第7章微生物遗传.ppt
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1、第八章 微生物遗传,遗传:,亲代与子代相似,变异:,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,遗传型:,表型(表现型):,生物的全部遗传因子及基因,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。,表型是由遗传型所决定,但也和环境有关。,表型饰变:,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,遗传型变异(基因变异、基因突变):,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10-6-10-9 ),微生物是遗传
2、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。,对环境因素的作用敏感,易于获得各类突变株,操作性强。,一、DNA作为遗传物质,第一节 遗传的物质基础,(参见 P204),Avery在四十年代以更精密的实验设计重复了以上实验,分别用降解DNA、RNA、蛋白质的酶 作用于有毒的S型菌细胞抽提物,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,(参见 207),第二节 微生物的基因组结构,一、概念,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(如细菌),
3、多为单倍体(在一般情况下只有一条染色体) 真核微生物,多条染色体,例如啤酒酵母有16条染色体。有时为双倍体,(参见 P207-211),第二节 微生物的基因组结构,二、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,1)染色体为双链环状的DNA分子(单倍体);,链环状的染色体在细胞中以紧密缠绕成的较致密的不规则小体形式 存在于细胞中,该小体称为拟核(nucliod),其上结合有类组蛋白蛋 白质和少量RNA分子,使其压缩成一种脚手架形的致密结构。,例外:布氏疏螺旋体(Borrelia burgdorferi)的染色体是线状的,(参见 P207-211),第二节 微生物的基因组结构,
4、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,1)染色体为双链环状的DNA分子(单倍体);,2)基因组上遗传信息具有连续性;,基因数基本接近由它的基因组大小所估计的基因数,参见表8-1(通常以1000bp1500bp为一个基因进行计算),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。,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,个别细菌(鼠伤寒沙门氏菌和犬螺杆菌)和古生菌的rRNA和tRNA 中也发现有内含子或间插序列,(参见 P 207-21
5、1),第二节 微生物的基因组结构,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,1)染色体为双链环状的DNA分子(单倍体);,2)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;,4)结构基因的单拷贝及rRNA基因的多拷贝;,5)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。,操纵子(operon): 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。,第二节 微生物的基因组结构,三、微生物基因组结构的特点,
6、(参见 P207-211),2、真核微生物(啤酒酵母)的基因组,1)典型的真核染色体结构;,2)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。,3)有间隔区(即非编码区)和内含子序列;,4)重复序列多;,第三节 质粒和转座因子,(参见 P211),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(transposable element):,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二类遗传因子,第三节
7、质粒和转座因子,(参见 P211),一、质粒的分子结构,1、结构,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;,也发现有线型双链DNA质粒和RNA质粒;,质粒分子的大小范围从1kb左右到1000kb; (细菌质粒多在10kb以内),第三节 质粒和转座因子,(参见 P211),一、质粒的分子结构,2、质粒的检测,提取所有胞内DNA后电镜观察;,超速离心或琼脂糖凝胶电泳后观察;,对于实验室常用菌,可用质粒所带的某些特点, 如抗药性初步判断。,第三节 质粒和转座因子,(参见 P212),二、质粒的主要类型,在某些特殊条件下,
8、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;,第三节 质粒和转座因子,(参见 P212),二、质粒的主要类型,质粒所编码 的功能和赋 予宿主的表 型效应,致育因子(Fertility factor,F因子) 抗性因子(Resistance factor,R因子) 产细菌素的质粒(Bacteriocin production plasmid) 毒性质粒(virulence plasmid) 代谢质粒(Metabolic plasmid) 隐秘质粒(cryptic plasmid),第三节 质粒和转座因子,(参见 P212),二、质粒的主
9、要类型,1、致育因子(Fertility factor,F因子),又称F质粒,其大小约100kb,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)。,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)。,有关内容在讲细菌的接合作用 (conjugation)时具体介绍,第三节 质粒和转座因子,(参见 P212),二、质粒的主要类型,2、抗性因子(Resistance factor,R因子),包括抗药性和抗重金属二大类,简
10、称R质粒。,R100质粒(89kb)可使宿主对 下列药物及重金属具有抗性: 汞(mercuric ion ,mer) 四环素(tetracycline,tet ) 链霉素(Streptomycin, Str)、 磺胺(Sulfonamide, Su)、 氯霉素(Chlorampenicol, Cm) 夫西地酸(fusidic acid,fus) 并且负责这些抗性的基因是 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 产生抗药性的重要原因之一。,第三节 质粒和转座因子,(参见 P212),二、质粒的主要类型,3、产细菌素的质粒(Bacteriocin production plasmi
11、d),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,一般都位于质粒或转座子上,因此,细菌素可以杀死 同种但不携带该质粒的菌株。,第三节 质粒和转座因子,(参见 P213),二、质粒的主要类型,3、产细菌素的质粒(Bacteriocin production plasmid),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。,由G+细菌产生的细菌素或与细菌素类似的因子与colicins有所不同, 但通常也是由质粒基因编码,
