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1、第八章 微生物遗传学 (1),遗传（heredity ）:,上一代生物将自身的一整套遗传基因稳定地传递给下一代的特性 。,变异（variation）：,生物体在某种外因或内因的作用下，发生遗传物质结构或数量的改变，而且这种改变稳定，具有可遗传性 。,引言,1. 遗传与变异,遗传保证了微生物种的相对稳定性、种的存在和延续， 而变异则推动了种的进化和发展。,2. 遗传型和表型,遗传型（genotype）,表型( phenotype ),某一生物体个体所含有的全部遗传因子，即基因的总和 ，又称为基因型。,某一生物体所具有的一切外表特征及内在特性的总和。,表型的实现是由生物体的遗传型和环境条件共同作用
2、的结果。,饰变（modification）,表型的差异只与环境有关。不涉及遗传物质结构改变而只发生在转录、转译水平上的表型改变。,谷氨酸发酵的温度敏感菌株在30时菌体生长而不产生氨基酸，但是当温度提高到37时，菌体大量合成谷氨酸。,变异,遗传物质改变，导致表型改变,3. 饰变与变异,（遗传型变异, 基因突变）,特点：遗传性、群体中极少数个体的行为 （自发突变频率通常为10-6-10-9）,特点：暂时性、不可遗传性、表现为全部个体的行为。,微生物是遗传学研究中的明星:,微生物细胞结构简单，营养体一般为单倍体，方便建立纯系。,很多常见微生物都易于人工培养，快速、大量生长繁殖。,对环境因素的作用敏感
3、，易于获得各类突变株，操作性强。,第一节 遗传变异的物质基础,一、证明核酸是遗传物质基础的三个经典实验,二、遗传物质在细胞内存在部位和方式,经典转化实验: 证明DNA是遗传变异的物质基础。,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S型菌中提取的DNA、RNA和 蛋白质转化R型菌,且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,一、三个经典实验,T2噬菌体感染实验,2. 噬菌体感染实验（1952年，A.D.Hershey 和 M.Chase）,3. 植物病毒的重建实验,证明杂种病毒的蛋白质 外壳来自TMV还是HRV, 可用血清学反应鉴定,证明核酸（RNA
4、）是遗传的物质基础,血清学反应说明病毒蛋 白质的特性由核酸而定,H. Fraenkel-Conrat (1956年),病斑的特性和 病毒核酸一致,二、遗传物质在细胞内存在的部位和方式,（一）七个水平,细胞水平,（单核，多核）,细胞核水平,（真核，拟核）,染色体水平,核酸水平,（DNA，部分病毒为RNA；双链，少数病毒为单链）,基因水平,（遗传功能单位）,密码子水平,（遗传信息单位）,核苷酸水平,（最低突变单位和交换单位）,周德庆p192-197;自学,（一套，两套, 核外染色体）,基因（gene）是什么?,是实体，其物质基础是DNA （或RNA）； 是一个含有特定遗传信息的DNA分子区段； 是
5、遗传信息传递和性状分化发育的依据； 基因是可分的，根据功能不同，分为： 编码蛋白质的基因 结构基因（结构蛋白，酶） 调节基因（阻遏蛋白或激活蛋白） 无翻译产物的基因 tRNA基因（简称 tDNA ） rRNA基因（简称rDNA ） 不转录的DNA区段 启动子（promotor） 操纵基因（operator）,基因是一个含有特定遗传信息的核苷酸序列，它是遗传的功能单位。,第二节 质粒,P196,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。,附加体(episome),指哪些既可以整合到核染色体上，作为染色体的一部分而进行复制，又可以再游
6、离出来或携带一些寄主的染色体基因游离出来，这类质粒被称为附加体。,1、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）,2.质粒的分离,碱提取法： 菌体的培养和收集：一般采用丰富培养基对菌体进行培养，当细胞生长到指数期后期时，离心收集细胞。 溶菌：一般用溶菌酶去壁以形成原生质体或原生质球。 碱变性处理：在SDS等表面活性剂存在下加NaOH液使pH升至12.4，可使菌体蛋白质、
7、染色体DNA以及质粒DNA变性。 质粒复性：加入pH4.8的KAc-HAc缓冲液，将提取液调至中性，由于质粒分子量小而容易复性，并稳定存在于溶液中；染色体DNA分子量太大，在复性过程中形成DNA之间的交联导致其形成更大分子的不溶性物质。 离心分离：经高速离心可以使细胞碎片和已变性的菌体蛋白及染色体DNA一起沉淀，上清液中主要是质粒DNA，经乙醇沉淀后，可获得质粒DNA。,（参见 P197）,3.质粒的检测,提取所有胞内DNA后电镜观察；,氯化铯-溴化乙啶密度梯度超速离心；,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
8、或自然存在），可以进行特异性单酶切，使其成为一条带。,琼脂糖凝胶电泳后观察；,4. 质粒的特性,(1) 位于核基因组外；,(3) 自主复制；,(2) cccDNA,链霉菌和酵母菌中发现了线状dsDNA质粒和RNA质粒,(4) 有的质粒可整合到核染色体上；,(5)可重组（质粒与质粒间，质粒与染色体间）；,(6) 人为消除（丫叮类，UV，电离辐射，利福平等）,(7) 有的质粒可在细胞间转移（F因子，R因子）,质粒所含的基因对宿主细胞一般是非必需的； 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,5、质粒的主要类型,根据质粒所 编码的功能 和赋予宿主 的表型效应 分类:,致育因子（Fert
