微生物遺傳學(xué)二

1、微生物遺傳學(xué)二微生物遺傳學(xué)二 營養(yǎng)缺陷型營養(yǎng)缺陷型 抗性突變型抗性突變型 條件致死突變型條件致死突變型 形態(tài)突變型形態(tài)突變型 抗原突變型抗原突變型 產(chǎn)量突變型產(chǎn)量突變型下面介紹幾種常用的突變型及其分離1.1. 按照突變的表型分類：按照突變的表型分類：選擇性突變株選擇性突變株（能在選擇性培養(yǎng)基上或其它的（能在選擇性培養(yǎng)基上或其它的選擇性條件下迅速選出或鑒別出）選擇性條件下迅速選出或鑒別出）非選擇性突變株非選擇性突變株四、四、基因突變的基因突變的類型類型（1）營養(yǎng)缺陷型（）營養(yǎng)缺陷型（auxotroph） 一種缺乏合成其生存所必須的營養(yǎng)物（包括氨基酸、維生素一種缺乏合成其生存所必須的營養(yǎng)物（包括氨

2、基酸、維生素、堿基等）的突變型，只有從周圍環(huán)境或培養(yǎng)基中獲得這些、堿基等）的突變型，只有從周圍環(huán)境或培養(yǎng)基中獲得這些營養(yǎng)或其前體物（營養(yǎng)或其前體物（precursor）才能生長。才能生長。營養(yǎng)缺陷型是微生物遺傳學(xué)研究中重要的選擇標(biāo)記和育種的重要手段表型判斷的標(biāo)準(zhǔn)：表型判斷的標(biāo)準(zhǔn)：在基本培養(yǎng)基上能否生長在基本培養(yǎng)基上能否生長特點(diǎn)：特點(diǎn)：在選擇培養(yǎng)基（一般為基本培養(yǎng)基）上不生長負(fù)選擇標(biāo)記負(fù)選擇標(biāo)記突變株不能通過選擇平板直接獲得營養(yǎng)缺陷型的表示方法：營養(yǎng)缺陷型的表示方法：基因型：基因型：所需營養(yǎng)物的前三個英文小寫斜體字母小寫斜體字母表示：hisC（組氨酸缺陷型，其中的大寫字母C同一表型中不同基因的突

3、變）表型：表型：同上，但第一個字母大寫，且不用斜體：第一個字母大寫，且不用斜體：HisC在具體使用時多用hisC-和hisC+，分別表示缺陷型和野生型。（2）抗藥性突變型（）抗藥性突變型（resistant mutant）基因突變使菌株對某種或某幾種藥物，特別是抗生素，產(chǎn)生抗性?；蛲蛔兪咕陮δ撤N或某幾種藥物，特別是抗生素，產(chǎn)生抗性。特點(diǎn)：特點(diǎn)：正選擇標(biāo)記正選擇標(biāo)記（突變株可直接從抗性平板上獲得（突變株可直接從抗性平板上獲得-在加有相應(yīng)抗生素的平板上，只有抗性突變能生長。所以很容易分離得到。）表示方法：表示方法： 所抗藥物的前三個小寫斜體英文字母加上所抗藥物的前三個小寫斜體英文字母加上“r”

4、表示表示strr 和 strs 分別表示對鏈霉素的抗性和敏感性（3）條件致死突變型（）條件致死突變型（conditional lethal mutant） 在某一條件下具有致死效應(yīng)，而在另一條件下沒有致死在某一條件下具有致死效應(yīng)，而在另一條件下沒有致死效應(yīng)的突變型。效應(yīng)的突變型。常用的條件致死突變是溫度敏感突變溫度敏感突變，用ts（temperaturesensitive）表示，這類突變在高溫下（如42）是致死的，但可以在低溫（如25-30）下得到這種突變。特點(diǎn)：特點(diǎn)：負(fù)選擇標(biāo)記負(fù)選擇標(biāo)記這類突變型常被用來分離生長繁殖必需的突變基因（4）形態(tài)突變型（）形態(tài)突變型（morphological m

