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1、微生物遗传学微生物遗传学授课院系：生物工程学院授课院系：生物工程学院 授课教师：授课教师： 黎黎 明明教材和主要参考书教材和主要参考书教材：教材：1.1.陈三凤陈三凤. .现代微生物遗传学现代微生物遗传学. .化学工业出版社，化学工业出版社，20032003主要参考书主要参考书1.1.盛祖嘉盛祖嘉. . 微生物遗传学（三版）微生物遗传学（三版）. .科学出版社，科学出版社，200720072.2.沈萍、陈向东，微生物学，高等教育出版社，沈萍、陈向东，微生物学，高等教育出版社，200620063.3.陶文沂陶文沂. . 工业微生物生理与遗传育种学工业微生物生理与遗传育种学. . 中国轻工中国轻工
2、业出版社，业出版社，19971997微生物遗传学理论课的要求微生物遗传学理论课的要求掌握基本概念熟悉经典实验领悟科研方法第一授课单元第一授课单元第一章第一章 绪论绪论第一节第一节 微生物遗传学发展简史微生物遗传学发展简史第二节第二节 朊病毒的发现和思考朊病毒的发现和思考第三节第三节 微生物作为遗传学材料的优越性微生物作为遗传学材料的优越性第四节第四节 微生物遗传控制与发酵工业微生物遗传控制与发酵工业第二章第二章 微生物遗传物质微生物遗传物质第一节第一节 DNA结构和复制结构和复制第一章第一章 绪论绪论第一节第一节 微生物遗传学的发展简史微生物遗传学的发展简史 微生物遗传学微生物遗传学是一门以病
3、毒、细菌、放线菌、是一门以病毒、细菌、放线菌、小型真菌及单细胞藻类、原生动物为研究对象的遗小型真菌及单细胞藻类、原生动物为研究对象的遗传学的分支学科传学的分支学科。4040年代以前：年代以前：微生物遗传学的研究是微生物遗传学的研究是不系统不系统的、的、局限局限的，的，遗传学遗传学基本研究只限于动物和植物。基本研究只限于动物和植物。 研究对象：只限于进行有性生殖，特别是产生有性孢子研究对象：只限于进行有性生殖，特别是产生有性孢子 微生物（酵母菌、草履虫、脉孢菌）；微生物（酵母菌、草履虫、脉孢菌）；研究内容：只限于形式遗传学分析研究内容：只限于形式遗传学分析 （基因重组和定位）（基因重组和定位）4
4、0年代以后年代以后，以下五方面的工作促使微，以下五方面的工作促使微生物遗传学发展成为一门独立的学科：生物遗传学发展成为一门独立的学科：一一. 脉孢菌营养缺陷型的发现和基因原初功能的研究脉孢菌营养缺陷型的发现和基因原初功能的研究二二. 细菌抗药性突变的研细菌抗药性突变的研究究三三. 细菌接合和基因重组的发细菌接合和基因重组的发现现四四. 细菌遗传因子化学本质的鉴定细菌遗传因子化学本质的鉴定 -细菌经典转化实验细菌经典转化实验五五. 噬菌体遗传学研究噬菌体遗传学研究一一. 脉孢菌营养缺陷型的发现和基因原初功能的研究脉孢菌营养缺陷型的发现和基因原初功能的研究1941年，年， G. Beadle 和和
5、E. Tatum 用用脉孢菌脉孢菌为材料，用为材料，用X-X-射线处理脉孢菌的分生孢子射线处理脉孢菌的分生孢子得到预期的营养缺陷型，证明了某些代谢途径的阻断与得到预期的营养缺陷型，证明了某些代谢途径的阻断与某些突变基因之间的对应关系。对基因功能实质做了进某些突变基因之间的对应关系。对基因功能实质做了进一步的研究，一步的研究，提出提出一个基因一种酶学说一个基因一种酶学说（One Gene - One Gene - One Enzyme hypothesisOne Enzyme hypothesis）于于于于1958195819581958年获得诺贝尔奖年获得诺贝尔奖年获得诺贝尔奖年获得诺贝尔奖脉
6、孢菌脉孢菌 子囊孢子表面有纵形花纹，形如叶脉，故称脉孢菌。菌丝无色透子囊孢子表面有纵形花纹，形如叶脉，故称脉孢菌。菌丝无色透明，有隔膜多核，具分枝，蔓延迅速明，有隔膜多核，具分枝，蔓延迅速 分生孢子梗直立，双叉分枝，分枝上分生孢子梗直立，双叉分枝，分枝上 成串生长分生孢子，分生孢子卵圆形，成串生长分生孢子，分生孢子卵圆形， 一般呈红色、粉红色，常在面包等食一般呈红色、粉红色，常在面包等食 物上生长，俗称红色面包霉。有性过物上生长，俗称红色面包霉。有性过程通过异宗接合产生子囊和子囊孢子，程通过异宗接合产生子囊和子囊孢子，子囊黑色、棒状，内生子囊黑色、棒状，内生8枚长圆形子囊枚长圆形子囊孢子，孢子
