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1、第第第第7 7章章章章 微生物的遗传微生物的遗传微生物的遗传微生物的遗传第五节第五节细菌基因转移和重组细菌基因转移和重组第一节第一节遗传变异的物质基础遗传变异的物质基础第四节第四节 基因突变及修复基因突变及修复第二节第二节微生物的基因组结构微生物的基因组结构第三节第三节 质粒质粒遗传（遗传（inheritance）和变异（）和变异（variation）是生命的最本质特性之一）是生命的最本质特性之一遗传型遗传型：表型（表现型）表型（表现型）：生物的全部遗传因子生物的全部遗传因子,即基因组所携带的所有遗传信息即基因组所携带的所有遗传信息具有一定遗传型的个体，在特定环境条件具有一定遗传型的个体，在特
2、定环境条件下通过生长发育所表现出来的形态等生物下通过生长发育所表现出来的形态等生物学特征的总和。学特征的总和。表型是由遗传型所决定，但也和环境有关。表型是由遗传型所决定，但也和环境有关。第第第第7 7章章章章 微生物的遗传微生物的遗传微生物的遗传微生物的遗传表型饰变：表型饰变：表型的差异只与环境有关表型的差异只与环境有关特点：表现为全部个体的行为特点：表现为全部个体的行为,不涉及遗传物质不涉及遗传物质结构改变结构改变,只发生在转录只发生在转录,翻译水平上的表型变化翻译水平上的表型变化.橘生淮南则为橘，生于淮北则为枳。橘生淮南则为橘，生于淮北则为枳。表型饰变：表型饰变：Productionofa
3、redpigment(prodigiosin)bySerratiamarcescens.Fromlefttoright:slantculturegrownat25C,slantculturegrownat37C,brothculturegrownat25C,brothculturegrownat37C.遗传型变异（基因变异、基因突变）：遗传型变异（基因变异、基因突变）：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或数量的改变. .（自发突变频率通常为（自发突变频率通常为1010-6-6-10-10-9-9）微生物在遗传学研究中
4、担当重要角色：微生物在遗传学研究中担当重要角色：t微生物细胞结构简单，营养体一般为单倍体，方便建立纯系。微生物细胞结构简单，营养体一般为单倍体，方便建立纯系。t很多常见微生物都易于人工培养，快速、大量生长繁殖很多常见微生物都易于人工培养，快速、大量生长繁殖。t对环境因素的作用敏感，易于获得各类突变株，操作性强。对环境因素的作用敏感，易于获得各类突变株，操作性强。生长周期、孟德尔第一节第一节遗传变异的物质基础遗传变异的物质基础一、一、DNA作为遗传物质作为遗传物质二、二、RNA作为遗传物质作为遗传物质三、朊病毒的发现与思考三、朊病毒的发现与思考第一节第一节遗传变异的物质基础遗传变异的物质基础一、
5、一、DNA作为遗传物质作为遗传物质1、经典转化实验、经典转化实验(F.Griffith1928年年)肺炎链球菌：肺炎链球菌：S型型（菌体具荚膜，菌落表面光滑，有致病能力）（菌体具荚膜，菌落表面光滑，有致病能力）R型型（菌体无荚膜，菌落表面粗糙，无（菌体无荚膜，菌落表面粗糙，无致病能力）致病能力）一、一、DNA作为遗传物质作为遗传物质第一节第一节遗传的物质基础遗传的物质基础分别用降解分别用降解DNADNA、RNARNA、蛋白质的酶、蛋白质的酶作用于有毒的作用于有毒的S S型菌细胞抽提物型菌细胞抽提物只有只有DNADNA被酶降解破坏的抽提物无转化活性被酶降解破坏的抽提物无转化活性DNADNA是转化
6、所必需的转化因子是转化所必需的转化因子第一节第一节遗传的物质基础遗传的物质基础AveryAvery在四十年代以更精密的实验设计重复了以上实验在四十年代以更精密的实验设计重复了以上实验一、一、DNA作为遗传物质作为遗传物质第一节第一节遗传的物质基础遗传的物质基础 1944 1944年，年，AveryAvery证实证实DNADNA是遗传物质，这是是遗传物质，这是2020世纪生物科世纪生物科学的重大发现，现代生物学正是建立在这个基础之上。在此学的重大发现，现代生物学正是建立在这个基础之上。在此之后，建立之后，建立DNADNA分子结构模型的科学家获得了诺贝尔奖，阐分子结构模型的科学家获得了诺贝尔奖，阐
7、述述DNADNA生物合成机理的科学家获得了诺贝尔奖，发明生物合成机理的科学家获得了诺贝尔奖，发明DNADNA复制复制技术的科学家也获得了诺贝尔奖。可是，技术的科学家也获得了诺贝尔奖。可是，DNADNA的发现者或确的发现者或确定者始终没有被授予诺贝尔奖。定者始终没有被授予诺贝尔奖。AveryAvery完成这项惊世之作时完成这项惊世之作时已经已经6767岁岁, , 当诺贝尔奖委员会认识到他的发现伟大之时，他当诺贝尔奖委员会认识到他的发现伟大之时，他已经谢世了。已经谢世了。第一节 遗传的物质基础2、噬菌体感染实验、噬菌体感染实验(A.D.Hershey和和M.Chase1952年年)把把携带有噬菌体
