第一篇微生物遺傳及變異

1、第一篇微生物遺傳及變異l了解了解DNADNA分子的結(jié)構(gòu)與復(fù)制和微生物的突變類型。分子的結(jié)構(gòu)與復(fù)制和微生物的突變類型。l掌握污泥馴化的原理與方法。掌握污泥馴化的原理與方法。l了解遺傳工程技術(shù)在環(huán)境保護中的應(yīng)用。了解遺傳工程技術(shù)在環(huán)境保護中的應(yīng)用。 一、遺傳與變異的物質(zhì)基礎(chǔ)一、遺傳與變異的物質(zhì)基礎(chǔ)DNADNA二、二、DNADNA的結(jié)構(gòu)與復(fù)制的結(jié)構(gòu)與復(fù)制三、三、DNADNA的變形與復(fù)性的變形與復(fù)性四、四、RNARNA五、微生物的生長與蛋白質(zhì)合成五、微生物的生長與蛋白質(zhì)合成六、微生物的細胞分裂六、微生物的細胞分裂 遺傳與變異是一切生物最本質(zhì)的屬性，DNA而是生物遺傳與變異的物質(zhì)基礎(chǔ)。 通過格里菲斯（G

2、riffith）經(jīng)典的轉(zhuǎn)化實驗、噬菌體感染細菌和植物病毒重建的實驗可以證明。光滑型（光滑型（S S）粗糙型（粗糙型（R R）有有 莢莢 膜膜無無 莢莢 膜膜菌落光滑菌落光滑菌落粗糙菌落粗糙分泌毒素分泌毒素?zé)o無 毒毒致致 病病不不 致致 病病SSSSSSSS三個血清型三個血清型RRRRRR三個血清型三個血清型實驗材料：肺炎雙球菌實驗材料：肺炎雙球菌格里菲斯(Griffith)經(jīng)典的轉(zhuǎn)化實驗圖示R菌落活R菌S菌Pr+活R菌+S菌DNAS菌落S菌多糖R菌落活R菌+l原理：原理：DNADNA只含只含P P不含不含S S； 蛋白質(zhì)只含蛋白質(zhì)只含S S不含不含P Pl步驟：步驟：1 1：用含同位素：用含同

3、位素 3535S S 、 32 32P P的培養(yǎng)基培養(yǎng)大腸桿菌；的培養(yǎng)基培養(yǎng)大腸桿菌；2 2：讓：讓T2T2感染上述大腸桿菌使其帶有感染上述大腸桿菌使其帶有3535S S 、 32 32P P標記；標記；吸附10分鐘后攪動離心上清液沉 淀3、原理：植物病毒蛋白質(zhì)和原理：植物病毒蛋白質(zhì)和RNARNA可以人為地分開，同時又可以人為地分開，同時又可把它們重新組合成具感染性的病毒?？砂阉鼈冎匦陆M合成具感染性的病毒。l甲甲RNARNA乙乙Pr Pr 感染癥狀同甲病毒；分離得到甲病感染癥狀同甲病毒；分離得到甲病毒毒乙乙RNARNA甲甲Pr Pr 感染癥狀同乙病毒；分離得到乙病感染癥狀同乙病毒；分離得到乙病

4、毒毒 TMVHRVHRVTMV原始株拆開重建感染分離純化 植物病毒的重建實驗圖示 遺傳(heredity或inhertiance)和變異(Variation)是生物體最本質(zhì)的屬性之一。 與之相關(guān)的幾個概念1、遺傳(heredity) 生物的上一代將自己的遺傳因子傳遞給下一代的行為或功能，具有極其穩(wěn)定的特性。2、遺傳型(genotype) 某一生物所含有的遺傳信息即DNA中正確的核苷酸序列。生物體通過這個核苷酸序列控制蛋白質(zhì)或RNA的合成，一旦功能性蛋白質(zhì)合成，可調(diào)控基因表達。3、表型(phenotype) 某一生物體所具有的一切外表特征及內(nèi)在特性的總和，是遺傳型在合適環(huán)境條件下的具體體現(xiàn)。是一

