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1、第八章 微生物遗传 一切生命体最基本的属性之一 病原生物学教研室,1 遗传(heredity,inheritance)的物质基础,一、遗传物质化学本质的确认 肺炎链球菌的转化实验(Transformation experiment of S.pneumoniae)-F. Griffith 1928；Avery等19441949年 T2噬菌体的感染实验 TMV(Tobacco Mosaic Virus)拆分与重建实验,1.Griffith的转化实验,转化实验分析 小鼠是由S型菌的毒性作用致死的， S型菌？不是S型的残留者 不是R型的回复突变 合理解释：活的非致病性的R型从已被杀死的S型中获得了遗
2、传物质，使其产生荚膜转化为致病性的S型。 以上这种现象称为转化(transformation) 引起转化的物质称为转化因子(transforming factor),2.DNA作为遗传物质的第一个实验证据,Avery等证明DNA为转化因子,3.T2噬菌体的感染实验,1952年Hershy等实验证明，进入细菌细胞内部的物质是DNA。 DNA包含有产生完整噬菌体的全部信息。,二、RNA作为遗传物质TMV(Tobacco Mosaic Virus) 拆分与重建实验,*杂种病毒的感染特征和蛋白质的特性是由它的RNA决定的，而不是蛋白质决定的，遗传物质是RNA,1956年F.Fraenkel-Conra
3、t,结 论,核酸是负荷遗传信息的物质基础,三、朊病毒(prion)的发现和思考 亚病毒的一种：具有传染性的蛋白致病因子 其致病作用是动物体内正常的prpc改变折叠状态为prpsc 蛋白质是否可作为遗传物质？ Prion是生命的一个特例？还是仅仅为表达调控的一种形式？ 蛋白质折叠与功能的关系，是否存在折叠密码？,2微生物的基因组结构,基因组(genome) 一个物种的单倍体所包含的遗传信息的总称。 细胞或病毒中的所有基因和非基因的DNA序列的总称，包括结构基因、调控序列、功能目前尚不清楚的DNA序列。,一、大肠杆菌(Escherichia coli)的基因组 1997年Wisconsin 大学的
4、Blattner等完成 4.7Mbp 4,100个基因；代表原核生物基因组 染色体为双链环状DNA分子（单倍体） 例外：布氏疏螺旋体(Borrelia burgdorferi)的染色体是线状 遗传信息的连续性 个别细菌（鼠伤寒沙门氏菌和犬螺菌）和古生菌的rRNA和tRNA含有内含子和间隔序列,功能相关的结构基因组成操纵子 操纵子(operon)：功能相关的几个结构基因前后相连，再加上一共同的调节基因和一组共同的控制位点（启动子、操作子等）在基因转录时协同动作原核基因表达多采用转录调控 组成核糖体的16S rRNA-23S rRNA-5S rRNA在同一转录产物中,结构基因的单拷贝及rRNA基因
5、的多拷贝 E.coli有7个rRNA(rrn)操纵子，6个在DNA的双向复制起点。 基因组的结构经济而有效 基因组的重复序列少而短 4-40bp; 10-1000次,二、啤酒酵母(Saccharomyces cerevisiae) 的基因组-1996年 13.5Mbp 5,800个基因；代表真核微生物的基因组 没有明显的操纵子结构 典型的真核染色体结构：16条染色体，四种主要组蛋白(H2A、H2B、H3、H4) 有间隔区和内含子 高度重复（最显著的特点） 遗传丰余(genetic redundancy) ？,原核生物和真核生物的基因组比较,比较项目 原核生物 真核生物 基因组大小 小 大 复制
6、起始点数目 一般1个 多个 染色体数目 一般1个 多个 染色体形态 环状 线性 染色体与组蛋白结合 无 稳定结合 核小体 无 有 基因连续性 强 差（被许多内含子分割） 重复序列 少 多 非编码序列 少 多 操纵子结构 普遍存在 一般没有 转录、翻译部位 同在细胞质中 核中转录、胞质中翻译,三、詹氏甲烷球菌(Methanococcus jannaschii)的基因组 1996美国基因组研究所(The Institute for Genomic Research,TIGR) 古生菌是真细菌与真核生物特征的一种奇异结合体 基因组结构上类似细菌：1682个ORF，1.66Mbp， 环型染色体DNA、
7、无核膜、基本无内含子 具有操纵子,负责信息传递功能的基因（复制、转录、翻译）则类似真核生物，特别是转录起始系统基本与真核生物一样，与细菌的截然不同 RNA聚合酶在亚基组成和序列上类似真核生物的RNA聚合酶 和RNA聚合酶 启动子位于-25 -30而非-10和-35 延伸因子、氨酰tRNA合成酶基因、起始因子等都与真核生物相似 5个组蛋白基因,古生菌基因组的意义,对研究生命的起源和进化具有重要意义 特有基因的研究为开发新药物、生物活性物质以及在工业中实施新技术开拓了广阔前景,3质粒和转座因子,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。
8、对宿主细胞一般是非必须的 持(管)家基因(housekeeping gene) 转座因子（trasposable element）：一种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,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（L型,linear form)双链DNA质粒和RNA质粒（疏螺旋体、链霉菌和酵母）；质粒分子的大小范围从1kb左右到1000kb；细菌质粒多在10kb以内 OC型(open circular form),一、质粒的分子结构,二、质粒的类型,三、质粒的主