5、utant）造成形態(tài)改變的突變型造成形態(tài)改變的突變型特點(diǎn)：特點(diǎn)：非選擇性突變非選擇性突變突變株和野生型菌株均可生長，但可從形態(tài)特征上進(jìn)行區(qū)分。舉例：產(chǎn)蛋白酶缺陷突變株的篩選菌落顏色變化半乳糖苷酶基因的插入失活，使重組子菌落為白色而與蘭色的非重組子分開。（5）抗原突變型）抗原突變型指由于基因突變引起的細(xì)胞抗原結(jié)構(gòu)發(fā)生的指由于基因突變引起的細(xì)胞抗原結(jié)構(gòu)發(fā)生的變異類型，包括細(xì)胞壁缺陷變異、莢膜或鞭變異類型，包括細(xì)胞壁缺陷變異、莢膜或鞭毛成分變異等。毛成分變異等。（6）產(chǎn)量突變型）產(chǎn)量突變型通過基因突變而引起的目標(biāo)代謝產(chǎn)物的產(chǎn)量通過基因突變而引起的目標(biāo)代謝產(chǎn)物的產(chǎn)量發(fā)生變化的變異菌株，其在產(chǎn)量上高于或

6、低發(fā)生變化的變異菌株，其在產(chǎn)量上高于或低于原始出發(fā)菌株。如果產(chǎn)量提高的突變株，于原始出發(fā)菌株。如果產(chǎn)量提高的突變株，被稱為被稱為“正突變正突變”（plus-mutant），），也稱為也稱為“高產(chǎn)突變株高產(chǎn)突變株”(high producing mutant)；如如果產(chǎn)量低于出發(fā)菌株的突變株，則稱為果產(chǎn)量低于出發(fā)菌株的突變株，則稱為“負(fù)負(fù)突變突變”（minus-mutant）。）。2. 2. 按照突變所引起的遺傳信息的改變情況可分為三種：按照突變所引起的遺傳信息的改變情況可分為三種：同義突變同義突變表型不發(fā)生改變（密碼子是簡并的,如CGU變成CGC，但都編碼精氨酸）；錯義突變錯義突變改變的密碼子

7、編碼的氨基酸改變了；無意義突變無意義突變終止密碼子（UAA, UAG, UGA）其它突變類型其它突變類型 毒力、生產(chǎn)某種代謝產(chǎn)物的發(fā)酵能力的變化等在實際應(yīng)用毒力、生產(chǎn)某種代謝產(chǎn)物的發(fā)酵能力的變化等在實際應(yīng)用中具有重要意義突變類型中具有重要意義突變類型, 一般都不具有很明顯或可直接檢測一般都不具有很明顯或可直接檢測到的表型。其突變株的獲得往往需要較大的工作量。到的表型。其突變株的獲得往往需要較大的工作量。 第四節(jié) 基因突變的機(jī)制一、一、基因突變的基因突變的分子基礎(chǔ)分子基礎(chǔ)(一一)自發(fā)突變自發(fā)突變 (二二)誘發(fā)突變誘發(fā)突變引起自發(fā)突變的原因主要有以下幾方面：引起自發(fā)突變的原因主要有以下幾方面： 背