5、種現(xiàn)實性。遺傳型環(huán)境條件代謝發(fā)育表型遺傳型是一種內(nèi)在可能性或潛力，其實質(zhì)是遺傳物質(zhì)上所負載的特定遺傳信息。具有某遺傳型的生物只有在適當?shù)沫h(huán)境條件下通過自身的代謝和發(fā)育，才能將它具體化，即產(chǎn)生表型。變異(Variation) 是生物體在某種外因或內(nèi)因作用下引起的遺傳物質(zhì)結(jié)構(gòu)改變，亦即遺傳型的改變。特點：幾率極低(一般為10-510-6)；性狀變化幅度大；變化后的新性狀是穩(wěn)定的、可遺傳的。飾變(modification) ：指不涉及遺傳物質(zhì)結(jié)構(gòu)改變，只發(fā)生在轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)譯水平上的表型變化。特點：每一個體都發(fā)生變化性狀變化的幅度??；因遺傳物質(zhì)不變故飾變是不遺傳的。例子：粘質(zhì)沙雷氏菌(Serratia m

6、arcescens)在 25下培養(yǎng)時會產(chǎn)生深紅色的靈桿菌素，在37時不產(chǎn)生色素。 結(jié)構(gòu)的提出：1953年，Watson、Crick提出DNA的雙螺旋模型，為合理解釋遺傳物質(zhì)的各種功能奠定了基礎(chǔ)。 WatsonCrick模型是，堿基的平面對DNA分子的中軸是垂直的。堿基A G C脫氧核糖磷酸T基本單位脫氧核苷酸A腺嘌呤脫氧核苷酸G鳥嘌呤脫氧核苷酸C胞嘧啶脫氧核苷酸T 胸腺嘧啶脫氧核苷酸脫氧核苷酸的種類連 接 ATGCATGCDNA 復(fù) 制 的 發(fā) 現(xiàn) Watson和Crick在提出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)之后，又提出了DNA復(fù)制的假說：DNA半保留復(fù)制模型； 1958年，Meselson米西爾森和Sta

7、nl斯坦爾采用含15N重同位素的NH4Cl培養(yǎng)大腸桿菌，放在正常的培養(yǎng)液里繁殖，然后用梯度離心技術(shù)測定分裂時DNA復(fù)制時的密度變化，證實了DNA的半保留復(fù)制。DNA的半保留復(fù)制是指在DNA聚合酶的作用下，以一個親代DNA分子的兩條鏈為模板，合成兩個結(jié)構(gòu)上完全相同的子代DNA分子的過程。擬核遺傳物質(zhì)類型核遺傳物質(zhì)核外遺傳物質(zhì)真核生物細胞器原核生物質(zhì)粒原核生物：擬核真核生物：染色體ATCTTTGGGGCCCCCCTTTGGGA AAAAA腺嘌呤(A)鳥嘌呤(G)胸腺嘧啶(T)胞嘧啶(C)基因測序就是讀出 A-C-G-T-G-G-A-C-G.染色體基因基因DNA基因是生命的密碼基因記錄和傳遞遺傳信息

8、基因決定生物體的生長、疾病、衰老等生命現(xiàn)象 l4100個基因，個基因，4.7106bpl遺傳信息的連續(xù)性遺傳信息的連續(xù)性l功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因組成操縱子功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因組成操縱子l結(jié)構(gòu)基因單拷貝及結(jié)構(gòu)基因單拷貝及rRNA多拷貝多拷貝l基因的重復(fù)序列少而短基因的重復(fù)序列少而短乳乳 糖糖 操操 縱縱 子子操縱基因調(diào)節(jié)基因結(jié)構(gòu)基因調(diào)節(jié)蛋白乳糖mRNA酶1酶2酶3質(zhì)粒：核外環(huán)狀小型DNA獨立復(fù)制穩(wěn)定遺傳。F因子：與有性接合有關(guān)種類 R因子：與抗藥性有關(guān)COL ：編碼免疫蛋白Ti質(zhì)粒：誘癌質(zhì)粒降解散質(zhì)粒：編碼降解有害物質(zhì)的酶用途：基因工程中作為目的基因載體。質(zhì)粒：原核生物遺傳物質(zhì)存在的另一種方式l1 D