8、的携带有噬菌体的E.coli培养在含培养在含32P和和35S作为磷源作为磷源和硫源的培养基中和硫源的培养基中,从而制备出含从而制备出含32P-DNA的核心和含的核心和含35S-蛋白质外壳的噬菌体蛋白质外壳的噬菌体,接下来进行以下实验接下来进行以下实验:第一节第一节遗传的物质基础遗传的物质基础T2噬噬菌菌体体感感染染实实验验（ 1952年年）第一节第一节遗传的物质基础遗传的物质基础二、二、RNA作为遗传物质作为遗传物质植物病毒的重建实验植物病毒的重建实验(H.Fraenkel-Conrat1956年年)材料材料:烟草花叶病毒烟草花叶病毒(tobaccomosaicvirusTMV)霍氏车前花叶病
9、毒霍氏车前花叶病毒(HolmesribgrassvirusHRV)第一节第一节遗传的物质基础遗传的物质基础二、二、RNA作为遗传物质作为遗传物质第一节第一节遗传的物质基础遗传的物质基础三、朊病毒的发现与思考三、朊病毒的发现与思考亚病毒的一种：具有传染性的蛋白质致病因子，迄今为止尚未亚病毒的一种：具有传染性的蛋白质致病因子，迄今为止尚未发现该蛋白内含有核酸。发现该蛋白内含有核酸。其致病作用是由于动物体内正常的蛋白质其致病作用是由于动物体内正常的蛋白质PrPc改变折叠状态为改变折叠状态为PrPsc所致，而这二种蛋白质的一级结构并没有改变。所致，而这二种蛋白质的一级结构并没有改变。第一节第一节遗传的
10、物质基础遗传的物质基础三、朊病毒的发现与思考三、朊病毒的发现与思考人的库鲁病人的库鲁病(kuru)、克雅氏病、克雅氏病(CreutzfeldtJakobdisease,CJD)等等羊搔痒症羊搔痒症(scrapie)牛海绵状脑病牛海绵状脑病(spongiformencephalopathy)引起人与动物的致死性中枢神经系统疾病引起人与动物的致死性中枢神经系统疾病Prusiner (1982)Prusiner (1982)提出提出羊搔痒病因子羊搔痒病因子是一种蛋白质侵染颗粒是一种蛋白质侵染颗粒（proteinaceous infectious particleproteinaceous infec
11、tious particle），并将之称做），并将之称做PrionPrion或或VirinoVirino。 -朊病毒朊病毒1997年，Stanley B. Prusiner荣获诺贝尔奖第一节第一节遗传的物质基础遗传的物质基础三、朊病毒的发现与思考三、朊病毒的发现与思考1）蛋白质是否可以作为遗传物质？）蛋白质是否可以作为遗传物质？prion是生命的一个特例？还是仅仅为表达调控的一种形式？是生命的一个特例？还是仅仅为表达调控的一种形式？2）蛋白质折叠与功能的关系？）蛋白质折叠与功能的关系？DNARNARNA蛋白质蛋白质第二节第二节微生物的基因组结构微生物的基因组结构一、概念一、概念基因组（基因组（
12、genomegenome）：）：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（如细菌），多为单倍体原核生物（如细菌），多为单倍体（在一般情况下只有一条染色体）（在一般情况下只有一条染色体）真核微生物，多条染色体，真核微生物，多条染色体，例如啤酒酵母有例如啤酒酵母有1616条染色体。条染色体。有时为双倍体有时为双倍体第二节第二节微生物的基因组结构微生物的基因组结构二、微生物与人类基因组计划二、微生物与人类基因组计划人类基因组计划人类基因组计划（HumanGenomeProject）1985年提出；年提出；1990年正式开始实
13、施；年正式开始实施；2001年年2月，测序工作完成；月，测序工作完成；后基因组时代（后基因组时代（PostgenomeEra）第二节第二节微生物的基因组结构微生物的基因组结构二、微生物与人类基因组计划二、微生物与人类基因组计划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，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，最开始是作为模式生物，后来不断发展，已成为研究微生物学最开始是作为模式生物，后来不断发展，已成为研究微生物学的最有力的手段。的最有力的手段。第二节第二节微生物的基因组结构微生物的基因组结构二、微生物与人类基因组计划二、微生物与人类基因组计划被选择进行全基因组测序的微
14、生物：被选择进行全基因组测序的微生物：1、人类基因组计划中的模式生物、人类基因组计划中的模式生物2、与人类生活关系密切的微生物、与人类生活关系密切的微生物重要的致病菌及一些工业生产菌重要的致病菌及一些工业生产菌3、对阐明生物学基本问题有价值的微生物、对阐明生物学基本问题有价值的微生物例如一些古生菌：如例如一些古生菌：如Methanococcusjannaschii(詹氏甲烷球菌詹氏甲烷球菌)等，它们是微生等，它们是微生物世界多样性的代表，它们的序列比较有助于找出其进化关系。物世界多样性的代表，它们的序列比较有助于找出其进化关系。第二节 微生物的基因组结构三、微生物基因组结构的特点三、微生物基因
