微生物遗传与变异_4课件

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1、1,第九章 微生物遗传与变异,通过本章的学习，要求掌握： 1、细菌基因重组的原理和方法。 2、真菌基因重组的原理和方法。 3、微生物诱变育种的原理和方法。 4、基因工程的基本原理。 5、基因表达的调控。 重点： 细菌的基因重组 难点： 低频转导，高频转导，准性生殖,2,证明核酸（DNA或RNA）是遗传的物质基础 简单的细菌（或病毒）解决复杂而重大的问题 微生物与高等生物具有共同的遗传本质,第一节：微生物的遗传物质,一、证明核酸是遗传物质的3个经典实验,结论：,3,Prusiner (1982)提出羊搔痒病因子是一种蛋白质侵染颗粒（proteinaceous infectious particl

2、e），并将之称做Prion或Virino。 -朊病毒,1997年，Stanley B. Prusiner荣获诺贝尔奖,4,朊病毒的发现和思考:,朊病毒 一种具有传染性的蛋白质致病因子,蛋白质是遗传物质吗? 蛋白质折叠与功能的关系，是否存在折叠密码？,已知的传染性疾病的传播因子必须含有核酸,5,二、遗传物质在微生物细胞内 存在的部位和形式,(一）遗传物质在微生物细胞中的存在方式,真核生物 DNA分子与组蛋白结合构成染色体，每条染色体有单一线性双链DNA分子。一个真核生物细胞内有多条染色体（脉孢菌7条，人23条）。高等生物中有2至多套染色体（动物2倍，水稻4倍），真菌有双倍体，但多数微生物是单倍体

3、。真核细胞核物质外有核膜包围，形成完整细胞核。,6,原核生物 DNA不与组蛋白结合，染色体仅由一条DNA组成，DNA为共价闭合环状双链，一个细胞内只有一条染色体（单倍体haploid）。无核膜膜包围，只在细胞中央形成核区。 质粒plasmid和转座因子 原核生物中，除染色体以外，能够自主复制的共价闭合环状DNA分子。它们携带少量遗传基因，决定细胞的某些性状，并非细菌生活必需。,7,1、细胞水平 2、细胞核水平 3、染色体水平 4、核酸水平 5、基因水平 6、密码子水平 7、核苷酸水平,（二）遗传物质在7个水平上的形式,8,1、细胞水平 真核微生物：细胞核 原核微生物：核区 细胞核或核区的数目在

4、不同的微生物中是不同的,9,2、细胞核水平 真核生物 细胞核 核染色体 原核生物 核区 DNA链,核基因组,在核基因组之外，还存在各种形式的核外遗传物质,10,3、染色体水平 染色体的数目在不同的生物中是不同的,真核生物染色体是由组蛋白与DNA构成的线状结构 真核生物通常为多倍体 原核生物的染色体只有闭合环状的DNA链 原核生物为单倍体,11,4、核酸水平 核酸种类：DNA，RNA 核酸结构：双链、单链； 环状，线状，超螺旋状 DNA长度：因种而异,微生物基因组测序工作是在人类基因组计划的促进下开始的，最开始是模式生物，后来不断发展，已成为研究微生物学的最有力手段。,12,5、基因水平,一切具

5、有自主复制能力的遗传功能单位都称为基因。它的物质基础是一个具有特定核苷酸顺序的DNA片段。,1909年 丹麦生物学家WJohansen,13,结构基因：是为细胞结构、组成(如细胞生化反应所需的酶)及完成细胞功能所需的蛋白质等进行编码的基因。 调节基因：用于编码调节蛋白的基因。 操纵基因：是位于启动基因和结构基因之间的一段碱基顺序，能与调节蛋白相结合，以此来决定结构基因的转录是否能进行。 重复基因：DNA片段重复 跳跃基因：可在DNA上转移位置的基因（IS因子、Tn因子）,14,6、密码子水平,15,核苷酸是最小突变单位和交换单位,7、核苷酸水平,16,（三）转座因子,转座因子：细胞中能改变自身