9、NA1 DNA的復(fù)制的復(fù)制l2 2 轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄mRNAmRNAl3 3 翻譯翻譯l4 4 蛋白質(zhì)的合成蛋白質(zhì)的合成G A T C T AG A UDNAmRNA天冬氨酸 氨基酸 轉(zhuǎn)錄 翻譯 l一、變異的實質(zhì)一、變異的實質(zhì)基因突變基因突變l二、突變的類型二、突變的類型 基因突變即微生物被某種因素引起堿基的缺失、置換或插入，改變了基因內(nèi)部原有的堿基排列順序，從而引起其后代表現(xiàn)型的改變，即發(fā)生了變異。 基因突變及修復(fù)一、基因突變(一)基因突變的機制(二)突變株的篩選 (一）基因突變的機制1、基因突變(gene mutation) 一個基因內(nèi)部結(jié)構(gòu)或DNA序列的任何改變，改變一對或少數(shù)幾對堿基的缺失、插

10、入或置換，而導(dǎo)致的遺傳變化稱為基因突變。lDNADNA序列范圍的改變從單個堿基改變通常稱為點突變序列范圍的改變從單個堿基改變通常稱為點突變(point mutations)(point mutations)，到基因組大范圍的重排，有時稱為，到基因組大范圍的重排，有時稱為多位點突變，其中包括多位點突變，其中包括DNADNA鏈上短的一段序列或長的鏈上短的一段序列或長的一段序列改變，從而影響許多基因。一段序列改變，從而影響許多基因。l多位點突變可以是堿基序列的缺失、插入、倒位、置多位點突變可以是堿基序列的缺失、插入、倒位、置換換( (包括易位包括易位) )和重復(fù)以及在基因組中發(fā)生重組或轉(zhuǎn)座的和重復(fù)以

11、及在基因組中發(fā)生重組或轉(zhuǎn)座的結(jié)果。結(jié)果。2、點突變(point mutations)點突變中由一個嘌呤變?yōu)榱硪粋€嘌呤點突變中由一個嘌呤變?yōu)榱硪粋€嘌呤(AG)(AG)或一個嘧或一個嘧啶變?yōu)榱硪粋€嘧啶啶變?yōu)榱硪粋€嘧啶(CT)(CT)稱為轉(zhuǎn)換稱為轉(zhuǎn)換(transition)(transition)，嘌呤變，嘌呤變?yōu)猷缀袜奏ぷ優(yōu)猷堰史Q為顛換為嘧和嘧啶變?yōu)猷堰史Q為顛換(transversions)(transversions)。遺傳型。遺傳型上一個堿基的改變在表型上的效應(yīng)取決于突變的性質(zhì)上一個堿基的改變在表型上的效應(yīng)取決于突變的性質(zhì)和在基因組點突變發(fā)生的位置，有四種點突變類型：和在基因組點突變發(fā)生的位置

12、，有四種點突變類型：1）同義突變(same-sense mutations) 由于基因密碼的冗余性；同樣的氨基酸插入蛋白質(zhì)，結(jié)果表型上沒有看出變化。2）錯義突變(mis-sense mutations) 指不同的氨基酸插入蛋白質(zhì)的多肽鏈中，多肽鏈相應(yīng)氨基酸改變的結(jié)果視蛋白質(zhì)的基本部分或非基本部分改變而定。前者蛋白質(zhì)功能改變或喪失，后者表型上沒有觀察到變化。 3）無義突變(nonsense mutations)是指堿基序列改變?yōu)榘被峤K止密碼子(UAA，UAG，UGA)。蛋白質(zhì)合成超前停止，導(dǎo)致一個截短的蛋白質(zhì)產(chǎn)生。4）移碼突變(frameshift mutations)是DNA序列上缺失或插入

13、1-2個核苷酸，引起從該突變點后翻譯閱讀框移位和變成一個完全改變的氨基酸序列。 突變的效應(yīng)可以通過許多方法回復(fù)。最簡單的回復(fù)突變是回復(fù)到原來的堿基序列(野生型)。選擇回復(fù)突變是闡明突變類型好的檢驗方法。如原來的突變型是點突變或缺失突變，不易在同一位點發(fā)生回復(fù)突變。那么一種獲得野生型表型的方法是通過阻抑的機制，其中第二次突變發(fā)生在基因組的不同位點，它補償了第一次突變的效應(yīng)。3、回復(fù)突變 (back mutation) 第二次突變可以在基因組的不同位點突變，此情況稱為校正突變(intragenic suppressor)，移碼突變后閱讀框架復(fù)原的補償突變)或完全不同的 基 因 突 變 ， 稱 基

