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1、微生物的遗传变异和育种 遗传性：亲代具有把他所有的性状给子 代的特性 变异性：子代具有改变亲代遗传性状的 特征,遗传型（genotype）:生物的全部遗传因子及基因 表型（phenotype）: 遗传型 + 环境条件生长发育形态等生物学特征的总和 表型是由遗传型所决定，但也和环境有关 变异（varition）:遗传物质改变，导致表型改变 特点：遗传性、群体中极少数个体的行为 饰变（modification）:表型的差异只与环境有关 特点：暂时性、不可遗传性、表现为全部个体的行为,第一节 遗传变异的物质基础 三个经典实验 转化试验 噬菌体感染试验 病毒的重建试验,Griffiths transf
2、ormation experiments,朊病毒的发现和思考 蛋白质是否是遗传的物质基础 Prpsc（具有传染性的蛋白质致病因子） 蛋白质折叠,DNA的结构,磷酸,碱基,核糖,碱基有四种： 腺嘌呤（A） 鸟嘌呤（G） 胸腺嘧啶（T）胞嘧啶（C）,DNA base pairs,AT， C = G GC含量 如GC含量为40，则 G：C：A：T 0.2：0.2：0.3：0.3,大沟，小沟都是由于碱基对堆积和糖-磷酸骨架扭转造成的。 DNA大沟所带遗传信息比小沟多；沟的宽窄深浅直接影响到调控蛋白对DNA遗传信息的识别。,大沟是蛋白质识别DNA的碱基序列发生相互作用的基础,使蛋白质和DNA可结合而发生
3、作用。,基因是一个特定的遗传信息的核苷酸序列，是遗传物质的最小功能单位 基因组(genome)：生物遗传信息的总和,原核生物:,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,操纵子（operon）： 功能相关的几个基因前后相连，再加一组共同 的控制位点（启动子、操作子等）构成操纵子 在调节基因协同作用下，实现基因表达,真核微生物（啤酒酵母）的基因组,1）没有明显的操纵子结构,2）有间隔区（即非编码区） （内含子序列）,基因的多样性 重叠基因（在原核生物中多见） 断裂基因（真核生物） 可移动基因（转座因子）,重叠基因: 同
4、一段DNA 能携带两种不同蛋白的信息（两个 或两个以上的结构基因共用一段DNA顺序）,重迭基因有三种重叠方式： *一个基因完全在另一个基因内部 *部分重叠 *两个基因共用少数碱基对,*一个基因完全在另一个基因内部 如：B和A， E和D 其读码结构互不相同,*部分重叠 如： K和C *两个基因共用少数 碱基对 如： D和J,-TAATG-,D 终止密码子,J 起始密码子,断裂基因： 基因的不连续性,Intron 和Exon: 大多数真核生物蛋白质基因的编码顺序(Exon)都被或长或短的非编码顺序（间隔顺序）(Intron)隔开,第二节 基因突变和诱变育种,基因突变（gene mutation）
5、细胞的遗传物质的分子结构或数量发生可遗传的变化,遗传物质DNA并不像人们想像的那么稳定，它在 细胞各种内外环境因素影响下，可不断地出现损伤 (damage) DNA碱基序列及组成的变化 。,突变的类型,营养缺陷型（auxotroph） 抗性突变型（resistant mutant） 条件致死突变型（conditional lethal mutant） 形态突变型（morphological mutant） 抗原突变型（antigenic mutant） 产量突变型（metabolite quantitative mutant）,营养缺陷型菌株 野生型菌株发生基因突变而丧失合成一种或几种生长因子