7、在子囊中顺序排列，一般无孢子，孢子在子囊中顺序排列，一般无性繁殖，很少有性繁殖。性繁殖，很少有性繁殖。 （图：粗糙脉孢菌）Beadle and Tatum: 一个基因一个基因 - - 一种酶一种酶 One Gene - One EnzymeX raysMMCMMMVitaminsAmino acids Purines and pyrimidines 用用X射线诱导处理射线诱导处理红色面包霉，筛选出红色面包霉，筛选出被诱导的突变体来进被诱导的突变体来进行实验。根据遗传分行实验。根据遗传分析和大量研究析和大量研究 ，他们，他们认为基因发生突变，认为基因发生突变，就可能导致酶活性的就可能导致酶活性的
8、丧失。丧失。 利用生长谱法进一步验证哪一种氨基酸缺陷利用生长谱法进一步验证哪一种氨基酸缺陷 红色链孢霉实验红色链孢霉实验 突变品系突变品系 基本基本 基本培养基加基本培养基加 培养基培养基 鸟氨酸鸟氨酸 瓜氨酸瓜氨酸 精氨酸精氨酸 arg cit orn arg(精氨酸缺陷精氨酸缺陷)，orn(鸟氨酸缺陷鸟氨酸缺陷), cit(瓜氨酸缺陷瓜氨酸缺陷):表示不生长；表示不生长； ：表示生长：表示生长1941 Beadle & Tatum 提出： “ one gene one enzyme” hypothesis 乙酰鸟乙酰鸟 鸟氨酸精鸟氨酸精 精氨琥珀精氨琥珀 精氨琥珀精氨琥珀 氨酸酶氨酸酶 氨
9、甲酰酶氨甲酰酶 酸合成酶酸合成酶 酸裂解酶酸裂解酶 N- N-乙酰乙酰 鸟氨酸鸟氨酸 瓜氨酸瓜氨酸 精氨精氨 精氨酸精氨酸 鸟氨酸鸟氨酸 琥珀酸琥珀酸 氨甲酰磷酸氨甲酰磷酸 天冬氨酸天冬氨酸 精氨酸生物合成途径精氨酸生物合成途径 重要意义重要意义开辟了生化遗传学研究的广阔领域开辟了生化遗传学研究的广阔领域，为基因作用机制，为基因作用机制的研究确立了基础，为阐明代谢途径提供了有效的方法；的研究确立了基础，为阐明代谢途径提供了有效的方法； 提出提出一个基因一种酶一个基因一种酶学说，可认为是分子遗传学的前学说，可认为是分子遗传学的前奏；奏； 利用营养缺陷型探索代谢途径利用营养缺陷型探索代谢途径这一思
10、想方法，在微生这一思想方法，在微生物遗传学得到广泛的应用，包括基因重组、发育、分化、物遗传学得到广泛的应用，包括基因重组、发育、分化、形态建成等；形态建成等；由于营养缺陷型的发现，由于营养缺陷型的发现，使得细菌的基因重组得以发使得细菌的基因重组得以发现现. .二二.细菌抗药性突变的研究细菌抗药性突变的研究细菌的抗性是基因突变的结果，还是适应的结果？细菌的抗性是基因突变的结果，还是适应的结果？1943年， Salvador Luria & Max Delbruck用用严密的实验证实严密的实验证实细菌的抗性是基因突变的结果细菌的抗性是基因突变的结果重要意义：重要意义： 使人们认识到，可能所有的生物
11、都有着相同的遗传变异规律； 严密的实验方法，开始被应用到微生物遗传学领域，特别是细菌的变异的研究中去。变量实验（变量实验（fluctuation analysis）：波动实验、彷徨实验）：波动实验、彷徨实验对噬菌体对噬菌体T1敏感的敏感的E.coli 对数期培养物，对数期培养物，稀释至稀释至103/mL,分装两试管，各分装两试管，各10 mL 与甲管分装的各小管与甲管分装的各小管同时保温同时保温2436h甲管 乙管 变量实验（变量实验（fluctuation analysis）Salvador Luria & Max Delbruck(1943)Salvador LuriaMax Delbru