15、组结构的特点1、原核生物（细菌、古生菌）的基因组、原核生物（细菌、古生菌）的基因组1）染色体为）染色体为双链环状的双链环状的DNA分子（单倍体）；分子（单倍体）；第二节第二节微生物的基因组结构微生物的基因组结构三、微生物基因组结构的特点三、微生物基因组结构的特点1、原核生物（细菌、古生菌）的基因组、原核生物（细菌、古生菌）的基因组1）染色体为）染色体为双链环状的双链环状的DNA分子（单倍体）；分子（单倍体）；2）基因组上遗传信息具有连续性；）基因组上遗传信息具有连续性；微生物基因组微生物基因组DNA绝大部分用来编码蛋白质、绝大部分用来编码蛋白质、RNA；用作为复制；用作为复制起点、启动子、终止
16、子和一些由调节蛋白识别和结合的位点等信起点、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。号序列。一般不含内含子，遗传信息是连续的而不是中断的。一般不含内含子，遗传信息是连续的而不是中断的。真核生物基因组的一个重要特点就是含有内含子真核生物基因组的一个重要特点就是含有内含子第二节第二节微生物的基因组结构微生物的基因组结构三、微生物基因组结构的特点三、微生物基因组结构的特点1、原核生物（细菌、古生菌）的基因组、原核生物（细菌、古生菌）的基因组第二节第二节微生物的基因组结构微生物的基因组结构三、微生物基因组结构的特点三、微生物基因组结构的特点1、原核生物（细菌、古生菌）的基因组、原核生
17、物（细菌、古生菌）的基因组1）染色体为）染色体为双链环状的双链环状的DNA分子（单倍体）；分子（单倍体）；2）基因组上遗传信息具有连续性；）基因组上遗传信息具有连续性；3）功能相关的结构基因组成操纵子结构；）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）结构基因的单拷贝及rRNA基因的多拷贝；基因的多拷贝；5）基因组的重复序列少而短；）基因组的重复序列少而短；操纵子（操纵子（operonoperon）：）：功能相关的几个基因前后相连，再加上一个共同的调节基因和一组功能相关的几个基因前后相连，再加上一个共同的调节基因和一组共同的控制位点（启动子、操作子等）在基因转录时协同动作。共同的
18、控制位点（启动子、操作子等）在基因转录时协同动作。操纵子（操纵子（operonoperon）：）：功能相关的几个基因前后相连，再加上一个共同的调节基因和一组功能相关的几个基因前后相连，再加上一个共同的调节基因和一组共同的控制位点（启动子、操作子等）在基因转录时协同动作。共同的控制位点（启动子、操作子等）在基因转录时协同动作。第二节第二节微生物的基因组结构微生物的基因组结构三、微生物基因组结构的特点三、微生物基因组结构的特点2、真核微生物（啤酒酵母）的基因组、真核微生物（啤酒酵母）的基因组1）典型的真核染色体结构；）典型的真核染色体结构；2）没有明显的操纵子结构；）没有明显的操纵子结构；啤酒酵母
19、基因组大小为啤酒酵母基因组大小为13.5106bp，分布在，分布在16条染色体中。条染色体中。3）有间隔区（即非编码区）和内含子序列；）有间隔区（即非编码区）和内含子序列；4）重复序列多；）重复序列多；第三节第三节质粒质粒质粒（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。转座因子（转座因子（transposableelement）：）：位于染色体或质粒上的一段能改变自身位置的DNA序列，广泛分布于原核和真核细胞中。质粒和转座因子是细胞中除染色体以外的另外两类遗传因子质粒和转座因子是细胞中除染色体以外的另外两类遗传因子第三节第三节质
20、粒质粒一、质粒的分子结构一、质粒的分子结构通常以共价闭合环状通常以共价闭合环状(covalentlyclosedcircle，简称，简称CCC)的的超螺旋双链超螺旋双链DNA分子存在于细胞中；分子存在于细胞中；也发现有线型双链也发现有线型双链DNA质粒和质粒和RNA质粒；质粒；质粒分子的大小范围多在质粒分子的大小范围多在1kb到到100Kb左右；左右；第三节第三节质质粒粒二、质粒的主要类型二、质粒的主要类型在某些特殊条件下，质粒有时能赋予宿主细胞以特殊的机能，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。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
21、需的；质粒所含的基因对宿主细胞一般是非必需的；二、质粒的主要类型二、质粒的主要类型1、致育因子致育因子(Fertilityfactor，F因子因子)又称又称F质粒，其大小约质粒，其大小约100kb，这是最早发现的一种与大肠杆菌，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。的有性生殖现象（接合作用）有关的质粒。携带携带F质粒的菌株称为质粒的菌株称为F+菌株菌株（相当于雄性），无（相当于雄性），无F质粒的质粒的菌株称为菌株称为F-菌株（相当于雌性）。菌株（相当于雌性）。第三节第三节质质粒粒二、质粒的主要类型二、质粒的主要类型1、致育因子致育因子(Fertilityfactor