9、ility factor，F因子） 抗性质粒（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） 2m质粒,（参见 P197）,(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）。,F
10、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)。,在志贺氏菌属（Shigella）、沙门氏菌属（Salmonella）和链球菌属（Streptococcus）等其他细菌中也发现了与大肠杆菌类似的致育因子。,在放线菌中，天蓝色链霉菌含有SCP1和SCP2两种致育质粒，这两种质粒在天蓝色链霉菌的接合过程中起重要作用，带动染色体从供体细胞向受体细胞转移。,（参见 P197）,(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
11、抗性： 汞（mercuric ion ，mer） 四环素（tetracycline，tet ） 链霉素(Streptomycin, str)、 磺胺(Sulfonamide, sul)、 氯霉素(Chlorampenicol, cml) 夫西地酸（fusidic acid，fus） 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)Col 质粒：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
12、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：许多细菌都能产生某些代谢产物，抑制或杀死其他近缘细菌或同种不同菌株，因为这些代谢产物是由质粒编码的蛋白质，不象抗生素那样具有很广的杀菌谱，所以称为细菌素（bacteriiocin）,细菌素种类很多,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。此外还有枯草杆菌素、乳酸菌素、根瘤菌素等。,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，但通常也是由质粒基因编码，有些甚至有商业价值，例如
13、一种乳酸细菌产生的细菌素NisinA能强烈抑制某些G+细菌的生长，而被用于食品工业的保藏。,大肠杆菌素是产自大肠杆菌的一种蛋白质，具有专一性地杀死其亲缘关系很近的、不具Col质粒的其它肠道细菌的功能。,(4) 毒性质粒（virulence plasmid）,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。,产毒素大肠杆菌是引起人类和动物腹泻的主要病原菌之一， 其中许多菌株含有为一种或多种肠毒素编码的质粒。,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Ti质粒是引起双子叶植物冠瘿瘤的 致病因子,(5) 代谢质粒（Me
14、tabolic plasmid）,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。,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 (2,4dichlorophenoxyacetic acid)、辛烷和樟脑等的能力。,降解质粒,TOL质粒：含分解甲苯的基因； CAM-OCT质粒：含分解樟脑辛烷的基因,(6)隐秘质粒（cryptic plasmid）,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
15、载体 （一般加上抗性基因）,隐秘质粒不显示任何表型效应，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。,(7) 2m质粒,大多数酵母菌含有一种称为2m的质粒 ,属隐秘质粒,- 长为2m的6kb的环状双链DNA分子 - 位于酵母细胞核内，50100拷贝 - 只携带与复制和重组有关的4 个基因，无遗传表型 - 质粒上有两个600bp长的IR，被一个2.7kb区域和一个2.3kb 小区域所间隔 - 两个IR上都有一个专一重组位点(FRT)，经过重组，可使质 粒互变异构成A型和B型。,意义： 2m质粒是酵母菌中进行分子克隆和基因工程的重要载体，因此以它为基础构建的克隆和表
16、达载体已得到广泛的应用。另一方面，该质粒也是研究真核基因调控和染色体复制的一个十分有用的模型,根据拷贝数或复制特点，质粒可分为：,高拷贝数(high copy number)质粒 （每个细胞中可以有10100个拷贝, 其复制和染色体的复制不同步 ）如ColE1、ColE2等 松弛型质粒(relaxed plasmid),低拷贝数(low copy number)质粒 （每个细胞中只有12个拷贝, 其复制行为与染色体的复制同步 ）如F因子，R100 严谨型质粒(stringent plasmid),窄宿主范围质粒(narrow host range plasmid) （只能在一种特定的宿主细胞中复制）,广宿主范围质粒(broad host range plasmid) （可以在许多种细菌中复制）,第三节 基因突变的规律及类型,野生型: -从自然界分离到的菌株一般称野生型菌株（wild type strain），简称野生型。 突变株: -