6、位置（例如从染色体或质粒转移到另一个位点，或者在两个复制子之间转移）的一段DNA序列。,插入序列（insertion sequence,IS),转座子（transposon ,Tn),某些病毒（Mu噬菌体）,原核生物的转座因子：,17,型Compound transposons：两端为IS，抗性基因居中。如Tn5、Tn9、Tn10、Tn4001、Tn4003。 型Complex transposons：两端为IR(30-50bp)，中间为转座基因和抗性基因。如Tn1、Tn3、Tn21、Tn1721、Tn551。,基因转座 gene transposition,转座子的特征是在两端有IR序列,分

7、两类：,18,转座的遗传学效应：,1）插入突变,2）产生染色体畸变,3）基因的移动和重排,19,(四) 质粒,1、致育因子(Fertility factor，F因子),3、产细菌素的质粒（Bacteriocin production plasmid）,2、抗性因子（Resistance factor，R因子）,4、毒性质粒（virulence plasmid）,5、代谢质粒（Metabolic plasmid）,6、隐秘质粒（cryptic plasmid）,20,第二节：微生物的基因组结构,明确基因组的概念 三种代表性微生物基因组结构的特点，特别强调古生菌基因组的独特性及双重特征,21,微生

8、物基因组结构的特点:,1、原核生物（细菌）的基因组,1）染色体为双链环状的DNA分子（单体）； 2）基因组上遗传信息具有连续性； 基因数基本接近由它的基因组大小所估计的基因数 一般不含内含子，遗传信息是连续的而不是中断的 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.,基因组genome：一种生物的全套基因。,22,23,2、真核微生物（啤酒酵母）的基因组,1）典型的真核染色体结构； 啤酒酵母基因组大小为13.5106bp， 分布在16条染色体中。 2）没有明显的操纵子结构； 3）有间隔区（即非编码区）或内含子序列； 4）重复

9、序列多.,第一个完成基因组测序的真核生物基因组,24,25,3、古生菌（詹氏甲烷球菌）的基因组,第一个完成基因组测序的古生菌,1) 只有40的基因与其他两界的生物有同源性 2) 古生菌的基因组在结构上类似于细菌 1.66x106bp的环状染色体DNA 1682个ORF(Open Reading Frame) 3) 负责信息传递功能的基因（复制 、转录和翻译）则类似于真核生物,26,克隆clone 不经过有性细胞的结合，由体细胞发育成新个体，即无性繁殖。 基因重组gene recombination 两个不同来源的遗传物质进行交换，经过基因的重新组合，形成新的基因型的过程。 原核微生物没有有性生

10、殖，其基因重组通过转化、接合、转导方式进行。,第三节 原核微生物的基因重组,27,一、细菌的接合作用(conjugation),1.实验证据,通过细胞与细胞的直接接触而产生的遗传信息的转移和重组过程,28,接合(conjugation) 通过供体菌与受体菌间细胞接触而传递大段DNA,1946年，Joshua Lederberg 和Edward L.Tatum E.coli k12的多重营养缺陷型杂交实验,中间平板上长出的原养型菌落是两菌株之间发生了遗传交换和重组所致。,29,证实接合过程需要细胞间的直接接触的“U”型管实验（ Bernard Davis，1950 ）,30,接合机制(大肠杆菌的

11、接合机制),接合作用是由一种被称为F因子的质粒介导。F因子的分子量通常为5107，上面有编码细菌产生性菌毛及控制接合过程进行的20多个基因。,31,中间平板上长出的原养型菌落是两菌株之间发生了遗传交换和重组所致！,为何采用多重营养 缺陷型菌株？,尽可能地排除回复 突变对实验结果的干扰！,32,1）可经接合作用而获得 2） 可通过一些理化因素( 如吖啶橙、Ni2+、Co2+、利福平、丝裂霉素C、硫酸十二酯钠、亚硝基胍、溴化乙锭、环己亚胺和加热等)的处理，而从细胞中消失。 3）在大肠杆菌中，F因子的DNA含量约占总染色体含量的2%,F因子特点：,33,F因子,大肠杆菌是有性别分化的。决定它们性别的