22、，F因子因子)F因子能以游离状态因子能以游离状态(F+)和和以与染色体相结合的状态以与染色体相结合的状态(Hfr)存在于细胞中存在于细胞中.有关内容在讲细菌的接合作用有关内容在讲细菌的接合作用（conjugation）时具体介绍）时具体介绍第三节第三节质质粒粒2、抗性因子（抗性因子（Resistancefactor，R因子）因子）主要包括抗药性和抗重金属二大类，简称主要包括抗药性和抗重金属二大类，简称R质粒。质粒。R100质粒质粒(89kb)可使宿主对可使宿主对下列药物及重金属具有抗性：下列药物及重金属具有抗性：汞（汞（mercuricion，mer）四环素（四环素（tetracycline，
23、tet）链霉素链霉素(Streptomycin,Str)、磺胺磺胺(Sulfonamide,Su)、氯霉素氯霉素(Chlorampenicol,Cm)夫西地酸（夫西地酸（fusidicacid，fus）并且负责这些抗性的基因是并且负责这些抗性的基因是成簇地存在于抗性质粒上。成簇地存在于抗性质粒上。抗性质粒在细菌间的传递是细菌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。产生抗药性的重要原因之一。第三节第三节质质粒粒二、质粒的主要类型二、质粒的主要类型3、产细菌素的质粒（产细菌素的质粒（Bacteriocinproductionplasmid）第三节第三节质质粒粒二、质粒的主要类型二、质
24、粒的主要类型4、毒性质粒（毒性质粒（virulenceplasmid）许多致病菌的致病性是由其所携带的质粒引起的，这些质粒许多致病菌的致病性是由其所携带的质粒引起的，这些质粒具有编码毒素的基因，其产物对宿主（动物、植物）造成伤害。具有编码毒素的基因，其产物对宿主（动物、植物）造成伤害。产毒素大肠杆菌是引起人类和动物腹泻的主要病原菌之一，产毒素大肠杆菌是引起人类和动物腹泻的主要病原菌之一，其中许多菌株含有为一种或多种肠毒素编码的质粒。其中许多菌株含有为一种或多种肠毒素编码的质粒。苏云金杆菌含有编码苏云金杆菌含有编码内毒素内毒素(伴孢晶体中伴孢晶体中)的质粒的质粒第三节第三节质质粒粒二、质粒的主要
25、类型二、质粒的主要类型5、代谢质粒（Metabolic plasmid）质粒上携带有有利于微生物生存的基因，如能降解某些基质质粒上携带有有利于微生物生存的基因，如能降解某些基质的酶，进行共生固氮，或产生抗生素（某些放线菌）等。的酶，进行共生固氮，或产生抗生素（某些放线菌）等。将复杂的有机化合物降解成能被其作为碳源和能源利用将复杂的有机化合物降解成能被其作为碳源和能源利用的简单形式，环境保护方面具有重要的意义。的简单形式，环境保护方面具有重要的意义。假单胞菌：假单胞菌：具有降解一些有毒化合物，如芳香簇化合物具有降解一些有毒化合物，如芳香簇化合物(苯苯)、农药、农药(2,4-dichlorophe
26、noxyaceticacid)、辛烷和樟脑等的能力。、辛烷和樟脑等的能力。降解质粒：降解质粒：第三节第三节质质粒粒二、质粒的主要类型二、质粒的主要类型6、隐秘质粒（隐秘质粒（crypticplasmid）隐秘质粒不显示任何表型效应，它们的存在只有通过物理的隐秘质粒不显示任何表型效应，它们的存在只有通过物理的方法，例如用凝胶电泳检测细胞抽提液等方法才能发现方法，例如用凝胶电泳检测细胞抽提液等方法才能发现.它们存在的生物学意义，目前几乎不了解。它们存在的生物学意义，目前几乎不了解。在应用上，很多隐秘质粒被加以改造作为基因工程的载体在应用上，很多隐秘质粒被加以改造作为基因工程的载体（一般加上抗性基因
27、）（一般加上抗性基因）第三节第三节质质粒粒二、质粒的主要类型二、质粒的主要类型第四节第四节基因突变及修复基因突变及修复一个基因内部遗传结构或一个基因内部遗传结构或DNA序列的任何改变序列的任何改变基因突变：基因突变是重要的生物学现象，它是一切生物变化的根源，连同基因突变是重要的生物学现象，它是一切生物变化的根源，连同基因转移、重组一起提供了推动生物进化的遗传多变性。基因转移、重组一起提供了推动生物进化的遗传多变性。突变突变自发突变自发突变诱发突变诱发突变环境因素的影响，环境因素的影响，DNA复制过程的偶然错误等复制过程的偶然错误等而导致，一般频率较低，通常为而导致，一般频率较低，通常为10-6
28、-10-9。某些物理、化学因素对生物体的某些物理、化学因素对生物体的DNA进行直接进行直接作用，突变以较高的频率产生。作用，突变以较高的频率产生。基因突变基因突变狭义：点突变狭义：点突变广义：基因突变和染色体畸变广义：基因突变和染色体畸变第四节第四节基因突变及修复基因突变及修复基因突变：1、特点1）自发性）自发性2）非对应性）非对应性3）稀有性）稀有性4）独立性）独立性5）遗传和回复性）遗传和回复性6）可诱变性）可诱变性第四节第四节基因突变及修复基因突变及修复一、基因突变的特点一、基因突变的特点如何证明基因突变的 自发性和非对应性？三个经典实验变量实验、涂布实验、影印实验一、基因突变的特点一、
29、基因突变的特点2、实验证据证明突变是自发产生的，并且突变的性状与引起突变的原因间无直接对应关系。变量实验（变量实验（fluctuationanalysis）SalvadorLuriaandMaxDelbruck（1943） 实验要点实验要点: : 1, 1, 甲乙两试管各装甲乙两试管各装10mL10mL对噬菌体敏感的对噬菌体敏感的10103 3/mL/mL大肠杆菌培养物大肠杆菌培养物. . 2, 2, 甲管中培养物分装甲管中培养物分装5050小管小管, , 保温保温24-3624-36小时小时. (. (每管每管0.20.2毫升毫升) ) 乙管中培养物不分装乙管中培养物不分装, , 直接保温直
