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1、第八章,微生物遗传,遗传（heredity, inheritance） ：,亲代与子代相似,变异（variation） ：,亲代与子代、子代间不同个体不完全相同,遗传（inheritance）和变异（variation） 是生命的最本质特性之一,（1）遗传型（genotype）,生物的全部遗传因子及基因,又称基因型，指某一生物个体所含有的全部遗传因子即基因组（genome）所携带的遗传信息。,（2）表型（phenotype）,具有一定遗传型的个体，在特定环境条件下通过生长发育所表现出来的形态等生物学特征的总和。,又称表现型，指某一生物体所具有的一切外表特征和内在特性的总和，是其遗传型在合适环境
2、下通过代谢和发育而得到的具体表现。,表型是由遗传型所决定， 但也和环境有关。,（3）变异,遗传型变异（基因变异、基因突变）： 指生物体在某种外因或内因的作用下所引起的遗传物质结构或数量的改变，亦即遗 传型的改变。,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 （自发突变频率通常为10-910-6）,表型饰变： 指不涉及遗传物质结构改变而只发生在转录、翻译水平上的表型变化。,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,橘生淮南则为橘，生于淮北则为枳。,（4）饰变（modification）,微生物是遗传学研究中的明星！ 模式生物（model org
3、anism）,遗传变异的物质基础,第一节,一、3个经典实验,（一）经典转化实验,（二）噬菌体感染实验,（三）植物病毒的重建实验,（一）经典转化实验,最早进行转化（transformation）实验的是 F. Griffith（1928年），以Streptococcus pneumoniae （肺炎链球菌，旧称“肺炎双球菌”）作为研究对象。,实验材料： 肺炎双球菌 （Streptococcus pneumoniae）,（）动物实验,S型,R型,加热灭菌,热死S菌活R菌,实验说明： 加热杀死的S型细菌，其细胞内可能存在 一种具有遗传转化能力的物质，通过某种 方式进入R型细胞，并使R型细菌获得表达
4、S型荚膜性状的遗传特性。,1944年，O. T. Avery等从热死的S型Spneumoniae中提纯了可能作为转化因子的各种成分，并在离体条件下进行了更为精密的转化实验。,（1）从活的S菌中抽提各种细胞成分 （DNA，蛋白质，荚膜多糖等） （2）对各组分进行转化试验,只有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,1944年Avery和他的合作者发表了他们的实验结果，为Griffith的转化因子是DNA而不是蛋白质提供了第一证据。 DNA纯度越高，转化效率也越高； 转化效率随DNA浓度的增加而增加。,（二）噬菌体感染实验,1952年，A.D.Hershey和M.Cha
5、se发表了证明DNA是噬菌体的遗传物质基础的著名实验 噬菌体感染实验,大肠杆菌 大肠杆菌T2噬菌体,实验材料,吸附,10 min后,用捣碎器 使空壳脱离,离心,上清液中含 15%放射性,沉淀中含 85%放射性,用含32P-DNA标记的噬菌体作感染实验,沉淀细胞进一步培养后，可产生大量完整的子代噬菌体,吸附,10 min后,用捣碎器 使空壳脱离,离心,上清液中含 75%放射性,沉淀中含 25%放射性,沉淀细胞进一步培养后，可产生大量完整的子代噬菌体,用含35S-蛋白质标记的噬菌体作感染实验,在DNA中存在着包括合成蛋白质外壳在内的整套遗传信息。,（三）植物病毒的重建实验,为了证明核酸是遗传物质，
6、H. Fraenkel-Conrat（1956）用含RNA的烟草花叶病毒 （tobacco mosaic virus,TMV）进行了著名的植物病毒重建实验。,烟草花叶病毒的核酸,抗血清处理，证明杂种病毒的蛋白质外壳来自病毒1，而非病毒2,杂种病毒的后代的蛋白质外壳表现为病毒2，而非病毒1,霍氏车前病毒 的蛋白质外壳,TMV,HRV,遗传物质是核酸（RNA）而非蛋白质,二、遗传物质在细 胞内存在的部位和方式,1. 细胞水平,（一）7个水平,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,DNA都集中在细胞核或核质体中,1. 细胞水平,2.
7、细胞核水平,3. 染色体水平,（1）染色体数,（2）染色体倍数,单倍体（heploid）： 一个细胞中只有一套染色体。 双倍体（diploid）： 一个细胞中含有两套功能相同的染色体。,指同一细胞中相同染色体的套数,4. 核酸水平,（1）核酸种类 （2）核酸结构 （3）DNA长度,DNA长度即基因组的大小，一般可用bp（碱基对，base pair）、kb（千碱基对，kilo bp）和Mb（百万或兆碱基对，mega bp）作单位。,5. 基因水平,基因是生物体内一切具有自主复制能力的 最小遗传功能单位， 其物质基础是一条以直线排列、 具有特定核苷酸序列的核酸片段。,基因调控系统,操纵子,启动基因
8、（启动子） 操纵基因 结构基因,调节基因,6. 密码子水平,遗传密码（genetic code）是指DNA链上决定各具体氨基酸的特定核苷酸排列顺序。,遗传密码的信息单位是密码子（codon），每一密码子由3个核苷酸序列即一个三联体(triplet）所组成。一般都用mRNA上3个连续的核苷序列表示。,7. 核苷酸水平,腺苷酸（AMP） 胸苷酸（TMP） 鸟苷酸（GMP） 胞苷酸（CMP） 5-羟甲基胞嘧啶, 每个碱基对（bp）的平均相对分子质量 约为650； 1106的dsDNA约为1.5 kb（千碱基对） 或0.5 m（长度）； 3 nmol碱基的质量约等于1 g。,（二）原核生物的质粒 1.
