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1、微生物遗传与变异,生命科学与技术学院微生物教研室 王莹 ,遗传性（heredity）：指生物的亲代特性在子代中重现的现象。,遗传和变异是生命的本质特性之一。,变异性（variation）：亲代与子代之间、子代不同个体之间生物学特性的差异性。,微生物是现代遗传学研究最重要的实验对象,1. 微生物细胞结构简单，营养体一般为单倍体，方便建立纯系。 2. 很多常见微生物都易于人工培养，快速、大量生长繁殖。 3. 对环境因素的作用敏感，易于获得各类突变株，操作性强。 没有微生物遗传学的发展就没有现代分子生物学！,第一节 遗传变异的物质基础,三个经典实验 转化实验 T2噬菌体感染实验 噬菌体重建实验,一、
2、证明核酸是遗传变异物质基础的经典实验,（一）转化实验（transformation）,1928年，F.Griffith首先发现转化现象。 1944年，O. Avery等人在离体条件下重复了这一实验。,O. Avery, 18771955,肺炎双球菌转化实验,肺炎链球菌 R型 S型,肺炎双球菌转化实验,1944年，Avery等人在离体条件下重复了这一实验。,分析：S型细菌的DNA能将肺炎链球菌的R型转化为S型。而DNA纯度越高，转化效率也越高，只取纯DNA的610-8的量时，仍有转化能力。这说明，S型菌株转移给R型菌株的是以DNA为基础的遗传因子。,(二) T2噬菌体感染实验,结果说明：只有DN
3、A是噬菌体的遗传物质。当噬菌体DNA进入宿主细胞后，宿主细胞就按噬菌体DNA提供的遗传信息，在体内合成属于噬菌体的DNA和外壳蛋白，并装配成完整的噬菌体。,分别提取获得烟草花叶病毒（TMV）及霍氏车前草花叶病毒（HRV）蛋白质外壳和核酸（RNA）。,抗血清处理证明杂合病毒的蛋白质外壳来自TMV，而非HRV,杂合病毒的后代的蛋白质外壳表现为HRV，而非TMV。,遗传物质是核酸而非蛋白质,植物病毒重建实验（1956年，fraenkel-Conrat）,DNA主要的遗传物质,综上所述,注：DNA不是唯一的遗传物质，较少的微生物也靠RNA进行遗传。,（一）核物质染色体 染色体（chromosome）：
4、遗传物质的载体，在细胞分裂期的存在形式，细胞分裂间期表现为染色质。 基因组（genome）：一个物种的单倍体的所有染色体及其所包含的遗传信息的总称。 原核生物染色体：一般不具备染色体的真正形态，为叙述方便（和真核细胞比较），故名。多为单倍体。 真核微生物染色体：多条染色体，例如啤酒酵母有16条染色体。有时为双倍体。,二、遗传物质在微生物中的存在形式,1. 原核生物（细菌、古生菌）的遗传物质,1. 原核生物（细菌、古生菌）的遗传物质,染色体为双链环状的DNA分子（单倍体）； 基因数基本接近由它的基因组大小所估计的基因数，如大肠杆菌DNA长约4.1106 bp，长约1100 微米，含有5000多个
5、基因。 基因组上遗传信息具有连续性； 一般不含内含子（intron），遗传信息是连续的而不是中断的。,功能相关的结构基因组成操纵子结构。 微生物基因组DNA绝大部分用来编码蛋白质、RNA；用作为复制起点、启动子、终止子和一些由调节蛋白识别和结合的位点等信号序列。 结构基因的单拷贝及rRNA基因的多拷贝； 基因组的重复序列少而短。 古生菌的基因组在结构上类似于细菌。但是信息传递系统（复制、转录和翻译）则与细菌不同而类似于真核生物,2. 真核微生物（如啤酒酵母）的染色体 特点 典型的真核染色体结构； 基因组没有明显的操纵子结构； 啤酒酵母基因组大小为13.5106bp，分布在16 条染色体中。 基
6、因有间隔区（即非编码区）和内含子序列； DNA重复序列多。,2. 真核微生物（如啤酒酵母）的染色体,构成方式： 真核染色体的基本结构是核小体； 核小体排列成串珠状染色质纤丝（10nm）； 核小体是由约200bp DNA（2nm）和5种组蛋白构成的。 染色质纤丝在形成30nm的螺线管（solennoid）； 螺线管组成伸展的大环状结构（300nm）； 大环状结构构成复杂的染色质形态。 从核小体到染色体DNA被压缩了将近30万倍。,真核生物细胞中的DNA中只有不到5的DNA用于所需蛋白质的基因表达，其余的DNA起“结构”作用或“调节”作用。 DNA被紧密地包装在多条染色体中，每条染色体中含有一个线
7、状DNA分子，它以左手螺旋方向围着一个个组蛋白八聚体绕圈1.8周，形成串珠状的染色质，被串在一起的小颗粒称为核小体，染色质进一步卷曲形成每圈6个核小体、直径30 nm的染色质丝，它折叠成许多超螺旋环附着在中央骨架上。,真核生物的染色体结构,From BIOLOGY by Jack C Carey et al., eds,（二）核外物质质粒 染色体外能自主复制的遗传物质。,cccDNA,ocDNA,L DNA,1. 质粒的基本特性,（2）能自主复制，一般采用滚环复制方式； 根据拷贝数的多少将质粒分为严紧型质粒（stringent plasmid）和松弛型质粒（relaxed plasmid） （
8、3）不相容和相容性； 两种不同类型的质粒若能稳定地共存于一个宿主细胞内，这种现象称为质粒的相容性。 （4）质粒携带的基因非细胞生存所必需； 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。,（5）可自发消除（curing）； 质粒能自从宿主细胞自发消除。某些理化因素，如高温、紫外线及吖啶类物质，可大大提高质粒的消除频率。 （6）质粒可以从一个细菌转移到另一个细菌。 根据其转移方式，一般把质粒分为2类：一类是接合型质粒（conjugative），可通过两个菌细胞的直接接合而主动转移如F因子。另一类是非接合型质粒（nonconjugative），必须通过噬菌体转导才能