12、ckThe Nobel Prize in Physiology or Medicine 1969三三. 细菌接合和基因重组的发现细菌接合和基因重组的发现1946年，Joshua Lederberg 和Edward L.Taturm报道了大肠杆菌中的基因重组报道了大肠杆菌中的基因重组接合接合 (conjugation)重要意义：重要意义：1）使人们更为明确地认识到微生物和高等动物和植物遗传规律上的一致性；即细菌中也有类似于性过程的现象，以及基因连锁和重组。如有两个不同遗传型的细菌突变株在一起混合培养，可分离到具有双亲基因的新个体，从而认为细菌也存在性别；2）通过基本相同的方法，为在霉菌、放线菌等
13、各种微生物中发现基因重组奠定了实验方法；3）促使50年代发现了转导。中间平板上长出的原养中间平板上长出的原养型菌落是两菌株之间发型菌落是两菌株之间发生了遗传交换和重组所生了遗传交换和重组所致！致！ 为了减少所培养的结为了减少所培养的结果是回复突变的机会，果是回复突变的机会，采用了双重或三重营养采用了双重或三重营养缺陷型。该实验是建立缺陷型。该实验是建立在不大可能同时发生两在不大可能同时发生两种或三种回复突变的设种或三种回复突变的设想上的。想上的。证实接合过程需要细胞间的证实接合过程需要细胞间的直接接触的直接接触的“U”型管实验（型管实验（ Bernard Davis，1950 ）U型管实验的原
14、理型管实验的原理接合：即去除细胞壁的细菌的原生质体的融合转导：即借助病毒（一般用噬菌体）将一种细胞中的遗传物质转到另一种细胞中并发生重组，使后者细胞能表达前者细胞的性状。转化：遗传物质能自由进入细胞中并使该细胞表达相应的性状。U型管原理：使U型管中的膜的孔径只能让DNA和营养物质通过，而噬菌体和其他物质均不能通过，发现膜两侧的菌均能在基本培养基上生长，证明是转化。四四. 细菌遗传因子化学本质的鉴定细菌遗传因子化学本质的鉴定 -细菌经典转化实验细菌经典转化实验1928年年 F.Griffith在肺炎链球菌中发现在肺炎链球菌中发现转化转化现象现象1944年年 Avery 在在离体离体条件下完成转化
15、过程条件下完成转化过程 确定确定遗传物质为遗传物质为DNA（第一个实验证据）第一个实验证据）它的发现，是它的发现，是19531953年年DNA分子分子双螺旋模型双螺旋模型提出和提出和分子遗传学发展的前奏。分子遗传学发展的前奏。 1928年，年，Griffith 肺炎双球菌的转化肺炎双球菌的转化1944年年，Avery在离体在离体条件下完成转化。条件下完成转化。五五. 噬菌体遗传学研究噬菌体遗传学研究 19461946年，年， DelbruckDelbruck证实了证实了噬菌体也存在遗传重组噬菌体也存在遗传重组现象；现象； 19551955年，年， BenzerBenzer研究了研究了E.col
16、iT4E.coliT4噬菌体遗传物质的精细噬菌体遗传物质的精细 结构，结构，提出了提出了“顺反子顺反子”的概念；的概念； 19611961年，年， BenzerBenzer发表了发表了T4rT4r突变位点的经典研究表明：突变位点的经典研究表明： 所有位点不是有同等的突变频率，所有位点不是有同等的突变频率， 提出了提出了基因突变的热点基因突变的热点的理论。的理论。1）把遗传规律推广到最简单的生物噬菌体；把遗传规律推广到最简单的生物噬菌体；2）温和噬菌体以及转导作用的发现，成为微生物）温和噬菌体以及转导作用的发现，成为微生物遗传学、分子遗传学研究的有效手段。遗传学、分子遗传学研究的有效手段。第二节
17、第二节 朊病毒的发现和思考朊病毒的发现和思考一、证明遗传物质是一、证明遗传物质是DNA或或RNA的三个经典实验：的三个经典实验：细菌经典转化实验噬菌体的感染实验烟草花叶病毒的拆开和重建实验二、中心法则二、中心法则DNA到mRNA，通过密码子合成蛋白质反转录现象的发现对中心法则的补充三、朊病毒三、朊病毒是一种既不含DNA也不含RNA的蛋白质颗粒；具有传染性和致病性的病毒（引起疯牛病）。朊病毒的发现是否违背了朊病毒的发现是否违背了“遗传物质是核酸遗传物质是核酸”和和“中心法则中心法则”呢？呢？四、朊病毒的致病机理四、朊病毒的致病机理致病性的朊病毒蛋白（以PrPsc表示）是由于正常的蛋白PrPc改变
