMV；杂种病毒感染烟草 产生HR所特有的病斑，说明杂种病毒的感染 特性是由HR的RNA所决定；从病斑中再分离 得到的子代病毒的蛋白质外壳是HR蛋白质， 而不是TMV蛋白质。实验表明T2的遗传物质是 RNA。 三、基因基因：是一个具有遗传因子效应的 DNA片断，是遗传物质的最小功

4、能单位 。基因组：是指存在于细胞或病毒中 的所有基因。性状：构成一个生物个体的所有的 有关结构、形态、物质和功能等方面的 总称。基因决定性状，性状是基因表达的 最终结果。 四、原核微生物的遗传物质原核微生物无典型的染色体结构， 但是通常都称核区中的DNA为染色体 DNA.。染色体DNA是原核微生物的主要 遗传物质，直接存在于原核之中，一般 为dsDNA，基因数103104。 大肠杆菌基因组特点：1，遗传信息是连续的。2，功能相关的结构基因组成操纵子结构， 有些功能相关的RNA基因也串联在一起。4100 个基因，2584个操纵子，16SrRNA基因- 23SrRNA基因-5SrRNA基因串联在一

5、起。3，结构基因在基因组中多为单拷贝。rRNA 基因多拷贝，7个rRNA操纵子。4，基因组的重复序列少而短。重复序列一般 为4-40个碱基。（质粒和转座因子是细胞中除染色体之外的另 外两类遗传因子。） 五、真核微生物的遗传物质 染色体DNA存在于核内的染色体中，双 链，每一条染色体只含有一条线状双链 DNA。 代表，啤酒酵母，16条染色体。啤酒酵母基因组特点：1， 高度重复：tRNA基因在每条染色体 上至少有4个，共约250个拷贝。 2，没有明显的操纵子结构，有间隔区或 内含子序列。 3，基因组上有许多较高同源性的DNA重 复序列(即遗传丰余)。 （核外遗传物质线粒体DNA、叶绿体 DNA）

6、六、古生菌-詹氏甲烷球菌的基因组 1，几乎有一半基因在现有的基因数据库中 找不到同源序列。 2，基因组在结构上类似于细菌。如环形染 色体DNA、功能相关的基因组成操纵子、基本 上无内含子等。 3，负责信息传递功能的基因（复制、转录 、翻译）类似于真核生物，特别是古生菌的转 录起始系统基本上与真核生物一样。如RNA聚 合酶、启动子结构、翻译延伸因子等。 第二节 质粒和转座因子质粒和转座因子是细胞中除染色体 之外的另外两类遗传因子。 一、质粒1，概念 质粒：一种独立于染色体外、能进 行自主复制的细胞质遗传物质。 2，质粒的特性 （1） 通常是共价闭合、环状、双链DNA分 子。比染色体DNA小得多，

7、约含50100个基 因。 （2）具有自我复制能力。 （3）质粒基因不是宿主生长所必需的，消除 质粒后不会影响到宿主细胞的生存，但是却 决定宿主细胞的某些性状，如抗药性、接合 作用等。 （4）具有不相容性（不亲和性），当细胞内 有一种质粒时，可干扰第二种近缘质粒进行 复制。 （5）质粒可自行或以人工方法消除。 3，质粒类型（1）根据质粒所编码的功能和赋予 宿主的表型效应A：致育质粒（致育因子、F因子、F质粒）: 是 最早发现的一种与大肠杆菌的有性生殖有关的质 粒。携带F质粒的菌株称为F+，不携带F质粒的菌 株称为F-，F质粒整合到宿主细胞染色体上的菌株 称为高频重组菌株（Hfr），当高频重组菌株

8、（ Hfr）上的F因子通过重组恢复成自主状态时，有 时可将其相邻的染色体基因一起切割下来，而成 为携带某一染色体基因的F因子，将这些携带不同 基因的F因子统称为F，携带F因子的菌株也常 用F表示。 B：抗性质粒（抗性因子、R因子、R质粒 ）: 包括抗药性和抗金属性两大类。C：细菌素质粒 : （细菌素是细菌产生的一般只 能抑制或杀死种内不同亚种或菌株中敏感细菌 的特殊多肽类代谢产物。）如col质粒。D：毒性质粒（致病质粒）:质粒上具有编码 毒素的基因，如Ti质粒。E：代谢质粒（降解质粒）: 这类质粒上携带 有能降解某些基质的基因，这类质粒还包括一 些能编码固氮功能的质粒。F：隐秘质粒: 不显示任

9、何表型效应，只有通 过物理方法才能发现。 （2）根据质粒的拷贝数A：高拷贝质粒（松弛型质粒）10-100B：低拷贝质粒（严谨型质粒）1-4（3）根据宿主范围A：窄宿主范围质粒: 质粒的复制 起点较特异，只能在一种特定的宿 主细胞中复制。B：广宿主范围质粒二、转座因子转座因子是细胞中（位于染色体或质 粒上）能够改变自身位置的一段特殊的 DNA序列。 1，转座因子的类型根据转座因子分子结构和特点可分 为三大类： （1）插入顺序（插入序列IS）插入顺序: 只含有编码转座所必需的 转座酶基因，也称跳跃基因。如IS4。（2）转座子（易位子，Tn）: 包括复合转座子和复杂转座子 两种类型。（3）转座噬菌体

