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1、第八章 微生物的遗传和变异,孟德尔,遗传&变异对立统一,遗传（heredity）：相似存在延续 变异（variation）：差异进化发展 可遗传性变异： 基因改变，基因型变异 非遗传性变异： 环境影响，表型变异,1 遗传变异的物质基础,核酸与基因 基因(gene)：合成一种有功能的多肽链或RNA分子所必需的一段完整的核酸序列 基因组(genome)：生物体遗传物质中的全部基因总称,一、证明核酸是遗传变异基础的 三大经典实验,Griffith的转化实验 T2噬菌体的感染实验 TMV病毒拆分重建实验,Griffith的转化实验,1928年，英国科学家F. Griffith 利用肺炎链球菌的R型和
2、S型，以老鼠做实验，证实加热杀死的S型能促使R型转变成S型， 称为转化(transformation)。 1944年，美国科学家Avery对Griffith的研究做进一步的分析，从S型活细菌中提取出了 DNA、蛋白质和多糖等物质，分别加入培养R型细菌的培养基中，结果只有加入 DNA，R型细菌才能够转化，DNA的纯度越高，转化就越有效。,T2噬菌体的感染实验,1952年，A.D.Herskey和 M.Chase T2噬菌体蛋白质含S无P，DNA中含P无S 35S，32P放射性标记T2噬菌体后，侵染无标记E.coli ，搅拌，离心 沉淀：细菌、32P；上清液：35S 对沉淀分离到的细菌继续培养，上
3、清液测到32P,TMV病毒拆分重建实验,1956年，F.Conrat以烟草花叶病毒TMV，霍氏车前草花叶病毒HRV混合重建,二、微生物的遗传物质核酸 （一）存在形式,原核细胞型微生物DNA 大多CCC(covalently colsed circular) dsDNA 染色体、质粒、转座因子 真核细胞型微生物DNA 大多L(linear) dsDNA 染色体/质、转座因子 非细胞型微生物DNA/RNA 多种形式 基因组 特殊情况：阮粒(prion),在哪里？,（二）遗传物质的复制方式,原核微生物：复制（染色体） 真核微生物：多个复制起点 病毒： 复制，复制,怎样遗传？,三、质粒（plasmid
4、）,质粒：指独立于染色体外并能自主复制的遗传物质 基本特性 大多CCC(covalently colsed circular) dsDNA 自主复制（可游离也可整合入染色体） 具相容性和不相容性（干扰近缘质粒） 非细胞生长所必需，赋予细胞某些特性，如抗药性、致育性、重金属抗性等 质粒可自行消失或人工驱除 转移性，分接合型和非接合型,代表性质粒,F质粒致育性 R质粒抗药性 Col质粒大肠杆菌素基因 Ti质粒对植物细胞诱癌 巨大质粒固氮 降解性质粒降解特殊碳源,R质粒,分接合型和非接合型 接合型质粒=抗药转移因子(RTF)+ 抗药决定子(r-det) 非接合型质粒：只有r-det，没有RTF r-
5、det可同时携带多种抗药基因,四、转座因子和转座,转座因子：又称跳跃基因，细胞基因组中能够从一个位置转移到另一个位置的一段DNA序列 转座：转座因子转移的过程 普遍性：原核、真核中均有存在，有些噬菌体本身就是转座因子,2 基因突变,点突变 碱基对置换基因突变 移码突变 新遗传型 染色体畸变 的出现 转化 有性杂交基因重组 接合 准性杂交转导 原生质体融合原生质体融合 转化,变异的产生,一、常用概念及表达方式,基因(gene)和基因座位(gene locus) 基因组(genome) 表型(phenotype)和基因型(genotype) 单倍体(haploid)和二倍体(diploid),二、
6、基因突变及其规律,概念：生物体核苷酸序列发生了稳定可遗传的变化。 类型：营养缺陷型，抗性突变型，形态突变型，条件致死突变型，毒力突变型等 规律 1、自发性和不对应性 2、稀少性 3、诱变性 4、独立性 5、稳定可遗传性 6、可逆性：突变株、野生型菌株、回复突变,加入,三、基因突变分子机制,自发突变 诱变：化学或物理诱变剂诱发突变 碱基对置换 直接作用：HNO2诱变机制 间接作用：5-溴尿嘧啶（5-BU）诱变机制 移码突变：一个或几个核苷酸的增减 染色体畸变：大段DNA损伤 物理诱变：紫外线诱变机制,（一）碱基对置换,转换： T C 颠换 A G,DNA的正常碱基对,HNO2诱 变 机 制,A,