30、接保温24-3624-36小时小时. . 3, 3, 甲管实验中甲管实验中,50,50小管涂布在小管涂布在5050个含有大肠杆菌噬菌体的平板上个含有大肠杆菌噬菌体的平板上. . 对乙管对乙管, ,分别取分别取0.20.2毫升毫升, ,也涂布在也涂布在5050个同样的平板上个同样的平板上. . 4, 4, 因为每个平板上涂的大肠杆菌数量是相同的因为每个平板上涂的大肠杆菌数量是相同的, , 如果突变与选择如果突变与选择 性压力有关性压力有关( (也就是说也就是说, , 如果抗噬菌体的大肠杆菌菌落的出现如果抗噬菌体的大肠杆菌菌落的出现, , 和噬菌体的存在有关和噬菌体的存在有关), ), 那么甲管实
31、验所涂的平板那么甲管实验所涂的平板, , 和乙管实和乙管实 验所涂的平板验所涂的平板, ,抗性菌落的数量应该没有统计学上的差异抗性菌落的数量应该没有统计学上的差异. . 变量实验（变量实验（fluctuationanalysis）SalvadorLuriaandMaxDelbruck（1943）Newcombe的涂布实验（的涂布实验（1949）第四节第四节基因突变及修复基因突变及修复二、常见的微生物突变类型二、常见的微生物突变类型表型表型基因型基因型这里主要介绍几种常用的由于基因突变而造成微生物表型变化这里主要介绍几种常用的由于基因突变而造成微生物表型变化的突变型及其分离的突变型及其分离二、常
32、见的微生物突变类型二、常见的微生物突变类型1）营养缺陷型（）营养缺陷型（auxotroph）一种缺乏合成其生存所必须的营养物（包括氨基酸、维生素一种缺乏合成其生存所必须的营养物（包括氨基酸、维生素、碱基等）的突变型，只有从周围环境或培养基中获得这些、碱基等）的突变型，只有从周围环境或培养基中获得这些营养或其前体物（营养或其前体物（precursor）才能生长。）才能生长。营养缺陷型是微生物遗传学研究中重要的选择标记和营养缺陷型是微生物遗传学研究中重要的选择标记和育种的重要手段育种的重要手段表型判断的标准：表型判断的标准：在基本培养基上能否生长在基本培养基上能否生长第四节第四节基因突变及修复基因
33、突变及修复二、常见的微生物突变类型二、常见的微生物突变类型1）营养缺陷型（）营养缺陷型（auxotroph）特点：特点：在选择培养基（一般为基本培养基）上不生长在选择培养基（一般为基本培养基）上不生长负选择标记负选择标记突变株不能通过选择平板直接获得突变株不能通过选择平板直接获得第四节第四节基因突变及修复基因突变及修复1）营养缺陷型（）营养缺陷型（auxotroph）野生型：从自然界分离到的，没有发生人为营养缺陷突变的野生型：从自然界分离到的，没有发生人为营养缺陷突变的原始菌株。原始菌株。野生型野生型营养缺陷型营养缺陷型基因突变具有可回复性基因突变具有可回复性原养型原养型原养型：一般指营养缺陷
34、型突变株经回复突变或重组后产生原养型：一般指营养缺陷型突变株经回复突变或重组后产生的菌株，其营养要求在表型上与野生型相同。的菌株，其营养要求在表型上与野生型相同。第四节第四节基因突变及修复基因突变及修复二、常见的微生物突变类型二、常见的微生物突变类型营养缺陷型的表示方法：营养缺陷型的表示方法：1）营养缺陷型（）营养缺陷型（auxotroph）基因型：所需营养物的前三个英文小写斜体字母表示：所需营养物的前三个英文小写斜体字母表示：his（组氨酸缺陷型（组氨酸缺陷型）在具体使用时多用在具体使用时多用his-和和his+，分别表示缺陷型和野生型。，分别表示缺陷型和野生型。第四节第四节基因突变及修复基
35、因突变及修复二、常见的微生物突变类型二、常见的微生物突变类型2）抗药性突变型（）抗药性突变型（resistantmutant）基因突变使菌株对某种或某几种药物，特别是抗生素，产生抗性。基因突变使菌株对某种或某几种药物，特别是抗生素，产生抗性。特点：特点：正选择标记正选择标记（突变株可直接从抗性平板上获得（突变株可直接从抗性平板上获得-在加有相应抗生素的在加有相应抗生素的平板上，只有抗性突变能生长。所以很容易分离得到。）平板上，只有抗性突变能生长。所以很容易分离得到。）表示方法：表示方法：所抗药物的前三个小写斜体英文字母加上所抗药物的前三个小写斜体英文字母加上“r”表示表示strr和和strs分
36、别表示对链霉素的抗性和敏感性分别表示对链霉素的抗性和敏感性第四节第四节基因突变及修复基因突变及修复二、常见的微生物突变类型二、常见的微生物突变类型3）条件致死突变型（）条件致死突变型（conditionallethalmutant） 在某一条件下具有致死效应，而在另一条件下没有致死在某一条件下具有致死效应，而在另一条件下没有致死效应的突变型。效应的突变型。常用的条件致死突变是温度敏感突变，用常用的条件致死突变是温度敏感突变，用ts（temperaturesensitive）表示，这类突变在高温下（如）表示，这类突变在高温下（如42）是致死的，但可以在低温（如）是致死的，但可以在低温（如25-3