8、景輻射和環(huán)境因素引起；背景輻射和環(huán)境因素引起； 有害代謝產(chǎn)物引起；有害代謝產(chǎn)物引起； 互變異構(gòu)效應(yīng)引起的堿基配對錯誤；互變異構(gòu)效應(yīng)引起的堿基配對錯誤； DNA復(fù)制過程中堿基配對錯誤復(fù)制過程中堿基配對錯誤 ； 轉(zhuǎn)座因子的作用。轉(zhuǎn)座因子的作用。通過人為的方法，利用物理、化學(xué)或生物通過人為的方法，利用物理、化學(xué)或生物因素顯著提高自發(fā)突變頻率的手段因素顯著提高自發(fā)突變頻率的手段 。生物體在無人工干預(yù)下自然發(fā)生的低頻率突變（10-6-10-10 ）。它是生物進(jìn)化的根源。(二二) 誘發(fā)突變誘發(fā)突變誘變劑（誘變劑（mutagen）：）：凡能提高基因突變頻率的因素統(tǒng)稱為誘變劑凡能提高基因突變頻率的因素統(tǒng)稱為誘

9、變劑誘變劑的種類誘變劑的種類物理誘變劑物理誘變劑化學(xué)誘變劑化學(xué)誘變劑生物誘變劑生物誘變劑堿基類似物誘變劑；堿基類似物誘變劑； 與堿基起化學(xué)反應(yīng)的誘變劑；與堿基起化學(xué)反應(yīng)的誘變劑；嵌入誘變劑；嵌入誘變劑； ：輻射和熱：輻射和熱：轉(zhuǎn)座因子：轉(zhuǎn)座因子(1)堿基類似物堿基類似物-間接引起置換的誘變劑間接引起置換的誘變劑它們在它們在DNA復(fù)制中能摻入復(fù)制中能摻入DNA 分子中，由于其產(chǎn)生異構(gòu)體的頻分子中，由于其產(chǎn)生異構(gòu)體的頻率高，因此發(fā)生的錯誤配對可引起堿基的置換。率高，因此發(fā)生的錯誤配對可引起堿基的置換。 一類與正常堿基結(jié)構(gòu)相似的物質(zhì)，稱為堿基類似物。一類與正常堿基結(jié)構(gòu)相似的物質(zhì)，稱為堿基類似物。如：

10、如：5-BU, 8-NG, 2-AP等。A-TA-TA-BUA-TG-BUG-CA-BU加入5-BU1.化學(xué)誘變劑化學(xué)誘變劑(2)與堿基起化學(xué)反應(yīng)的誘變劑與堿基起化學(xué)反應(yīng)的誘變劑-直接引起堿基置換直接引起堿基置換該類誘變劑與堿基起化學(xué)反應(yīng)，改變堿基的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致錯配。該類誘變劑與堿基起化學(xué)反應(yīng)，改變堿基的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致錯配。亞硝酸：G-C A-T 轉(zhuǎn)換互變 各種烷化劑 ：G-C A-T 互變羥胺：只引起G-C A-T 轉(zhuǎn)換（專一性與C起反應(yīng)）亞硝酸：對堿基的主要作用是氧化脫胺作用（使氨基變?yōu)橥?，亞硝酸：對堿基的主要作用是氧化脫胺作用（使氨基變?yōu)橥?改變配對性質(zhì)，引起堿基轉(zhuǎn)換）改變配對性質(zhì)，引起

11、堿基轉(zhuǎn)換） 。 HNO2 A H（次黃嘌呤）次黃嘌呤） AT GC C U GC AT G X（黃嘌呤黃嘌呤） 不引起突變不引起突變A-TH-TH-CA-TH-CG-C烷化劑烷化劑甲基磺酸乙酯（甲基磺酸乙酯（EMS）甲基磺酸甲酯（甲基磺酸甲酯（MMS）硫酸二乙酯（硫酸二乙酯（DES） N-甲基甲基-N-硝基硝基-N-亞硝基胍亞硝基胍 (NTG) 氮芥、硫芥氮芥、硫芥環(huán)氧乙烷環(huán)氧乙烷NTG：誘變作用強(qiáng)，稱為超強(qiáng)誘變劑（突變率誘變作用強(qiáng)，稱為超強(qiáng)誘變劑（突變率1%）；）；能誘發(fā)鄰近位置的基因同時發(fā)生突變，即所謂并發(fā)突變。能誘發(fā)鄰近位置的基因同時發(fā)生突變，即所謂并發(fā)突變。很多烷化劑除了能誘發(fā)點(diǎn)突變外