12、有些甚至有商业价值,例如一种乳酸 细菌产生的细菌素NisinA能强烈抑制某些G+细菌的生长,而被用于 食品工业的保藏。,第三节 质粒和转座因子,(参见 P213),二、质粒的主要类型,4、毒性质粒(virulence plasmid),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。,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。,苏云金杆菌含有编码内毒素(伴孢晶体中)的质粒,第三节 质粒和转座因子,(参见 P213),二、质粒的主要类型,5、代谢质粒(Metabolic pla
13、smid),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。,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。,假单胞菌: 具有降解一些有毒化合物,如芳香簇化合物(苯)、农药 (2,4dichlorophenoxyacetic acid)、辛烷和樟脑等的能力。,降解质粒:,第三节 质粒和转座因子,(参见 P213),二、质粒的主要类型,6、隐秘质粒(cryptic plasmid),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。 它们存在的
14、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 (一般加上抗性基因),第三节 质粒和转座因子,(参见 P213),二、质粒的主要类型,高拷贝数(high copy number)质粒 (每个宿主细胞中可以有10-100个拷贝) 松弛型质粒(relaxed plasmid),低拷贝数(low copy number)质粒 (每个宿主细胞中可以有1-4个拷贝) 严谨型质粒(stringent plasmid),窄宿主范围质粒(narrow host range plasmid) (只能在一种特定的宿主细胞中复制),广宿主范围质粒(broad host range
15、plasmid) (可以在许多种细菌中复制),6、隐秘质粒(cryptic plasmid),第三节 质粒和转座因子,三、质粒的不亲和性,质粒之间的不亲和性、以及质粒拷贝数的多少、能适应的宿主范围的宽窄等特性均与质粒的复制控制类型有关,第四节 基因突变及修复,(参见 P 217),一个基因内部遗传结构或DNA序列的任何改变,基因突变:,第四节 基因突变及修复,(参见 P 219),一个基因内部遗传结构或DNA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 基因转移、重组一起提供了推动生物进化的遗传多变性。,基因突变,DNA损伤修复机制,突变,自发突变,诱变
16、,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 。,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。,前突可以通过DNA复制而成为真正的突变,也可以重新变为原来的结构, 这取决于修复作用和其它多种因素。,1、特点,1)非对应性 2)稀有性 3)规律性 4)独立性 5)遗传和回复性 6)可诱变性,第四节 基因突变及修复,一、基因突变的特点,(参见 P 219),证明突变的性状与引起突变的原因间无直接对应关系!,如何证明基因突变的非对应性?,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,2、实验证据,变量实验(
17、fluctuation analysis)Salvador Luria and Max Delbruck(1943),Newcombe的涂布实验(1949),影印实验(replica plating )Joshua Lederberg and Esther Lederberg(1952),第四节 基因突变及修复,二、常见的微生物突变类型,(参见 P218),表型,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 的突变型及其分离,第四节 基因突变及修复,二、常见的微生物突变类型,(参见 P 218-219),1)营养缺陷型(auxotroph),一种缺乏合成其生存所必须的营养物(
18、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 营养或其前体物(precursor)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 育种的重要手段,表型判断的标准:,在基本培养基上能否生长,第四节 基因突变及修复,二、常见的微生物突变类型,(参见 P 218-219),1)营养缺陷型(auxotroph),特点:,在选择培养基(一般为基本培养基)上不生长,负选择标记,突变株不能通过选择平板直接获得,1)营养缺陷型(auxotroph),实验步骤见 P 218,第四节 基因突变及修复,二、常见的微生物突变类型,(参见 P 218-219),营养缺陷型的表示方
19、法:,1)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:hisC (组氨酸缺陷型,其中的大写字母C同一表型中不同基因的突变),表型:,同上,但第一个字母大写,且不用斜体:HisC,在具体使用时多用hisC-和hisC+,分别表示缺陷型和野生型。,第四节 基因突变及修复,二、常见的微生物突变类型,(参见 P 219),2)抗药性突变型(resistant mutant),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:,正选择标记 (突变株可直接从抗性平板上获得-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。),表示方
20、法:,所抗药物的前三个小写斜体英文字母加上“r”表示 strr 和 strs 分别表示对链霉素的抗性和敏感性,第四节 基因突变及修复,二、常见的微生物突变类型,(参见 P 219),3)条件致死突变型(conditional lethal mutant),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。,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42)是致死的,但可以在低温(如 25-30)下得到这种突变。,特点:,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,第四节 基因突变及修复,二、常见的微
21、生物突变类型,(参见 P 219),4)形态突变型(morphological mutant),造成形态改变的突变型,特点:,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。,举例:,产蛋白酶缺陷突变株的筛选,菌落颜色变化,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。,形成芽孢缺陷菌株,细胞水平上的形态突变,突变株的检出更加困难。,第四节 基因突变及修复,二、常见的微生物突变类型,(参见 P 219),5)其它突变类型,毒力、生产某种代谢产物的发酵能力的变化等在实际应用 中具有重要意义突变类型一般都不具有很明显或可直接检测 到的表型。其突变株的获得
22、往往需要较大的工作量。,第四节 基因突变及修复,三、诱变剂与致癌物质Ames试验,(参见 P 222),a)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,b)对有害微生物进行控制;,很多种化学物质,能以各种机制导致DNA的突变,“生物化学统一性”法则:,人和细菌在DNA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 也会作用于人的DNA,使其发生突变, 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 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%以上的非致癌物质对微生物没有诱变作用,回复突变(rever
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