7、H,H,C,C,U,U,A,转换,转换,HNO2,HNO2,脱氨,脱氨,5-BU诱变机制 5-BU（酮式）：T的类似物,（二）移码突变,吖啶类染料、溴乙啶BE：DNA分子嵌入剂,（三）物理诱变：UV诱变,主要机制：T-T形成（链间、链内）,四、突变株的应用营养缺陷型菌株Ames试验(补),快速测定法，即利用是否能引起鼠伤寒沙门氏菌组氨酸缺陷型（his）菌株的回复突变来判断化学物质是否诱变剂和致癌剂,Ames试验要点,1.用途：用于检测食品、饮料、药品等是否具有诱变作用（“三致”:致突变、致畸、致癌） 2.菌株：鼠伤寒沙门氏菌组氨酸缺陷型（his） 3.原理：药物作用于实验菌，如有诱变作用，则回
8、复突变，能在基本培养基上生长，超过正常几率即为阳性 4.诱变和致癌：Ames试验阳性和致癌之间有十分明显的相关性（95的致癌剂有诱变作用，90%非致癌剂无诱变作用） 5.优点：方法灵敏，检出率高，简便、易行，不需特殊器材，容易推广,注意,有的致癌物的诱变性是被哺乳动物肝细胞中的羟化酶系统活化的，而细菌却没有这种酶系统，故加入鼠肝匀浆的酶系统能增加检测的灵敏度。,3 基因转移与重组,原核微生物：转化，接合，转导，原生质体融合 真核微生物：有性杂交，准性杂交，原生质体融合，转化,一.转化,形成转化子,在DNA结合蛋白的作用下，于特定位点结合,在核酸酶的作用下，一条链降解一条链吸收 or dsDNA
9、吸收后降解一条链,同源配对,重组整合,(transformation),转化的前提条件,供体菌DNA片段应为dsDNA，且大小合适：大小0.515kb(分子量在106108)时转化率高 碱基对的相对分子量：Mr(A=T)=261, Mr(G=C)=262, Mr(A=U)=247 Mr(DNA)/103 N(DNA,bp)11.5 供体菌与受体菌之间有一定的亲缘关系：同源性 受体菌必须处于感受态：对数生长期后期或人工诱导,人工诱导转化,Ca 2+：CaCl2 环腺苷酸(cAMP) 热转化：先用冰预冷，再用42oC水浴热休克90sec左右，再冰浴后培养观察 电转化,二、接合(conjugatio
10、n),性菌毛,有F因子的菌株：有性菌毛没有F因子的菌株：无性菌毛,F因子存在方式及相互关系,F+F- F+F+,接合对分离,性菌毛收缩搭桥,从otiT开始滚环复制,F质粒结构简图,Hfr + F-,Hfr 接合中断试验,接合结果,F+F- F+F+ Hfr +F- Hfr +F- 大多数，高频重组Hfr + Hfr 极少数 F+F- F+F,三、转导（transduction）,普遍性转导：完全缺陷噬菌体 - 供体菌任何DNA片断 完全转导 流产转导 局限性转导：部分缺陷的温和噬菌体供体菌少数特定基因 低频转导 高频转导,普遍性转导,装配，误包,侵染,复制,裂解释放,侵染新宿主菌,形成转导子,
11、准备过程,真正转导,完全转导,流产转导,( generalized transduc-tion),局限转导(restric-ted transdu-ction),供体菌 溶源菌UV等诱导正常切离 不正常切离(10-6)正常噬菌体 () 部分缺陷噬菌体（dgal/ dbio）LFT裂解物侵染受体菌高感染复数 低感染复数（m.o.i.）双重溶源菌(、dgal) 局限转导子诱导切离 帮助dgal复制 HFT裂解物（等量、dgal ）低感染复数下侵染受体菌局限转导子,温和噬菌体侵染,（大量）,（极少量）,准备过程,真正转导,高频转导,低频转导,低频转导裂解物,转导和溶源转变区别,四. 原生质体融合 (
12、protoplast fusion),优点：扩大了基因重组的范围，如光合细菌与酵母菌的融合 方法：加入融合诱导剂（如聚乙二醇 PEG）或施加特殊的物理刺激(如高压直流电脉冲),基因工程主要流程,课后复习题,1、名词解释：基因，基因组，转座因子，质粒，基因突变，回复突变，野生型菌株，突变株，Ames实验，营养缺陷型突变株，基因重组，转化，接合，转导，普遍性转导，局限性转导 质粒有何基本特性？ 什么是耐药性质粒？其组成如何？ 什么是基因突变？有何特性？ 图示HNO2诱变机制。 图示5-溴尿嘧啶（5-BU）诱变机制。 UV诱变的主要机制是什么？ 简述Ames试验的原理及过程。 原核生物主要有何基因重组方式？ 什么是转化？转化有何前提条件？简述其基本过程。 什么是接合？根据F因子存在方式的不同说明接合的机制。 什么是转导？有何类型？各有何特点？简述普遍性转导的过程。 转导和溶源转变有何区别？,