18、其折叠状态所致；而PrPc仍是基因编码产生的一种糖蛋白， PrPsc并不是遗传信息的携带者。因此，由引起的疾病又被称为构象病。第三节第三节 微生物作为遗传学材料的优越性微生物作为遗传学材料的优越性 果蝇复眼色素的合成复杂，每一步都需要一种酶。当某一基因果蝇复眼色素的合成复杂，每一步都需要一种酶。当某一基因发生了突变，相应的一个酶促反应便不能进行。发生了突变，相应的一个酶促反应便不能进行。 怎样进一步研究基因的作用呢？要得到足够量的复眼色素，必怎样进一步研究基因的作用呢？要得到足够量的复眼色素，必须饲养成百万头果蝇。须饲养成百万头果蝇。能否用别的便于大量培养的生物来代替果能否用别的便于大量培养的
19、生物来代替果蝇？蝇？ 复眼色素是十分复杂的物质，复眼色素是十分复杂的物质，能否采用便于分析的性状进行基能否采用便于分析的性状进行基因作用的研究呢？因作用的研究呢？如氨基酸、维生素等。如氨基酸、维生素等。 二倍体中，生物有显性关系，使二倍体中，生物有显性关系，使隐性突变掩盖隐性突变掩盖（微生物一般是单微生物一般是单倍体，便于建立纯系，便于观察基因分离）倍体，便于建立纯系，便于观察基因分离）微生物的优越性：微生物的优越性： 独特的生物学特性：独特的生物学特性： 单细胞，单倍体，易培养，无性系，繁殖迅速； 便于获得营养缺陷型：便于获得营养缺陷型：脉孢菌VB6缺陷型； 能被用作研究复杂体制生物的简单的
20、遗传学能被用作研究复杂体制生物的简单的遗传学模型模型第四节第四节 微生物遗传控制与发酵工业微生物遗传控制与发酵工业 育种：通过育种：通过 系统选择、系统选择、 诱变、诱变、 杂交、杂交、 原生质体融合原生质体融合 体外基因重组体外基因重组 等技术等技术培育具有人们所需要遗传性质的生物的过程培育具有人们所需要遗传性质的生物的过程应根据代谢调节理论，改变微生物的遗传特性：应根据代谢调节理论，改变微生物的遗传特性： 营养缺陷型突变株：营养缺陷型突变株： 某种酶的合成缺陷，途径被切断，使代谢流某种酶的合成缺陷，途径被切断，使代谢流 汇向目的产物，汇向目的产物， 同时也能解除反馈调节作用；同时也能解除反
21、馈调节作用； 抗代谢类似物突变株：抗代谢类似物突变株： 某些受反馈调节的酶的结构改变，不再受相某些受反馈调节的酶的结构改变，不再受相 应的代谢产物的反馈调节；应的代谢产物的反馈调节； 渗漏突变型：渗漏突变型：改变细胞膜的通透性；改变细胞膜的通透性；也能通过引入不同菌株的也能通过引入不同菌株的特定结构基因、启动基因、特定结构基因、启动基因、或增加基因的数量和转录翻译活性或增加基因的数量和转录翻译活性等，以改变微生物等，以改变微生物的遗传特性。的遗传特性。第二章第二章 微生物遗传物质微生物遗传物质 第一节第一节 DNA的结构和复制的结构和复制一、一、DNA的结构的结构1. DNA的一级结构的一级结
22、构DNA的一级结构即指碱基顺序。2. DNA的二级结构的二级结构包括B-DNA、A-DNA和Z-DNA三种。3. DNA的三级结构的三级结构有多种形式，其中以超螺旋最常见。当超螺旋旋转方向和双螺旋方向相反时，即为左手螺旋，或负超螺旋。反之为右手螺旋或正超螺旋。二、二、DNA的复制特点和几种主要复制方式的复制特点和几种主要复制方式1. DNA的复制是以的复制是以半保留方式半保留方式进行复制。进行复制。2. 复制起点、复制方向和复制单位复制起点、复制方向和复制单位(1)复制起点复制起点(origin of replication)：DNA复制开始时在DNA分子上的特定部位。通常原核生物和质粒的复制
23、起点以ori表示。原核生物的DNA一般只有一个复制起点。真核生物染色体上有多个复制起点，真核生物的复制起点通常称为自主复制序列(autonomously replicatory sequence,简称ARS)。(2)复制子复制子(replicon)：每一个复制起点及其复制区则为一个复制单位，称为复制子复制子。真核生物染色体含有多个复制子多个复制子，原核细胞的一个染色体上只有一个复制子一个复制子。(3)复制方向复制方向：主要有双向双向和单向单向复制两种方式。单向复制从一个起点开始，以同一方向合成两条链，形成一个复制叉。双向复制从一个起点开始，沿两个相反的方向各合成两条链，形成两个复制叉。大多数生