12、，還能誘發(fā)染色體畸變除了能誘發(fā)點(diǎn)突變外，還能誘發(fā)染色體畸變。由于染色體畸變常為輻射所誘發(fā)，所以這些物質(zhì)又稱為擬輻射物質(zhì)擬輻射物質(zhì)。 烷化劑作用的主要機(jī)理是引起堿基上某些能形成氫鍵的基團(tuán)發(fā)生烷基化。 烷化位點(diǎn)主要在鳥嘌呤的N 7位和腺嘌呤的N 3位上，烷化后的堿基也像堿基結(jié)構(gòu)類似物一樣能引起堿基配對的錯誤。 烷化劑的另一作用是使嘌呤整個地從DNA鏈上脫下來，產(chǎn)生一個缺口，在與缺口相對應(yīng)的位點(diǎn)上就能配上任何一個堿基，從而引起轉(zhuǎn)換或顛換。 (3) 移碼突變的誘變劑嵌入誘變劑移碼突變的誘變劑嵌入誘變劑吖啶類染料（如原黃素，吖叮黃（橙），吖啶類染料（如原黃素，吖叮黃（橙），ICR類等）具有類等）具有類似

13、堿基對的扁平結(jié)構(gòu)，能插入類似堿基對的扁平結(jié)構(gòu)，能插入DNA分子的堿基對之間，分子的堿基對之間，使使DNA結(jié)構(gòu)變形，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形，導(dǎo)致 DNA在復(fù)制過程中的滑動，引起在復(fù)制過程中的滑動，引起DNA鏈中插入或缺失一個或幾個核苷酸，產(chǎn)生移碼突變鏈中插入或缺失一個或幾個核苷酸，產(chǎn)生移碼突變。ICR：一系列烷化劑和吖啶分子相結(jié)合的化合物一系列烷化劑和吖啶分子相結(jié)合的化合物2. 物理誘變劑及其誘變機(jī)制物理誘變劑及其誘變機(jī)制紫外線，x-射線， 射線，快中子，熱等(1) 紫外線（紫外線（UV） 紫外線是實驗室中常用的非電離輻射誘變因子，其作用機(jī)制主要是能引起： DNA鏈的斷裂、 DNA分子雙鏈的交聯(lián)、 嘧啶的

14、水合作用 相鄰堿基形成嘧啶二聚體（TT，TC,CC）等。 其中最主要的效應(yīng)是胸腺嘧啶二聚體的形成。其中最主要的效應(yīng)是胸腺嘧啶二聚體的形成。 胸腺嘧啶二聚體通常出現(xiàn)在同一DNA單鏈上兩個相鄰的胸腺嘧啶之間，也可出現(xiàn)在兩條DNA單鏈之間。兩種情況導(dǎo)致結(jié)果不同。 X 射線、 射線、快中子等屬于電離輻射。以X射線為例解釋該類誘變劑誘變機(jī)理： X 射線的誘變作用有直接和間接兩種方式： (1) 直接作用是引起DNA雙鏈間氫鍵的斷裂、DNA單鏈的斷裂、不同DNA分子之間的交聯(lián)等。 (2) 間接作用是電離輻射能從水或有機(jī)分子中產(chǎn)生自由基，這些自由基作用于DNA分子，引起缺失和損傷。自由基對嘧啶的作用更強(qiáng)烈。