9、转移质粒DNA，如青霉素酶质粒。,2. 医药方面的重要质粒,（1）致育因子（Fertility factor，F因子） 又称F质粒，其大小约94.5kb，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。 F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）。 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）。,2. 医药方面的重要质粒,（2）抗性因子（Resistance factor，R因子） 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。 R100质粒可使宿主对下列药物及重金属
10、具有抗性： 汞（mercuric ion, mer） 四环素（tetracycline, tet） 链霉素（Streptomycin, Str） 磺胺（Sulfonamide, Su） 氯霉素（Chlorampenicol, Cm）,2. 医药方面的重要质粒,（三）转座因子 （transposable element）,转座因子：又称跳跃基因（jumping gene）,是位于染色体或质粒上的一段能改变自身位置的DNA序列，该过程即转座（transposition）。,转座因子由Barbara MiClintock 1957在玉米中发现，1983年因此获得Nobel奖。,1. 原核生物的转座因
11、子,（1）插入序列（insertion sequence，IS） 最简单的转座单位，大小7501600bp左右，只含编码转座必需的转座酶基因，分布于细菌的染色体DNA、质粒及噬菌体DNA上。,1. 原核生物的转座因子,（2）转座子（transposon，Tn） 比IS大，其末端其实往往是两个IS。携带有特定的基因如抗生素抗性基因、重金属抗性基因或者其它基因。,（3）转座噬菌体（transposonalphage） 以大肠杆菌为宿主的温和性噬菌体，其基因组上含有噬菌体生长必需的基因和转座必需的基因，全长约39kb。,2. 转座的遗传学效应 引起插入突变； 插入位置上出现新的基因； 少数核苷酸对的
12、重复； 染色体畸变； 转座因子的切离（excision），造成回复突变。,三、微生物遗传物质的复制 原核生物染色体的复制 原核微生物只有一个复制子（replicon），采用半保留的方式进行复制，因为复制的中间产物类似希腊字母，故名复制。 2. 真核生物染色体的复制 真核微生物有多个复制子，以半保留的方式同时进行复制，复制的中间产物是多个复制叉（replication fork）。,3、病毒基因组的复制 病毒的复制方式多种多样，除了复制，还有滚环复制（rolling cycle，复制）等方式。,第二节 基因突变 一、基因和性状 基因是合成有功能的蛋白质多肽链或RNA所必需的全 部核苷酸序列。 （
13、一）基因的概念和基因符号 基因符号常以该基因功能特性的英文词的前3个字母表示（小写），一般用斜体，该基因的功能特性在右上角以/、r / s表示。 如：组氨酸基因用his（histidine的前3个字母）表示，his表示组氨酸缺陷型。链霉素（streptomycin）有抗药性或敏感性分别写作strr或strs。,（二）性状和表型、基因组和基因型 性状是构成生物个体所有方面的特征的总称，侧重“全部”。 表型是指生物的某个基因在特定条件下表现出的特性，侧重“单个”。 基因组是生物单倍体细胞所有基因的总称。侧重“全部碱基对序列的组成”； 基因型是生物基因体现的功能、特性。侧重“某个基因”。,基本概念：
14、生物体遗传物质的核苷酸序列发生了稳定的可遗传的变化。 突变（mutation）、点突变（point mutation ）（一对或几对置换、缺失或插入）； 自发突变（spontaneous mutation ）、 诱变（induced mutation ）； 突变率（mutation rate）； 正向突变（mutation）、 回复突变（back mutation ）； 野生型（wild type）、原养型（prototroph）； 突变株（mutant ）、回复突变株（reverant）。,二、基因突变,表型饰变 环境的改变，导致表型的差异。 特点：暂时性、不可遗传性、表现为全部个体的行为。
15、,橘生淮南则为橘，生于淮北则为枳。,基因突变 遗传物质的改变，导致表型的改变 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106109。,内因是决定因素，外因是条件。,1. 自发性和不对应性； 2. 稀有性：环境因素的影响，DNA复制过程的偶然错误等而导致，一般频率较低，通常为10-6 10-9 ； 3. 诱发性：某些物理、化学因素对生物体的DNA进行直接作用，突变以较高的频率产生； 4. 独立性：某个基因的突变是一独立事件，对其他基因的突变几率没有影响； 5. 稳定性和可遗传性； 6. 回复性。,（一）基因突变的规律,（二）突变自发性的实验证明,三个经典实验 1. 变量实验（fl
16、uctuation analysis）（细菌遗传学的诞生） Salvador Luria& Max Delbrck（1943） 2. 涂布实验（Newcombe Experiment） Newcombe （1949） 3. 影印平板实验（replica plating） Joshua Lederberg& Esther Lederberg（1952）,变量实验（fluctuation analysis） Salvador Luria & Max Delbrck（1943）,噬菌体T1在这里仅起着淘汰原始的未突变菌株和甄别抗噬菌体突变型的作用。,变量试验(fluctuation test),实验要点 用E.coli T1噬菌体设计了试验 实验结果 来自甲管的50皿中,各皿间抗性菌落数相差极大 而来自乙管的则各皿数目基本相同 实验说明 E.coli 抗噬菌体性状的产生，并非由噬菌体T1诱导出来的