37、0）下得到这种突变。）下得到这种突变。特点：特点： 负选择标记负选择标记这类突变型常被用来分离生长繁殖必需的突变基因这类突变型常被用来分离生长繁殖必需的突变基因第四节第四节基因突变及修复基因突变及修复二、常见的微生物突变类型二、常见的微生物突变类型4）形态突变型（）形态突变型（morphologicalmutant）造成形态改变的突变型造成形态改变的突变型特点：特点：非选择性突变非选择性突变突变株和野生型菌株均可生长，但可从形态特征上进行区分。突变株和野生型菌株均可生长，但可从形态特征上进行区分。举例：举例：产蛋白酶缺陷突变株的筛选产蛋白酶缺陷突变株的筛选菌落颜色变化菌落颜色变化半乳糖苷酶基因
38、的插入失活，使重组子菌落为白色而半乳糖苷酶基因的插入失活，使重组子菌落为白色而与兰色的非重组子分开。与兰色的非重组子分开。第四节第四节基因突变及修复基因突变及修复二、常见的微生物突变类型二、常见的微生物突变类型5）其它突变类型）其它突变类型抗原突变型、产量突变型抗原突变型、产量突变型第四节第四节基因突变及修复基因突变及修复二、常见的微生物突变类型二、常见的微生物突变类型三、诱变剂与致癌物质三、诱变剂与致癌物质Ames试验试验a）利用各种诱变剂获得各类遗传突变，进行诱变育种；）利用各种诱变剂获得各类遗传突变，进行诱变育种；c）危害人类自身的健康）危害人类自身的健康b）对有害微生物进行控制；）对有
39、害微生物进行控制；很多种化学物质，能以各种机制导致很多种化学物质，能以各种机制导致DNA的突变的突变第四节第四节基因突变及修复基因突变及修复“生物化学统一性生物化学统一性”法则：人和细菌在人和细菌在DNA的结构及特性方面是一的结构及特性方面是一致的，能使微生物发生突变的诱变剂必然致的，能使微生物发生突变的诱变剂必然也会作用于人的也会作用于人的DNA，使其发生突变，使其发生突变，最后造成癌变或其他不良的后果。最后造成癌变或其他不良的后果。诱变剂的共性原则：化学药剂对细菌的诱变率化学药剂对细菌的诱变率与其对动物的致癌性成正比与其对动物的致癌性成正比 超过95%的致癌物质对微生物有诱变作用90%以上
40、的非致癌物质对微生物没有诱变作用回复突变回复突变(reversemutation或或backmutation)：突变体失去的野生型性状，可以通过第二次突变突变体失去的野生型性状，可以通过第二次突变得到恢复，这种第二次突变称为回复突变得到恢复，这种第二次突变称为回复突变美国加利福尼亚大学的美国加利福尼亚大学的BruceAmes教授于教授于1966年发年发明，因此称为明，因此称为Ames试验试验具体操作：检测具体操作：检测鼠伤寒沙门氏菌鼠伤寒沙门氏菌(Salmonellatyphmurium)组氨酸营养缺陷型菌株组氨酸营养缺陷型菌株(his-)的回复突变率的回复突变率Ames试验由于生物体内、体外
41、可能存在的差异，可在体外加入哺乳由于生物体内、体外可能存在的差异，可在体外加入哺乳动物（如大鼠）微粒体酶系统，使待测物活化，使动物（如大鼠）微粒体酶系统，使待测物活化，使Ames试试验的准确率达验的准确率达80-90%。第四节第四节基因突变及修复基因突变及修复三、诱变剂与致癌物质三、诱变剂与致癌物质Ames试验试验证明证明Ames试验重要性的应用实例：试验重要性的应用实例：国外曾开发了一种降低妇女妊娠反应的药物“反应停”，由于其药效显著，在60-70年代十分流行，但随后人们就发现畸形儿的出生率明显增高，而且生产畸形儿的妇女大多曾服用“反应停”，后来采用Ames试验发现这种物质的确具有很强的致突
42、变作用，因此这种药物被禁止使用.但如果能在这种药物上市之前就进行Ames试验检测，那么这种大量出生畸形儿的悲剧完全可以避免。第五节第五节细菌基因转移和重组细菌基因转移和重组细菌的三种水平基因转移形式接合转导自然转化一、细菌的接合作用(conjugation)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1.实验证据1946年，Joshua Lederberg 和Edward L.Taturm细菌的多重营养缺陷型杂交实验细菌的多重营养缺陷型杂交实验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 ）2. 机制(大肠杆菌的接合机制)接合作用是由一种
43、被称为F因子的质粒介导F因子通常为环状, 大小约为细菌组DNA的2%, 94.5kb ，上面有编码细菌产生性菌毛（sex pili）及控制接合过程进行的20多个基因。含有含有F因子的细胞：因子的细胞：“雄性雄性”菌株（菌株（F+），其细胞表面有性菌毛），其细胞表面有性菌毛 不含不含F因子的细胞：因子的细胞：“雌性雌性”菌株（菌株（F-），细胞表面没有性菌毛），细胞表面没有性菌毛2. 机制F因子为附加体质粒因子为附加体质粒既可以脱离染色体在细胞内独立存在，也可插入（整合）到染色体上既可以脱离染色体在细胞内独立存在，也可插入（整合）到染色体上F因子的四种细胞形式 a）F-菌株，菌株，不含不含F因子