24、物染色体DNA的复制是双向双向的，并且是对称对称的。3. 复制的几种主要方式复制的几种主要方式线性双链DNA的复制一般是双向复制，根据复制起点的多少又可分为：(1)双向单点复制(2)双向多点复制环状双链DNA的复制，可分为：(1) 型型复制、(2)滚环型滚环型复制、(3)D型型复制三种类型(1) 型复制型复制 型复制也有双向和单向，大多数为双向而且等速复制，也存在少数双向不等速复制。原核生物原核生物原核生物原核生物DNADNA复制一般复制一般复制一般复制一般按 型方型方式进行双向等速复制式进行双向等速复制。如：E.coliE.coli例外：枯草杆菌枯草杆菌，有固定的起始点，双向不对称复制双向不
25、对称复制（两个复制叉移动是不对称） 双向复制不久后的图象。两个复制叉距离较近，中间形成一个较小的“眼”。这 “眼 ”逐渐扩大，直到复制结束时，两个复制叉在复制起始点的对面位置上汇合(2)滚环复制滚环复制这种复制方式存在于噬菌体(如X174)、细菌质粒等DNA的复制中。滚环复制包括以下几个步骤：(1)(1)亲代双链亲代双链DNADNA的一条链发生断裂，的一条链发生断裂，产生一个自由的产生一个自由的3-OH3-OH末端。末端。(2)(2)以含自由以含自由3-OH3-OH末端的末端的DNADNA为引为引物，以没有断裂的完好物，以没有断裂的完好DNADNA链为模板，链为模板，合成新的合成新的DNADN
26、A链，产生滚环结构。链，产生滚环结构。(3)3(3)3末端不断延长，断裂链的末端不断延长，断裂链的55末端不断被置换而甩出一条单链，末端不断被置换而甩出一条单链，单链可以合成其互补链而成为双链单链可以合成其互补链而成为双链( (下图左下图左) )，也可以以单链的形式存，也可以以单链的形式存在在( (下图右下图右) )。(4)(4)随着反应的循环进行，甩出的单随着反应的循环进行，甩出的单链中就包含着多个拷贝的原始复制链中就包含着多个拷贝的原始复制子。该尾巴按照单位长度断裂就可子。该尾巴按照单位长度断裂就可原始环状复制子。原始环状复制子。对于单链环状对于单链环状DNADNA分子的分子的 X174X
27、174噬菌体，该链为正链，在复制时噬菌体，该链为正链，在复制时首先合成其互补的负链，形成共首先合成其互补的负链，形成共价闭合的双链超螺旋分子；价闭合的双链超螺旋分子；然后再通过滚环复制合成大量然后再通过滚环复制合成大量正链。正链。正链可以包装到噬菌体的蛋白正链可以包装到噬菌体的蛋白质颗粒中以产生子代噬菌体，又质颗粒中以产生子代噬菌体，又可作为模板合成互补的负链，形可作为模板合成互补的负链，形成的环状双链成的环状双链DNADNA，重新参加滚，重新参加滚环复制。环复制。 (3)D环复制环复制D环复制的双链中其中一条链称为重链(H链)，另一条称为轻链(L链)。两条链的复制起点不在一起。复制步骤如下：
28、(1)(1)复制开始时，首先从复制开始时，首先从H H链的复链的复制起点开始，以制起点开始，以L L链为模板合成链为模板合成H H链，原来的链，原来的H H链被置换，形成的链被置换，形成的结构类似结构类似D D字母的形状，该取代字母的形状，该取代环就被称为环就被称为D D环。环。(2)(2)当当H H链合成进行到一半时，链合成进行到一半时，L L链的复制起点暴露出来。链的复制起点暴露出来。(3) L(3) L链以被置换的原来链以被置换的原来H H链为模链为模板合成新的板合成新的L L链，合成方向和链，合成方向和H H链链的合成方向相反；而的合成方向相反；而H H链继续沿链继续沿原来滚环方向合成并置换旧的原来滚环方向合成并置换旧的H H链，直到链，直到H H链被完全置换。链被完全置换。(4) L(4) L链合成继续进行，直到完链合成继续进行，直到完成。成。总结：以板书形式总结：以板书形式第一授课单元结束
