微生物学讲义 第十章

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1、 第十章第十章 微生物遗传微生物遗传微生物是遗传学研究的优良材料：t 微生物细胞结构简单，营养体一般为单倍体，方便建立纯系。t易于人工培养，快速、大量生长繁殖。t 对环境因素的作用敏感，易于获得各类突变株，操作性强。第一节 遗传的物质基础一、DNA作为遗传物质二、RNA作为遗传物质三、朊病毒的发现与思考3、 T2噬菌体感染实验（1952年）1、 Griffith转化实验（1928年）2、 Avery进一步证明DNA为遗传物质（1944年）一、DNA作为遗传物质第一节 遗传的物质基础（参见 P194）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

2、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灭活的S + 活的 R 型 活的S （不致死 ） （不致死 ） （致死 ）判断：灭活的S 中的遗传物质进入活的 R 型菌并表达毒性 Griffith（1928年）称之为转化现象1、 Griffith转化实验（1928年）2、 Avery进一步证明DNA为遗传物质（1944年）只有DNA被酶降解破坏的灭活S的抽提物无转化活性分别用降解DNA、RNA、蛋白质的酶处理灭活S的细胞抽提物DNA为遗传物质3、 T2（Type 2）噬菌体感染实验（1952年）第一节 遗传的物质基础 （参见 P195）二、RNA作为遗

3、传物质分别提取病毒（TMV）的蛋白质外壳 和病毒（HR）的核酸（RNA） 抗血清处理，证明杂种病毒的蛋 白质外壳来自病毒（TMV），而 非病毒（HR）杂种病毒的后代的蛋白质外壳表现 为病毒（HR），而非病毒（TMV）遗传物质是核酸（RNA）而非蛋白质HRHRTMVTMVHRTMV第一节 遗传的物质基础三、朊病毒的发现与思考（参见 P191 和 P195）亚病毒的一种：具有传染性的蛋白质致病因子，迄今为止尚未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，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(Creutzfel

4、dt Jakob disease, CJD)等羊搔痒症(scrapie)牛海绵状脑病(spongiform encephalopathy)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荣获诺贝尔奖诺贝尔奖（始于1901）诺贝尔奖包括金质奖章、证书和奖金支票。 其中奖金数视基金会的收入而定，奖金的面 值由于通货膨胀逐年有所提高：最初：万美元世纪年代：万美元年代：万美元年代：万美元年：万美元。诺贝尔奖的证书（Di

5、plomas）各具风采 ，是独一无二的艺术品。左侧是由艺术 家根据各位诺贝尔奖得主获奖工作的特 质为其创作的画作，右侧是书法家用瑞 典文或挪威文书写的、说明其获奖事宜 的正文。设立物理、化学、生理与医学 、文学及和平、经济六种奖项。 物理学生理学、医学经济学和平（Diplomas）化学文学第一节 遗传的物质基础三、朊病毒的发现与思考（参见 P191 和 P195）1）蛋白质是否可以作为遗传物质？prion是生命的一个特例？还是仅仅为表达调控的一种形式？2）蛋白质折叠与功能的关系，是否存在折叠密码？DNARNA肽链蛋白质（参见 P197）第二节 微生物的基因组结构一、概念基因组（genome）：

6、一个物种的单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），一般为单倍体，只有一条染色体真核微生物：多为二倍体，有多条染色体，例如啤酒酵母有16条染色体，有时为双倍体。（参见 P197）第二节 微生物的基因组结构二、微生物与人类基因组计划人类基因组计划 （Human Genome Project）1985年提出；1990年正式开始实施；计划2005年2月，测序工作完成后基因组时代（Postgenome Era）人类基因组计划 （Human Genome Project）人类基因组计划是美国科学家于年率先提 出的，旨在阐明人类基因组碱基对的序列，发现所 有人类基因并搞清其在染色

7、体上的位置，破译人类 全部遗传信息，使人类第一次在分子水平上全面地 认识自我。计划于年正式启动，原计划于 年完成。这一价值亿美元的计划的目 标是，为亿个碱基对构成的人类基因组精确测 序，从而最终弄清楚每种基因制造的蛋白质及其作 用。 我国是参与计划的唯一发展中国家年，被誉为生命“登月计划”的国际 人类基因组计划启动。年月，我 国获准参与人类基因组计划，负责测定人类 基因组全部序列的，也就是号染色体 上的万个碱基对，我国因此成为参 与计划的唯一发展中国家。我国于 年月日绘制完成“中国卷”。 人类基因组计划的研究目标已实现年月日，美国联邦国家 人类基因组研究项目负责人弗朗西斯柯林斯博士在华盛顿宣布