15、此外，X射線還可能使細(xì)胞中形成一些堿基類似物，突變由這些堿基類似物所誘發(fā)。與紫外線不同的是，電離輻射可通過玻璃和其他物質(zhì)，穿透力強(qiáng)，能達(dá)到生殖細(xì)胞，因此常用于動植物的誘變育種。 (2) X 射線、射線、 射線、快中子射線、快中子 短時間的熱處理也可誘發(fā)突變，熱的作用是使胞嘧啶脫氨基而成為尿嘧啶，從而通過堿基配對錯誤而引起GCAT的轉(zhuǎn)換； 另外，熱也可引起鳥嘌呤 脫氧核糖鍵的移動，從而在DNA復(fù)制時出現(xiàn)包括兩個鳥嘌呤的堿基對，在下一次的DNA復(fù)制中該堿基對錯配就會引起GCCG的顛換。 (3) 熱熱(1) 轉(zhuǎn)座因子（轉(zhuǎn)座因子（transposable element)定義：位于染色體或質(zhì)粒定義：位

16、于染色體或質(zhì)粒上的一段能改變自身位置的上的一段能改變自身位置的DNA序列。廣泛分布于原核和真核序列。廣泛分布于原核和真核細(xì)胞中。又稱細(xì)胞中。又稱“跳躍基因跳躍基因”(2) 轉(zhuǎn)座因子的特點(diǎn)轉(zhuǎn)座因子的特點(diǎn)1) 在轉(zhuǎn)座時，通過轉(zhuǎn)座因子的復(fù)制，可將新形成的拷貝以非同在轉(zhuǎn)座時，通過轉(zhuǎn)座因子的復(fù)制，可將新形成的拷貝以非同源重組的方式轉(zhuǎn)移到染色體的新部位上；源重組的方式轉(zhuǎn)移到染色體的新部位上； 2) 都攜帶有編碼轉(zhuǎn)座酶的基因，該酶具有轉(zhuǎn)移位置的功能，是都攜帶有編碼轉(zhuǎn)座酶的基因，該酶具有轉(zhuǎn)移位置的功能，是轉(zhuǎn)座所必需的轉(zhuǎn)座所必需的; 3)兩端都有正向或反向末端重復(fù)序列。兩端都有正向或反向末端重復(fù)序列。 3. 生

17、物誘變劑生物誘變劑(轉(zhuǎn)座因子轉(zhuǎn)座因子)及其誘變機(jī)制及其誘變機(jī)制(3) 根據(jù)分子結(jié)構(gòu)和遺傳性質(zhì)，轉(zhuǎn)座因子可分為根據(jù)分子結(jié)構(gòu)和遺傳性質(zhì)，轉(zhuǎn)座因子可分為3類：類：插入序列（插入序列（Insertion sequence, IS）僅含有編碼轉(zhuǎn)座所必需的轉(zhuǎn)座酶的基因，兩端存在僅含有編碼轉(zhuǎn)座所必需的轉(zhuǎn)座酶的基因，兩端存在941bp的反的反向重復(fù)序列向重復(fù)序列 。但其插入可干擾基因的正常讀碼序列，導(dǎo)致基因失。但其插入可干擾基因的正常讀碼序列，導(dǎo)致基因失活或引起突變。活或引起突變。轉(zhuǎn)座子（轉(zhuǎn)座子（Transposon, Tn）除轉(zhuǎn)座基因外，還有抗藥性基因。分為復(fù)合轉(zhuǎn)座子和復(fù)雜轉(zhuǎn)座子除轉(zhuǎn)座基因外，還有抗藥性基因

18、。分為復(fù)合轉(zhuǎn)座子和復(fù)雜轉(zhuǎn)座子Mu噬菌體噬菌體是以大腸桿菌為宿主的溫和性噬菌體。它在幾方面不同于另一是以大腸桿菌為宿主的溫和性噬菌體。它在幾方面不同于另一種溫和噬菌體種溫和噬菌體：第一、：第一、Mu DNA幾乎可以插入到宿主染色體的幾乎可以插入到宿主染色體的任何一個位點(diǎn)上；第二、任何一個位點(diǎn)上；第二、 DNA 兩端沒有粘性末端；第三、會引兩端沒有粘性末端；第三、會引起宿主的被插入基因的基因突變。起宿主的被插入基因的基因突變。 (4) 轉(zhuǎn)座的過程：轉(zhuǎn)座的過程： 插入突變插入突變 (基因失活和極性作用) 染色體畸變?nèi)旧w畸變(染色體的缺失染色體的缺失重復(fù)和倒位重復(fù)和倒位) (5) 轉(zhuǎn)座的遺傳學(xué)效應(yīng)：