44、，没有性菌毛，但可以通过因子，没有性菌毛，但可以通过接合作用接收接合作用接收F因子而变成雄性菌株（因子而变成雄性菌株（F+）；）；b）F+菌株，菌株，F因子独立存在，细胞表面有性菌毛。因子独立存在，细胞表面有性菌毛。c c）HfrHfr菌株，菌株，F F因子插入到染色体因子插入到染色体DNADNA上上，细胞表面有性菌毛。，细胞表面有性菌毛。d d）FF菌株，菌株，Hfr菌株内的菌株内的F因子因不正常切割而脱离染色体时，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形成游离的但携带一小段染色体基因的F因子，特称为因子，特称为F因因子。子。细胞表面同样有性菌毛。细胞表面同样有性
45、菌毛。1） F+F-杂交杂交的结果：杂交的结果：给体细胞和受体细胞均成为给体细胞和受体细胞均成为F+细胞细胞理化因子的处理可将理化因子的处理可将F因子消除而使因子消除而使F+菌株变成菌株变成F-菌株菌株F+菌株的F因子向F-细胞转移，但含F因子的宿主细胞的染色体DNA一般不被转移。2）Hfr F-杂交2）Hfr F-杂交Hfr菌株仍然保持着菌株仍然保持着F+细胞的特征，具有细胞的特征，具有F性菌毛，能够与性菌毛，能够与F-细胞进细胞进行接合。所不同的是，细菌发生接合后，行接合。所不同的是，细菌发生接合后，F因子的先导区因子的先导区(leadingregion)结合着染色体结合着染色体DNA向受
46、体细胞转移，向受体细胞转移，F因子除先导区以外，因子除先导区以外，其余绝大部分是处于转移染色体的末端，由于转移过程常被中断，其余绝大部分是处于转移染色体的末端，由于转移过程常被中断，因此因此F因子不易转入受体细胞中，故因子不易转入受体细胞中，故HfrF-杂交后的受体细胞杂交后的受体细胞(或接合子或接合子)大多数仍然是大多数仍然是F-。HfrHfr菌株的菌株的F F因子插入到染色体因子插入到染色体DNADNA上，因此只要发生接合转移上，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过程，就可以把部分甚至全部细菌染色体传递给F F- -细胞并发生重组细胞并发生重组，由此而得名为，由
47、此而得名为高频重组菌株高频重组菌株。2）Hfr F-杂交染色体上越靠近染色体上越靠近F因子的先导区的基因，进入的机会因子的先导区的基因，进入的机会就越多，在就越多，在F-中出现重组子的频率也高。中出现重组子的频率也高。F因子不易转入受体细胞中，故因子不易转入受体细胞中，故HfrF-杂交后的受体细胞（或称接合子）大多杂交后的受体细胞（或称接合子）大多数仍然是数仍然是F-。3 3）FFF-杂交杂交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，称为F因子;FFF F- -与与F F+ +F F- -的不同：给体的部分染色体基因随的不同：给体的部分染色体基因
48、随FF一起转入受一起转入受体细胞体细胞; ;3 3）F FF-杂交杂交二、细菌的转导（transduction）由噬菌体介导的细菌细胞间进行遗传交换的一种方式：由噬菌体介导的细菌细胞间进行遗传交换的一种方式：一个细胞的一个细胞的DNA通过病毒载体的感染转移到另一个细胞中通过病毒载体的感染转移到另一个细胞中能将一个细菌宿主的部分染色体或质粒DNA带到另一个细菌的噬菌体称为转导噬菌体转导噬菌体细菌转导的二种类型：普遍性转导普遍性转导局限性转导局限性转导1、普遍性转导（、普遍性转导（generalizedtransduction）(1) (1) 意外的发现意外的发现19511951年，年，Joshu
49、a LederbergJoshua Lederberg和和Norton ZinderNorton Zinder为了证实大肠杆菌以外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：的鼠伤寒沙门氏菌进行类似的实验：用用“U U”型管进行同样的实验时，在给体和受体细胞不接触的情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！况下，同样出现原养型细菌！沙门氏菌LT22A是携带P22噬菌体的溶源性细菌 另一株是非溶源性细菌一个表面看起来的常规研究却导致一个表面
50、看起来的常规研究却导致一个惊奇和十分重要发现的重要例证！一个惊奇和十分重要发现的重要例证！基因的传递很可能是由可透过“U”型管滤板的P22噬菌体介导的（普遍性转导这一重要的基因转移途径的发现）（普遍性转导这一重要的基因转移途径的发现）(2) 转导模型噬菌体的噬菌体的DNADNA包装酶包装酶也能识别染色体也能识别染色体DNADNA上类似的位点并进行切割，上类似的位点并进行切割，并把染色体并把染色体DNADNA片段包装进片段包装进P22P22噬菌体外壳，形成只含宿主噬菌体外壳，形成只含宿主DNADNA的转导噬菌体颗粒（假噬菌体）。的转导噬菌体颗粒（假噬菌体）。这种这种“错装错装”机率一般仅约机率一