8、，美、英、日、 法、德和中国科学家经过年努力共 同绘制完成了人类基因组序列图，人类 基因组计划的目标全部实现。 结论初步分析表明，人类基因组由亿个碱基对组成，共有万至万个基 因，比线虫仅多万个，比果蝇多万个， 远小于原先万个基因的估计。另外，科 学家还发现与蛋白质合成有关的基因只占整 个基因组的。 目前正在实施人类基因组单体型图计划 继人类基因组计划之后，美国、英国、 日本、加拿大和中国科学家共同发起和 参与了人类基因组单体型图计划，旨在 分析各主要人类群体的差异，并在此基 础上进一步分析所有与疾病相关的序列 差异，为世纪的“个人医学”奠定基 础，“只有在那个时候，人类基因组计划 才能显示出全

9、部意义。” 中国承担的任务 参与单体型图个国家的任务已经确定： 美国，日本，英国， 加拿大，中国。“中国卷”的 具体内容是构建号、号染色体和 号染色体短臂的人类基因组单体型图。 （参见 P197）第二节 微生物的基因组结构二、微生物与人类基因组计划被选择进行全基因组测序的微生物：1、人类基因组计划中的模式生物2、与人类生活关系密切的微生物重要的致病菌及一些工业生产菌： 大肠杆菌、幽门螺杆菌、结核杆菌、梅毒螺旋体、流感病毒 、耐超高温热棒菌、产气荚膜梭菌 3、对阐明生物学基本问题有价值的微生物例如一些古生菌：如Methanococcus jannaschii (詹氏甲烷球菌)等啤酒酵母1994年

10、美国发起了微生物基因组研究计划（MGP ）（参见 P201）第二节 微生物的基因组结构三、微生物基因组结构的特点1、原核生物（细菌、古生菌）的基因组1）细菌染色体为双链环状的DNA分子（单倍体）；（参见 P197-200）第二节 微生物的基因组结构三、微生物基因组结构的特点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）；2）基因组上遗传信息具有连续性；基因数接近由它的基因组大小所估计的基因数参见表8-1（通常以1000bp1500bp为一个基因进行计算）一般不含内含子，遗传信息是连续的而不是中断的。（参见 P197-200）第二节 微生物的基因组结构三、微生物基

11、因组结构的特点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）；2）基因组上遗传信息具有连续性；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）： 是一个结构上、功能上协同作用的整体，受同一调节基因和 启动区的调控，包括启动子、操作子和结构基因。第二节 微生物的基因组结构三、微生物基因组结构的特点（参见 P197-200）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

12、）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。真核细胞中单拷贝顺序和重复顺序常常是间隔排列的。不仅如此，在一个基因 内部往往被一个或几个额外的顺序分割 成若干片段，这种插入到基因内部的顺 序称为插入顺序或内含子（intron）。内含子是不编码的顺序，而编码的碱基顺 序则称为外显子（exon）。插入顺序是 真核细胞DNA最主要的特征。 第三节 质粒和转座因子（参见 P200） 质粒（plasmid）：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。吖啶类染料、高温、某

13、些离子作用可消除质粒。 转座因子（transposable element）：位于染色体或质粒上的一段能改变自身位置的DNA序列，广泛分布于原核和真核细胞中。质粒和转座因子是细胞中除染色体以外的另外二类 遗传因子第三节 质粒和转座因子（参见 P201） 一、质粒的分子结构1、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）第三节 质粒和转座因子（参见 P201） 一、质粒的分子结构2、质粒的检测t 提取所

14、有胞内DNA后电镜观察；t 超速离心或琼脂糖凝胶电泳与染色体DNA分开后观察；t 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。第三节 质粒和转座因子（参见 P201）二、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；第三节 质粒和转座因子（参见 P202）二、质粒的主要类型质粒所编码 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 plasmi

15、d）毒性质粒（virulence plasmid）代谢质粒（Metabolic plasmid）隐秘质粒（cryptic plasmid）第三节 质粒和转座因子（参见 P202）二、质粒的主要类型1、致育因子(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）。第三节 质粒和转座因子 （参见 P202） 二、质粒的主要类型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。R1质粒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，tet ） 链霉素(Streptomycin, Str)、 磺胺(Sulfonamide, Su)、 氯霉素(Chlorampenicol, Cm) 夫西地酸（fusidic acid，fus）这些抗性基因是成簇地 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。第三节 质粒和转座因子 （参见 P202）二、质粒的主要类