微生物的遗传和变异_2课件

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1、第七章 微生物遗传和变异,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、基因工程的基本原理 重点： 细菌的基因重组,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。 物种和代谢类型多样 对环境因素的作用敏感，易于获得各类突变株， 操作性强。,遗传性：生物的亲代传递给其子代一套遗传信息的特性； 遗传型：生物体所携带的全部基因总称； 表型：具有一定遗传型的个体，在特定的外界环境中，通过生长和发育所表现出来的种种形态和生理特征的总和； 变异：指生物体在某种内因或外因的作用下所引起的遗传物质结构

2、或数量的改变； 饰变：同种遗传型的生物，在不同的外界条件下，会呈现不同的表型。,1928年，F. Griffith；1944年O. T. Avery 肺炎链球菌（Streptococcus pneumoniae）转化试验。 1952年，A. D. Hershy、M. Chase的噬菌体感染实验。 1956年，H. Fraenkel-Conrat的TMV拆开和重建实验。,1、经典转化实验1928年，F.Griffth 肺炎链球菌：S型（菌体具荚膜，菌落表面光滑，有致病能力） R型（菌体无荚膜，菌落表面粗糙，无致病能力）,加S菌DNA 加S菌DNA及DNA酶以外的酶 加S菌的DNA和DNA酶 加S

3、菌的RNA 加S菌的蛋白质 加S菌的荚膜多糖,活R菌,长出S菌,只有R菌,1944年Avery、MacLeod和McCarty从热死S型S. pneumoniae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转化试验：,只有S型细菌的DNA才能将S. pneumoniae的R型转化为S型。且DNA纯度越高，转化效率也越高。说明S型菌株转移给R型菌株的，是遗传因子DNA。,2、噬菌体感染实验1952年， A. D. Hershy、M. Chase,3、植物TMV重组实验证明RNA是TMV的遗传物质,原核生物,染色体,真核生物,染色体外遗传成分,质粒,细胞器,转座因子,插入序列（IS）,

4、转座子（Tn）,某些病毒（Mu噬菌体）,转座因子：细胞中能改变自身位置（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。也称跳跃基因或可移动基因。,插入序列：能在染色体上和质粒的许多位点上插入并改换位点，也称跳跃基因。 转座子：能插入染色体或质粒不同位点的一般DNA序列，具有转座功能，本身也可复制。转座后在原来位置仍保留1份拷贝。 某些病毒：能自我复制，也可整合到染色体或质粒上，且可在微生物细胞之间进行转移而可看作为一类微生物染色体外的遗传物质。,一切具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。,结构基因：是为细胞

5、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）,乳糖操纵子调控模型,信息大分子及遗传信息流,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。重组获得的后代具有新的基因组合，表现出不同于亲本的新性状。 原核微生物没有有性生殖，其基因重组通过转化、接合、转导

6、方式进行。,转化：指外源DNA（人工合成的或者从供体细胞中提取的）不经任何媒介被直接吸收到受体细胞的过程。这些被转化的游离的DNA片段称为转化因子 。转化后的受体菌，称为转化子。,供体菌,受体菌,DNA片段,转化需要的条件： 1、感受态细胞：受体菌最容易接受外源DNA片段并实现转化的生理状态称为感受态 2、外源游离DNA分子,转化 过程,转化的特点： 不需两个细胞直接接触，供体DNA提取出来，注入受体即可。,转导：是指通过噬菌体介导的DNA在不同细菌细胞间转移和基因重组的现象。,细菌转导的类型：,普遍转导,局限转导,完全转导 流产转导,低频转导 高频转导,转导噬菌体：能将细菌宿主的部分染色体和

7、质粒DNA带到另一个细菌的噬菌体。获得了由噬菌体携带来的供体菌DNA片段的受体细胞称为转导子。在转导中被转移的染色体片段称为转导因子。,普遍转导（generalized transduction）,通过极少数完全缺陷噬菌体对供体菌基因组上任何小片段DNA进行误包，而将其遗传性状传递给受体菌的现象。,普遍性转导的三种后果：,外源DNA被降解，转导失败。,进入受体的外源DNA通过与细胞染色体的重组交换 而形成稳定的转导子,流产转导,完全转导,转导DNA不能进行整合、重组和复制，也不迅速消失，而是表现稳定的转录、转译和性状表达。因此群体中仅一个细胞含有DNA，而其它细胞只能得到其基因产物。,流产转导

8、：,局限转导（generalized transduction）,指通过部分缺陷的温和噬菌体把供体菌的少数特有基因携带到受体菌中，并与后者的基因组整合、重组，形成转导子的现象。,低频转导：指通过一般溶源菌释放的噬菌体所进行的转导，因其只能形成极少数的转导子而得名。,高频转导：在局限转导中，若对双重溶源菌进行诱导，就会产生含50%左右的局限转导噬菌体的高频转导裂解物，用这种裂解物去转导受体菌，就可获得高达50%左右的转导子。,低频转导 裂解物,正常噬菌体,极少量的 部分缺陷噬菌体 （局限转导噬菌体）,转导颗粒,高感染复数,双重溶源菌,缺陷噬菌体和正常噬菌体同步复制,高频转导 裂解物,部分缺陷噬菌