12、因子称为F因子(致育因子或称性质粒)，呈超螺旋状态，既可以在细胞内独立存在, 具有自主的与染色体进行同步复制和转移到其他细胞中的能力,也可插入(即整合)到染色体上,34,F因子的四种形式：,a）F-菌株(“雌性”菌株)，不含F因子，没有性菌毛，但可以通过接合作用接收F因子而变成F+菌株； b）F+菌株(“雄性”菌株)， F因子独立存在，细胞表面有性菌毛。,35,c）Hfr菌株，F因子插入到染色体DNA上,因此只要发生接合转移过程，就可以把部分甚至全部细菌染色体传递给F-细胞并发生重组，由此而得名为高频重组菌株 d）F菌株，Hfr菌株内的F因子因不正常切割而脱离染色体时，形成游离的但携带一小段染

13、色体基因的F因子，特称为F因 子。 细胞表面同样有性菌毛。,36,F+菌株 含F质粒，细胞表面产生性毛(sex pili)，与F-细胞相连，在接合后转移DNA。 F-菌株 无F质粒，不产生 性毛，可接受外 来F质粒。,37,Hfr菌株 高频重组菌株（high frequency recombination）。与F-接合后，重组频率比F+高几百倍。 当Hfr菌株与F-菌株接合时，Hfr染色体在F因子处发生断裂，由环状变成线状。整段线状染色体转移至F-细胞的全过程约需100 min。 由于转移过程常中断，越在前端的基因进入F-的机会就越多，在F-中出现重组子的时间就越早，频率也高。,38,F菌株

14、携带有F因子的菌株，其性状介于F+与Hfr之间，这就是初生F菌株。 初生F菌株与F-菌株接合，使后者转变成F菌株，这就是次生F菌株。以这种接合来传递供体菌基因的方式，称为F因子转导(F-duction)、性导(sexduction) 。 在次生的F群体中，大约有10%的F因子重新整合到染色体组上，而恢复成Hfr菌。,1） F+F-杂交,1）F+细菌通过性毛与F-细菌接触并发生相互作用； 2）F因子的转移:双链之一被切断，一条链进入F-细菌 3）进入F-细菌中的一条链复制出互补链,F-成为F+ 4）原有F+细胞也完成F因子另一条链的复制,F+ F+,2）Hfr F-杂交,Hfr菌株仍保持着F+细

15、胞的特征。 当OriT序列被缺刻螺旋酶识别而产生缺口后，F因子的先导区和染色体DNA向受体细胞转移。 F因子除先导区外，绝大部分处于转移染色体的末端，因转移过程常被中断，故F因子不易转入受体细胞中。 HfrF-杂交后的接合子多数仍然是F-。 染色体上越靠近F因子的先导区的基因，进入的机会就越多，在F-中出现重组子的的时间就越早，频率也高。,Hfr F-,3）FF-杂交,FF-与F+F-的不同： 供体的部分染色体基因随F一起转入受体细胞 a）与染色体发生重组； b）继续存在于F因子上，形成一种部分二倍体；,细胞基因的这种转移过程又常称为性导（sexduction）,F F,42,1、普遍性转导（

16、generalized transduction）,(1) 意外的发现,1951年，Joshua Lederberg和Norton Zinder为了证实大肠杆菌以外的其它菌种是否也存在接合作用，用二株具不同的多重营养缺陷型的鼠伤寒沙门氏菌进行类似的实验,用“U”型管进行同样的实验时，在给体和受体细胞不接触的情况下，同样出现原养型细菌！,二、细菌的转导(transduction),43,1952 年Zinder 和 Lederberg 在验证Salmonella typhimurium是否也存在接合现象时发现了转导现象。 S. typhimurium： LT22A (trp-)； LT2(his-) LT22溶原性 噬菌体P22 感染LT2（非溶原性） 可能释放带trp+的P22 LT22A (trp-) 呈原养型。,44,沙门氏