6、的能力，从而不能在基本培养基上生长的变异菌株,his+,his-,抗性菌株 野生型菌株发生基因突变而对某化 学药物或致死物理因子产生抗性的菌株,strr,条件致死突变型 菌株发生基因突变后,在某种条件下可正 常生长，而在另一种条件下无法生长,例：温度敏感突变：（Temperaturesensitive， Ts ） E.coli 在42下（原来可以在42生活）致死 在37生活正常,形态突变型 菌株发生基因突变，而在个体形态或菌落形态上发生突变的菌株,抗原突变型菌株 菌株发生基因突变，而在细胞抗原结构上发生变异的菌株,产量突变型菌株 菌株发生基因突变，在代谢产物产量上明显有别于原始菌株的突变株,正
7、变株（plus-mutant） 负变株（minus-mutant）,突变热点 突变几率较高的碱基序列。 DNA分子上的甲基化， 甲基最常见的是加在胞嘧啶，从而形成5-甲基胞嘧啶； 它经脱氨基作用就转变成胸腺嘧啶，如果DNA 修复系统不完善，G：C就可能变成G：T 的错配。导致基因突变。,DNA的损伤与修复,DNA损伤的类型 DNA损伤的修复,自发性损伤,环境因素引起的DNA损伤,DNA损伤的类型,一、DNA的自发性损伤,(一)DNA的复制错误 复制错误引起损伤，在DNA损伤中最为多见。 复制错误最多见于尿嘧啶(U)的渗入，另外偶有其它碱基的渗 入。,(二)DNA的修复合成 DNA的修复合成又称
8、DNA非程序性合成 (unscheduled DNA Synthesis, UDS)。 DNA 修复合成的DNA聚合酶不同于DNA复制的 DNA聚合酶，它催化的DNA修复合成同样 可以发生碱基配对错误，造成DNA突变。,(三)碱基的自发改变,1、脱氨基：即胞嘧啶、腺嘌呤及鸟嘌呤的环外氨 基自发丢失。胞嘧啶尿嘧啶；腺嘌呤次黄 嘌呤；鸟嘌呤黄嘌呤。脱氨基所至的碱基转 变可影响DNA的复制，由此产生突变。,2、碱基丢失：即脱嘌呤或脱嘧啶作用，是指DNA 上丢掉了嘌呤碱或嘧啶碱，形成无碱基位点，称 为AP部位 (apyrimidine，apurine site , AP)。在生 理状态下，脱嘌呤是脱嘧
9、啶的20倍。,(四)正常代谢产物对DNA的损伤 细胞进行生物氧化时不断产生氧自由基，可引起 DNA的氧化损伤，造成DNA链的断裂。 (五)互变异构体 (六)背景辐射,Transition and transversion mutation,二、环境因素引起的DNA损伤,1、化学物质： 1）烷化剂：使DNA分子嘌呤碱基特别是鸟嘌呤烷基化，包括N7、N3、O6及磷酸骨架位置。 2）羟胺类； 3）亚硝酸盐； 4）碱基类似物，如5-BU 5）丫啶类染料,2、物理因素： 紫外线与电离辐射等。,NTG mutation,NH2OH (Hydroxylamine HA 羟胺),OH,HA 羟胺,碱基类似物（
10、Base analog）,5-溴尿嘧啶(BrU) 5-Bromine Uracil,5-BrU,: G,: A,ATGC 转变,丫啶类染料,吖啶橙 (Acridine Orange ，AO),-ATTTTTCG - -TAAAAAGC-,分子插入,结果产生移码突变,-AT AO TTTTCG- -TA X AAAAGC,Frameshife mutation,紫外线的致突变作用,物理因素引起的损伤：,DNA损伤的修复,在长期的进化过程中，生物体演化出了一 整套十分有效的修复系统，包括： 光修复系统 切除修复系统 重组修复系统 SOS修复系统,一、光复活修复,光复活修复是一酶促反应过程，催化该反
11、应的酶称光复活酶。,二、切除修复,切除修复是一酶促反应过程，主要包括三步反应： DNA特异内切酶或糖苷酶识别DNA的损伤部位， 并在损伤位点的5端切断DNA链，然后在53外 切酶的作用下逐步切除损伤的DNA片段。 DNA修复聚合酶在缺口处催化DNA合成，使其取 代损伤的DNA片段。 在DNA连接酶的作用下，使新合成的DNA 片段与 原有的DNA片段连接，以恢复DNA原有的结构。,切除修复分为碱基切除修复和核苷酸切除修复,(一)碱基切除修复,碱基切除修复有三种情况： 1、当碱基因烷基化而损伤时，可在脱烷基酶作用下将碱基转移到一种受体蛋白上，以完成修复。,2、碱基的其它损伤(多为自发性损伤)，需启