9、 （局限转导噬菌体）,正常噬菌体,等量,转导颗粒,局限转导子 （大量）,接合：是指通过两种细菌细胞的直接接触而将DNA从一种细菌转移到另一种细菌,并使后者获得新遗传性状的现象。,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。,接合机制(大肠杆菌的接合机制),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。,F因子特点： 1）可经接合作用而获得； 2） 可通过一些理化因素的处理

10、，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因子的四种细胞形式：,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。 c）Hfr菌株，F因子插入到染色体DNA上，细胞表面有性菌毛。 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色体基因的F因子，特称为F因 子。 细胞表面同样有性菌毛。,F菌株 当Hfr菌株内的F因子因不正常切割而脱离其染色体组时，可形成游离的携带一小段染色体基因的F因子，特称F因子。

11、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，可使后者转变成F菌株，这就是次生F菌株，它既获得了F因子，又获得了来自初生F菌株的若干遗传性状。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。,将遗传性状不同的两种菌的（包括种间、种内、及属间）原生质体融合成为一个新的重组子的技术。,原生质体融合步骤：,1、原生质体制备 2、原生质体融合和再生 3、融合子的选择,基因工程：在基因水平上，改造遗传物质，即将分离到的或合成

12、的基因经过改造，插入载体中，导入宿主细胞内，使其扩增和表达，从而获得大量基因产物，或者令生物表现出新的性状。,克隆载体（cloning vector）：负责将外源DNA片段运送到细胞中进行复制与扩增。,限制性核酸内切酶（restriction endonuclease ）：是指能识别双链DNA分子的特定序列，并在识别位点或其附近切割DNA的一类核酸内切酶。,一、基因工程,微生物在基因工程中的作用： 1.微生物作为克隆载体:质粒、病毒、噬菌体 2.微生物生产基因工程工具酶； 1)、限制性核酸内切酶 2)、DNA连接酶 3.微生物作为克隆载体的宿主 ； 1)、原核生物宿主：大肠杆菌，枯草芽孢杆菌

13、2)、真核生物宿主：酿酒酵母 4.微生物作为基因产物的重要表达载体。 5.理论基础（主要来自对微生物的研究）； 6.微生物的多样性提供了丰富而独特的基因资源。,获得目的基因 选择基因载体 体外重组 外源基因导入（细菌、植物、动物、基因枪） 筛选和鉴定 应用,基因工程的基本操作,基因克隆：指利用DNA体外重组技术，将一个特定的基因或者DNA序列插入到一个载体DNA分子上，然后引入适当的寄主进行扩增。,Amp,Amp,pncA,Xho I,Nde I,Ori,Ori,MCS,载体,大肠杆菌,感受态细胞,Amp,CaCl2 或者甘油,钙转化或者电转化,转化子,含氨苄青霉素的LB培养基,克隆子,二、基

14、因突变,基因突变：一个基因内部遗传结构或DNA序列的任何可遗传的改变。,基因突变,狭义：点突变（一对或少数几对碱基的缺失、插入或置换）,野生型（原始性状）,基因突变,突变型（新性状）,广义：基因突变和染色体畸变（大片段染色体的缺失、重 复、倒位）,诱变育种：指利用各种诱变剂处理微生物细胞，提高基因的随机突变频率，通过一定的筛选方法获得所需要的高产优质菌株。,（1）使用简便有效的诱变剂,（2）选用优良的出发菌株 （3）处理单细胞或单孢子悬浮液,诱变剂,物理因素：紫外线、激光、离子束、X射线、r射线等,化学因素：烷化剂、碱基类似物、吖啶化合物,微生物诱变育种,（4）使用最佳的处理剂量,（5）设计高

15、效率筛选方案,诱变,检出营养缺陷型,淘汰野生型,鉴定营养缺陷型,富集培养 （抗生素法）,影印平板法,生长谱法,突变株的筛选：产量突变株的筛选 抗药性突变株的筛选 营养缺陷型突变株的筛选,微生物定位诱变,采用合成DNA技术和重组DNA技术可能在基因的精确位点上引入诱变,1、突变基因的获得,Nde I和Xho I双酶切,T4 DNA连接酶连接,Amp,Xho I,Nde I,Ori,Amp,Xho I,Nde I,Ori,自杀质粒载体,2、自杀质粒载体的构建,野生型菌,感受态细胞,甘油,基因组DNA,转化子,突变株,基因组DNA（突变）,电转,3、突变菌株的获得,Thanks for your attention!,