19、轉(zhuǎn)座的遺傳學(xué)效應(yīng)：二、誘變及化學(xué)致癌物質(zhì)的檢測二、誘變及化學(xué)致癌物質(zhì)的檢測Ames試驗試驗“生物化學(xué)統(tǒng)一性生物化學(xué)統(tǒng)一性”法則：法則： 人和細(xì)菌在人和細(xì)菌在DNA的結(jié)構(gòu)及特性方面是一致的，能使微生的結(jié)構(gòu)及特性方面是一致的，能使微生物發(fā)生突變的誘變劑必然也會作用于人的物發(fā)生突變的誘變劑必然也會作用于人的DNA，使其發(fā)生使其發(fā)生突變，最后造成癌變或其他不良的后果。突變，最后造成癌變或其他不良的后果。Ames試驗的依據(jù)試驗的依據(jù)誘變劑的共性原則：誘變劑的共性原則： 化學(xué)藥劑對細(xì)菌的誘變率與其對動物的致癌性成正比。化學(xué)藥劑對細(xì)菌的誘變率與其對動物的致癌性成正比?；貜?fù)突變回復(fù)突變(reverse mut

20、ation或或back mutation)： 突變體失去的野生型性狀，可以通過第二次突變突變體失去的野生型性狀，可以通過第二次突變得到恢復(fù)，這種第二次突變稱為回復(fù)突變。得到恢復(fù)，這種第二次突變稱為回復(fù)突變。美國加利福尼亞大學(xué)的美國加利福尼亞大學(xué)的Bruce Ames教授于教授于1966年發(fā)明，年發(fā)明，因此稱為因此稱為Ames試驗試驗標(biāo)準(zhǔn)菌株要求：標(biāo)準(zhǔn)菌株要求： 檢測鼠傷寒沙門氏菌檢測鼠傷寒沙門氏菌(Salmonella typhmurium) 組氨酸營養(yǎng)缺組氨酸營養(yǎng)缺陷型菌株陷型菌株(his-)的回復(fù)突變率（為了增加試驗的敏感性，該菌株的回復(fù)突變率（為了增加試驗的敏感性，該菌株還應(yīng)包括另外兩個

21、突變，一個是造成細(xì)胞表面透性增加的深度還應(yīng)包括另外兩個突變，一個是造成細(xì)胞表面透性增加的深度粗糙突變型，另一個是喪失切除修復(fù)能力的缺失型）。粗糙突變型，另一個是喪失切除修復(fù)能力的缺失型）。Ames試驗 除了除了DNA聚合酶進(jìn)行校正外，還通過幾種不同的機(jī)聚合酶進(jìn)行校正外，還通過幾種不同的機(jī)制進(jìn)行制進(jìn)行DNA的修復(fù)：的修復(fù)：(1) 光復(fù)活作用光復(fù)活作用(2) 切除修復(fù)切除修復(fù)(3) 重組修復(fù)重組修復(fù)(4) SOS修復(fù)修復(fù)三、三、DNA損傷的修復(fù)損傷的修復(fù) 紫外線誘變時必須在暗室、紅光下進(jìn)行紫外線誘變時必須在暗室、紅光下進(jìn)行（1）光復(fù)活作用（）光復(fù)活作用（photoreactivation）可見光可大大降低經(jīng)紫外線照射后微生物死亡率的現(xiàn)象。可見光可大大降低經(jīng)紫外線照射后微生物