9、要种类 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质粒),与有性生殖有关 带有F质粒的为雄性(F+)菌，能长出性菌毛； 无F质粒的为雌性(F-)菌，无性菌毛 F质粒整合到宿主染色体上的菌株称为高频重组菌株(high frequence recombination,Hfr) 附加体(episome) F/因子,F质粒的接合,抗性因子(resistance factor,R因子),编码细菌对抗菌药物或重金属盐类的耐受性。 可通过细菌间接合进行传递的称接合性耐药质粒，又称R质粒 不能通过接合传递的非接合性耐药质粒，但可通过噬菌体传递。,R质粒的接合,R质粒的
10、组成,耐药性传递因子（RTF）：与F质粒相似，编码性菌毛,耐药（r）决定因子：编码对抗菌药物的耐药性,细菌素质粒,编码各种细菌产生的细菌素。 Col质粒编码大肠埃希菌产生大肠菌素 乳酸细菌的Ni-sinA能强烈抑制某些G+菌的生长，用于食品工业,细菌素与抗生素的比较,毒性质粒（Vi质粒）,编码与该菌致病性有关的毒力因子。 许多致病菌的致病性是由其所携带的质粒引起的，这些质粒具有编码毒素的基因，其产物对宿主（动物、植物）造成伤害。 如致病性的大肠埃希菌产生的耐热性肠毒素是由ST质粒编码的。 细菌粘附定植在肠粘膜表面是由K质粒决定的。,苏云金杆菌含有编码内毒素(伴孢晶体中)的质粒,根癌土壤杆菌所含
11、Ti质粒是引起双子叶植物冠瘿瘤的致病因子,Ti质粒中的T-DNA可携带任何外源基因整合到植物基因组中，是植物基因工程中有效的克隆载体,代谢质粒,编码产生相关的代谢酶。 质粒上携带有有利于微生物生存的基因，如能降解某些基质的酶，进行共生固氮，或产生抗生素（某些放线菌）等。 降解质粒：将复杂的有机化合物降解成能被其作为碳源和能源利用的简单形式，环境保护方面具有重要的意义。,假单胞菌： 具有降解一些有毒化合物，如芳香簇化合物(苯)、农药(2,4dichlorophenoxya-cetic acid)、辛烷和樟脑等的能力。,沙门菌发酵乳糖的能力通常是由质粒决定的,隐蔽型质粒,隐秘质粒不显示任何表型效应
12、，它们的存在只有通过物理的方法，例如用凝胶电泳检测细胞抽提液等方法才能发现。 它们存在的生物学意义，目前几乎不了解。 在应用上，很多隐秘质粒被加以改造作为基因工程的载体（一般加上抗性基因）,质粒的特征,自我复制能力，为复制子，单拷贝或多拷贝 紧密型质粒和松弛型质粒 编码产物赋予细菌某些性状特征 可自行丢失与消除 消除：细胞中由于质粒的复制受到抑制而染色体的复制并未受到明显影响，细胞在继续分裂的情况下质粒被稀释掉(diluted out),有转移性 可分为相容性和不相容性 亲和性(compatibility)与不亲和性(incompatibility) 共同的复制因子或相同的分配系统 不亲和群(
13、incompatibility group),四、转座因子的类型和分子结构 1983年诺贝尔奖，Barbarra MeClintock在玉米中发现 插入顺序（insertion sequence,IS） 转座子（transposon,Tn） 转座噬菌体或前噬菌体(Mu、D108) IS和Tn的共同特征： -转座酶（transposase)基因 -反向末端重复序列(inverted terminal repeat,ITR),美国女遗传学家 Barbura McClintock,插入序列（insertion sequence,IS） 是最小的转座因子，长度不超过2kb，不携带任何已知与插入功能无关
14、的基因区域，往往是插入后与插入点附近的序列共同起作用，可能是原细胞正常代谢的调节开关之一。,在插入位点,IS 两侧总有短的正向重复(Direct repeat),转座子（transposon,Tn） 长度一般超过2kb，除携带与转位有关的基因外，还携带耐药性基因、抗金属基因、毒素基因及其他结构基因等。因此当Tn插入某一基因时，一方面可引起插入基因失活产生基因突变，另一方面可因带入耐药性基因而使细菌获得耐药性。转座子可能与细菌的多重耐药性有关。,复合转座子(compound transposon)/类型转座子,复杂转座子(complex transposon)/类型转座子,整合子,它是E.col
15、i的一种温和噬菌体。与必须整合到宿主染色体特定位置上的一般温和噬菌体不同，Mu噬菌体并没有一定的整合位置。 与其他温和性噬菌体的差别：其基因组不论在进入裂解周期或处于溶源状态都可随机整合到宿主染色体的任何位置，且游离的和已整合的基因次序是相同的. 与IS和Tn两种转座因子相比，Mu噬菌体的分子量最大（38kb），它含有20多个基因。Mu噬菌体引起的转座可以引起插入突变，其中约有2是营养缺陷型突变。,Mu 噬菌体 (mutator phage),转座噬菌体或前噬菌体 是一些具有转座功能的溶原性噬菌体，当整合到细菌染色体上，能改变溶原性细菌的某些生物学性状，如白喉棒状杆菌、肉毒梭菌等的外毒素就是由
16、转座噬菌体的有关基因所编码的。另外，转座噬菌体从细菌染色体分离脱落时，可能连带有细菌的DNA片段，故它还可能在遗传物质转移过程中起载体作用。,转座噬菌体,棒状噬菌体 白喉棒状杆菌 获得白喉毒素,3类转座因子及其特点比较,比较项目 IS Tn 转座噬菌体 种类 单一 复合型和复杂型 Mu、D108等 大小/kbp 0.71.7 225 39 基因数 12 几个10余个 20余个 末端序列 反向重复（941）反向或正向重复 反向重复 抗性基因 无 有 无 宿主 原核生物 原核、真核生物 E.coli等肠杆菌,转座机制,Replicative transposition(复制性转座),Non-replicative transposition(非复制性转座),五、转座的遗传学效应 插入突变 插入失活、新基因的获得 产生染色体畸变 复制