12、动DNA糖苷酶修复系统。即在特异DNA糖苷酶的作用下，除去损伤碱基，此时产生了AP部位，又有两种修复方式。,AP部位可在碱基插入酶的作用下，以完整链为模板，按碱 基配对原则补回正确的碱基。,AP部位也可在AP内切核酸酶的作用下，在损伤位点的5端 切开，然后由53外切酶切除损伤的碱基片段，再由 DNA 修复聚合酶在缺口处催化DNA合成，最后由DNA连接酶连接 缺口，以完成修复。,AP内切核酸酶，也称为无碱基内切核酸酶。,A T C G A G T C G T A G C T C A A C,A T C G A G T C G T A G C T C A C,糖苷酶,A T C G A G T C
13、 G T A G C T C A G C,A T C G A G T C G T A G C T C A C,A T C G A G T C G T A G C T C A G C,AP内切核酸酶,插入酶,A T C G A G T C G T A G C T C A G C,脱烷基酶,碱基切除修复,外切核酸酶、修复 聚合酶、连接酶,DNA糖苷酶广泛存在于所有生物体内，对于生物体的生 存十分重要。如果这类酶的基因发生突变，细菌生长状况很差。 DNA糖苷酶依其是否具有AP内切酶活性分两类： 第一类：不具有AP内切酶活性，如尿嘧啶糖苷酶、次黄嘌呤 糖苷酶、3-甲基腺嘌呤糖苷酶等； 第二类：具有AP
14、内切酶活性，如嘧啶二聚体糖苷酶。,尿嘧啶糖苷酶修复系统：对于纠正复制错误尤为重要。,嘧啶二聚体糖苷酶修复系统：,3、碱基丢失的修复： 碱基丢失可产生AP位点，一方面利用AP内切酶、53外 切酶、聚合酶和连接酶的修复作用；另一方面直接利用插入 酶补回正确的碱基。关于碱基插入酶的生物学意义不十分清 楚，它可能为修复AP位点提供了一条更为迅捷的途径，当 AP内切酶基因突变时，这一途径更为重要。,(二)核苷酸的切除修复,DNA错配修复系统：, 大肠杆菌错配修复系统参与因素： 三种错配修复基因的表达产物MutS、MutL和 MutH启动该系统。 GATC内切核酸酶(错配矫正酶)与MutH蛋白一起 切开单
15、链。 DNA解螺旋酶解螺旋。 双向外切核酸酶依次切除错配的核苷酸。 DNApol填补空隙。 DNA连接酶完成修复。,错配修复过程：,MutS识别结合到错配部位，形成MutS-DNA错配复合物启动,MutL与错配复合物结合，激活GATC核酸内切酶和MutH蛋白,二者对含有错配碱基和GATC序列的单链进行内切,DNA解螺旋酶(MutH蛋白)解螺旋,双向性外切核酸酶依次切除错配的核苷酸,DNApol以甲基化的亲代母链为模板填补空隙,DNA连接酶连接切口完成修复,CH3,CH3,5,3,MutL,MutS,MutH,CH3,CH3,5,3,解螺旋酶 外切核酸酶,CH3,CH3,5,3,DNApol,DNA连接酶,三、重组修复,这种修复是指DNA分子损伤范围较大，来不及修复就进行 复制，复制后再进行切除修复，故又称复制后修复。,recA基因的激活：,recA基因,损伤DNA 诱导激活,DNA-RecA 蛋白结合物 水解LexA蛋白,recA基因,高浓度的mRNA和RecA蛋白,低浓度的mRNA和RecA蛋白,LexA 阻遏蛋白,被降解的LexA蛋白,RecA蛋白(378KD)是一种多功能酶：重组DNA活性； 单链DNA结合活性；蛋白酶活性，即能水解LexA阻遏蛋白 中的丙氨酸残基与甘氨酸残基之间的肽键，