9、 定义和特点,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。是一种独立存在于细胞内的复制子（replicon）。,质粒的3种构型,ocDNA l DNA cccDNA,cccDNA,ocDNA,l DNA,质粒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。,严紧型复制控制（stringent replication control）,松弛型复制控制（relaxed replication control）,质粒的复制与核染色体的复制同步， 在这类细胞中，一般只含12
10、个质粒；,另一类质粒的复制与核染色体的复制不同步， 在这类细胞中，一般含1015个或更多质粒。,2. 质粒在基因工程中的应用,(1)质粒DNA鉴定:电镜观察；,(2)利用密度梯度离心法（density gradient centrifugation）；,(4)对于实验室常用菌，可用质粒所带的某些特点，例如抗药性初步判断。,3. 质粒的分离与鉴定,(3)利用琼脂糖或聚丙烯酰胺凝胶电泳；,琼脂糖凝胶电泳后 UV下观察质粒的结果,电镜下的质粒和染色体,质粒的主要功能,在某些特殊条件下，质粒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。,质粒所含的基因对宿主细胞一般是非必需的；,F质粒（f
11、ertility factor，F因子） R质粒（resistance factor，R因子） Col质粒（colicin plasmid，col plasmid） Ti质粒（tumor inducing plasmid） Ri质粒（root inducing plasmid） mega质粒（megaplasmid） 降解性质粒,4. 典型质粒简介,（1）F质粒（F plasmid）,又称F因子、致育因子（fertility factor）或性因子（sex factor），其大小约100 kb，为cccDNA，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
12、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）。,（2）R质粒（R plasmid）,抗药性 抗重金属,又称R因子（R factor）、抗性因子（ resisitrance plasmid ）。,抗性转移因子,抗性决定因子,R质粒一般由两个相连的DNA片段组成,含调节DNA复制和拷贝数的基因以及转移基因，相对分子质量约11107，具有转移功能；,抗性转移因子（resistance transfer factor，RTF）,抗性决定因子（r-determinant）,大小不很固定，相对分子质量从几百万至11108以上，无转移功能，含各种抗性基因，如抗青霉素、氨苄青霉素、氯
13、霉素、链霉素、卡那霉素和磺胺等基因。,R质粒一般由两个相连的DNA片段组成,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（colicin plasmid，col plasmid）,又称大肠杆菌素质粒或产大肠杆菌素因子（colicinogenic factor，col factor）、,细菌素（bacteriocin），是质粒编码的蛋白质，一般由细菌产生，可抑制或杀死其他近缘细菌或同种不同菌株的代谢产物，但不具有很广的杀菌谱。,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“免疫力”的相关产物的基因,一般都位
14、于质粒或转座子上， 细菌素可以杀死同种但不携带该质粒的菌株。,细菌素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。,（4）Ti质粒（tumor inducing plasmid）,即诱癌质粒或冠瘿质粒（crown gall plasmid）。,T-DNA区可携带任何外源基因整合到植物基因组中，Ti质粒是植物基因工程中使用最广、效果最佳的克隆载体。,Agrobacterium tumefaciens（根癌土壤杆菌或根癌农杆菌）释放出的Ti质粒上的T-DNA片段与植物细胞的核基因组整合，合成冠瘿碱类（opines）
15、,破坏控制细胞分裂的激素调节系统，使之变成癌细胞。,（5）Ri质粒（root inducing plasmid）,250 kb的Ri质粒中的一段T-DNA整合到宿主根部细胞的核基因组中，可发生转化。,Agrobacterium rhizogenes（发根土壤杆菌或发根农杆菌）可侵染双子叶植物的根部，并诱发大量称为毛状根的不定根。,Ri质粒是外源基因的良好载体！,（6）mega质粒（megaplasmid）,即巨大质粒，其相对分子质量比一般质粒大几十倍至几百倍，存在于Rhizobium（根瘤菌属）中，其上有一系列与共生固氮相关的基因。,（7）降解质粒,这类质粒是由降解一系列复杂有机物的酶编码，所以在污水处理、环境保护等方面发挥作用。,只在假单胞菌属（Pseudomonas）中发现降解质粒。,降解质粒以其所分解的底物命名， 例如， CAM（樟脑）质粒， OCT（辛烷）质粒， XYL（二甲苯）质粒， SAL（水杨酸）质粒， MDL（扁桃酸）质粒， NAP（萘）质粒， TOL（甲苯）质粒等。,“超级菌” 通过遗传工程手段构建具有数种降解质 粒的菌株，具有广谱降解能力的工程菌。,下节课再见了,