10、: 具有转座功 能的一类可引起突变的溶源 性噬菌体。如Mu。 2，转座的遗传学效应 （1）插入突变 （2）染色体畸变（DNA的缺失和倒位） （3）基因的移动和重排 第三节 基因突变和修复一、基因突变的类型DNA分子中一对或少数几对碱基发 生变化称为基因突变（狭义的基因突变 ），也称点突变。 1，根据碱基变化对遗传信息的 改变不同可分为： （1）同义突变：某个碱基的变化没有改变产物 氨基酸序列的密码子变化。 （2）错义突变：碱基序列的改变引起了产物氨 基酸的改变。 （3）无义突变：某个碱基的改变，使代表某种 氨基酸的密码子变为蛋白质合成的终止密码子 （UAA,UAG,UGA）。 （4）移码突变：

11、由于DNA序列中发生12个核 苷酸的缺失或插入，使翻译的阅读框发生改变 ，从而导致从改变位置以后的氨基酸序列的完 全变化。 2，根据突变所引起的表型变化 可分为： 表型：可观察或可检测到的个体性状或 特征，是特定的基因型在一定环境条件 下的表现。 （1）营养缺陷型 （2）抗药性突变型 （3）条件致死突变型 （4）形态突变型 二、基因突变规律1，自发突变 （1）彷徨实验（又称变量实验或波动实验） （2）涂布实验 （3）影印培养实验 2，自发基因突变的分子基础 （1）碱基的互变异构体形成不同碱基配 对 （2）在DNA复制时短的DNA片断的插 入或缺失 （3）随机插入基因组的转座因子 3，突变规律

12、（1）非对称性（随机性） （2）稀有性 （3）规律性 （4）独立性 （5）遗传和回复性 （6）可诱变性 三、诱发突变（一）诱变剂种类： 1,碱基类似物：5-溴尿嘧啶等。 2,插入染料：溴化乙锭、丫啶橙等。 3,直接与DNA碱基起化学反应的诱变剂 ：NH2OH等。 4,辐射和热：UV等。 5,生物诱变因子：转座因子等。 （二）诱变剂与致癌物质 Ames试验 凡是致癌剂都是诱变剂，化学药剂对细菌的诱 变率与其对动物的致癌率成正比关系，所以只 要试验一下某化学物质对细菌是否有诱变性， 便可推测它的致癌性。其原理是；组氨酸缺陷 型在基本培养基上不能生长，如果待测样品具 有诱变作用而使其发生回复突变后即

13、能在基本 培养基上生长，从而初步判断待测样品是否具 有诱变作用。将待测样品与从老鼠肝脏抽提的酶混合在 一起适当保温后，用直径约23mm的圆形滤纸 片吸取待测样品，放置在含有鼠伤寒沙门氏细 菌组氨酸缺陷型突变株的基本培养基平板中央 ，370C培养1624小时。如有诱变作用，则在滤 纸片周围即可长出回复突变的菌落，由于试验 纸片的化学药剂向四周扩散而形成自然的浓度 梯度，故在浓度最高即离试验纸片近的地方， 细菌会全部被杀死，因而无菌落形成；而离试 验滤纸片较远的适宜地方形成回复突变的菌落 最多。（实验所用的细菌必须不含有DNA修复酶）四、DNA的损伤修复 1，光复活作用（光修复） 2，切除修复 3

14、，重组修复 4，SOS修复 （另外：适应修复，DNA酶的校正作用） （光修复、切除修复、重组修复是避免差错的 修复，SOS修复是倾向差错的修复） 第四节、细菌的基因转移和重组 基因重组是指来自两种不同亲本的DNA分子在 同一生物体内经过交换作用而产生新的重组 DNA分子的现象。在真核生物内，基因重组主 要通过典型的有性生殖方式有规律地进行，而 在细菌及放线菌等原核生物中，由于缺少完全 的有性生殖方式，不能形成真正的融合细胞。 所以它们的基因重组只能在特定的条件下才能 发生，一般只能以转化、接合和转导方式由供 体菌进入受体菌而形成重组子。 一、细菌的接合作用 接合作用是指通 过细胞与细胞的直接

15、接触而产生的遗传信 息的转移和重组过程 。质粒起主要作用。 二、转导作用 转导：是指一个细胞的DNA或RNA通过 病毒载体的感染转移到另一个细胞中的 过程。（是由病毒介导的细胞间进行的 遗传物质交换一种形式。） 能将一个细菌宿主的部分染色 体或质粒DNA带到另一个细菌的噬 菌体称为转导噬菌体。转导可分为普遍性转导和局限 性转导两种类型。在普遍性转导中 ，噬菌体可以转导供体染色体的任 何部分到受体细胞中（如P22）；而 在局限性转导中，噬菌体总是携带 同样的DNA片断到受体细胞中。 普遍性转导中外源DNA的三种后果 1)进入受体的外源DNA通过与细胞染色体的重组 交换而形成稳定的转导子. 2)

16、如果转导DNA不能进行重组和复制，其上的基 因仅经过转录而得到表达，就成为流产转导（ abortive transduction），其特点是在选择培养基 平板上形成微小菌落。DNA不能复制，因此群体 中仅一个细胞含有DNA，而其它细胞只能得到其 基因产物，形成微小菌落。 3）被降解, 转导失败，在选择平板上无菌落形成 。 局限性转导(specialized transduction): 温和噬菌体感染受体菌后，其染色体会整合到细菌染色 体的特定位点上，从而使宿主细胞发生溶源化，例如 噬菌体，其插入位点的二侧分别是gal和bio基因； 如果该溶源菌因诱导而发生裂解时，在原噬菌体二侧的 少数宿主基因，（对噬菌体分别是gal和bio基因）， 会因偶尔