51、般仅约1010-6-6-10-10-8-8形成转导颗粒的噬菌体可以是温和的也可以是烈性的，但必须形成转导颗粒的噬菌体可以是温和的也可以是烈性的，但必须具有能偶尔识别宿主具有能偶尔识别宿主DNA的包装机制并在宿主基因组完全降解的包装机制并在宿主基因组完全降解以前进行包装。以前进行包装。普遍性转导的基本要求：普遍性转导的三种后果：进入受体的外源进入受体的外源DNA通过与细胞染色体通过与细胞染色体的重组交换而形成稳定的转导子的重组交换而形成稳定的转导子流产转导（流产转导（abortivetransduction）转导转导DNA不能进行重组和复制，但其不能进行重组和复制，但其携带的基因可经过转录而得到
52、表达。携带的基因可经过转录而得到表达。特点：在选择培养基平板上形成微小菌落特点：在选择培养基平板上形成微小菌落外源外源DNA被降解，转导失败。被降解，转导失败。DNA不能复制，因此群体中仅一个细胞含有不能复制，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，形成微小菌落。而其它细胞只能得到其基因产物，形成微小菌落。2、局限性转导（、局限性转导（specializedtransduction）温和噬菌体感染整合到细菌染色体的特定位点上宿主细胞发生溶源化溶源菌因诱导而发生裂解时，在前噬菌体二侧的少数宿主基因因偶尔发生的不正常切割而连在噬菌体DNA上部分缺陷的温和噬菌体把供体菌的少数特
53、定基因转移到受体菌中2、局限性转导（、局限性转导（specializedtransduction）温和噬菌体温和噬菌体裂解时的裂解时的不正常切割：包含不正常切割：包含galgal或或biobio基因基因缺陷噬菌体在宿主细胞内能够象正常的缺陷噬菌体在宿主细胞内能够象正常的DNADNA分子一样进行复制、分子一样进行复制、包装，提供所需要的裂解功能，形成转导颗粒。包装，提供所需要的裂解功能，形成转导颗粒。局限性转导与普遍性转导的主要区别：局限性转导与普遍性转导的主要区别：a）被转导的基因共价地与噬菌体）被转导的基因共价地与噬菌体DNA连接，与噬菌体连接，与噬菌体DNA一起一起进行复制、包装以及被导入
54、受体细胞中。而普遍性转导包装的进行复制、包装以及被导入受体细胞中。而普遍性转导包装的全部是宿主菌的基因。全部是宿主菌的基因。b）局限性转导颗粒携带特定的染色体片段并将固定的个别基因）局限性转导颗粒携带特定的染色体片段并将固定的个别基因导入受体，故称为局限性转导。而普遍性转导携带的宿主基导入受体，故称为局限性转导。而普遍性转导携带的宿主基因具有随机性。因具有随机性。2、局限性转导（、局限性转导（specializedtransduction）C）局限性转导的媒介是温和噬菌体，而普遍性转导的媒介可以是）局限性转导的媒介是温和噬菌体，而普遍性转导的媒介可以是温和噬菌体，也可以是烈性噬菌体。温和噬菌体
55、，也可以是烈性噬菌体。三、细菌的遗传转化（genetic transformation）定义：定义：同源或异源的游离同源或异源的游离DNA分子分子(质粒和染色体质粒和染色体DNA)被自然被自然或人工感受态细胞摄取，并得到表达的水平方向的基因转移过程或人工感受态细胞摄取，并得到表达的水平方向的基因转移过程自然遗传转化（自然遗传转化（naturalgenetictransformation）人工转化（人工转化（artificialtransformation）感受态细胞：感受态细胞：具有摄取外源具有摄取外源DNA能力的细胞能力的细胞（competentcell）自然感受态与人工感受态的不同？自然感
56、受态与人工感受态的不同？自然感受态的出现是细胞一定生长阶段的生理特性， 受细菌自身的基因控制；人工感受态则是通过人为诱导的方法，使细胞具有 摄取DNA的能力，或人为地将DNA导入细胞内。 （该过程与细菌自身的遗传控制无关！该过程与细菌自身的遗传控制无关！）1、自然遗传转化（简称自然转化）1928年，Griffith发现肺炎链球菌（Streptococcus pneumoniae） 的转化现象目前已知有二十多个种的细菌具有自然转化的能力进行自然转化，需要二方面必要的条件：建立了感受态的受体细胞感受态的受体细胞外源游离外源游离DNA分子分子噬菌体DNA被感受态细胞摄取并产生有活性的病毒颗粒转染(t
57、ransfection)：现在把现在把DNA转移至动物细胞的过程也称转染转移至动物细胞的过程也称转染提纯的噬菌体提纯的噬菌体DNA以转化的（而非感染）途径进入细胞以转化的（而非感染）途径进入细胞并表达后产生完整的病毒颗粒。并表达后产生完整的病毒颗粒。特点：特点：2、人工转化、人工转化用CaCl2处理细胞，电穿孔等是常用的人工转化手段。在自然转化的基础上发展和建立的一项细菌基因重组手段，是基因工程的奠基石和基础技术。不是由细菌自身的基因所控制；用多种不同的技术处理受体细胞，使其人为地处于一种可以摄取外源DNA的“人工感受态人工感受态”。质粒的转化效率高；质粒的转化效率高；接合 (conjugation)：细胞与细胞的直接接触（由细胞与细胞的直接接触（由F因子介导）因子介导）转导(transduction)：由噬菌体介导由噬菌体介导自然遗传转化(natural genetic transformation)：游离游离DNA分子分子+感受态细胞感受态细胞“接合接合” “转导转导” 及“自然转化自然转化”这三种在自然界中存在的细菌遗传重组过程各自的特点：a）外源DNA的来源及进入途径有差异；b）决定因素也各有不同；