14、因 間 抑 制 ( i n t e r g e n i c suppressor)。1、根據(jù)突變株類型分離 鑒定和分離突變株時，根據(jù)突變株基因的特殊性質(zhì)，一般分成三類：（二）突 變 株 篩 選1）有毒化合物抗性突變株 如對抗生素或?qū)κ删w侵染的抗性。這些突變株能通過在有毒藥劑或噬菌體存在下生長來選擇。只有抗性突變株才生長。2）營養(yǎng)缺陷型突變株 突變株不能合成生長所必需的基本化合物如一個氨基酸或維生素。這些突變株不能直接分離，但能通過影印培養(yǎng)法(replica plating)篩選。3）不能利用特殊底物如乳糖和麥芽糖生長的突變株，可以通過影印培養(yǎng)法鑒別。用于篩選大量特殊突變菌落的一個方法。細菌鋪

15、制成平板，在所含營養(yǎng)成分的培養(yǎng)基上親本和突變株均能生長，采用一個稀釋度使單個菌落能在平板上看到；培養(yǎng)后，用一個無菌的絲絨布包裹的圓柱章的圓墊轉(zhuǎn)移上述菌落至可以檢出突變株的培養(yǎng)基平板上。2、影印培養(yǎng)法 培養(yǎng)基的性質(zhì)根據(jù)突變株的需求，在營養(yǎng)缺陷型突變株的情況下，可以在有特殊生長因子和沒有特殊生長因子的平板上影印法轉(zhuǎn)移菌落，不能合成那種生長因子的突變菌株，在基本培養(yǎng)基上不能生長，但能在加入已知生長因子的基本培養(yǎng)基上生長(加富培養(yǎng)基)，突變株菌落通過在基本培養(yǎng)基不能生長來鑒別，可以從能生長的補充培養(yǎng)基平板上選出和純化。選擇性培養(yǎng)基1選擇性培養(yǎng)基2選擇性培養(yǎng)基3（1 1）自發(fā)突變：）自發(fā)突變：l多因素低

16、劑量的誘變效應(yīng)多因素低劑量的誘變效應(yīng)l互變異構(gòu)效應(yīng)互變異構(gòu)效應(yīng)（2 2）誘發(fā)突變：）誘發(fā)突變：l物理誘變因子：紫外輻射、物理誘變因子：紫外輻射、XX射線、射線、 射線、快射線、快中子、中子、射線和激光等。射線和激光等。l化學(xué)誘變因子：化學(xué)誘變因子：生物誘變因子：某些病毒生物誘變因子：某些病毒突變是隨機的；整個基因組所有時間均可發(fā)生突變，但是一個基因組的某些位點比其它的位點更易突變。這些突變聚集的位點稱為熱點。一個基因的突變率是不一樣的，從每104個復(fù)制周期每個基因出現(xiàn)一個基因突變，到每1011復(fù)制周期每個基因出現(xiàn)一個基因突變，平均大約每106復(fù)制周期每個基因出現(xiàn)一個突變。1. 1.定向培養(yǎng)定向

17、培養(yǎng)( (污泥馴化污泥馴化) )：人為用某一特定環(huán)境條件長期處：人為用某一特定環(huán)境條件長期處理某一微生物群體，不斷將其移種傳代，以達到積理某一微生物群體，不斷將其移種傳代，以達到積累和選擇合適的自發(fā)突變體。累和選擇合適的自發(fā)突變體。2. 2.誘變育種：利用物理的、化學(xué)的或生物的誘變因子處誘變育種：利用物理的、化學(xué)的或生物的誘變因子處理微生物，使之發(fā)生突變，并篩選出合適的突變體。理微生物，使之發(fā)生突變，并篩選出合適的突變體。突變在微生物育種方面的應(yīng)用誘變育種除能提高產(chǎn)量外，還可達到改進產(chǎn)品質(zhì)量、擴大品種和簡化生產(chǎn)工藝等目的，是目前最廣泛使用的育種手段。以高產(chǎn)為目標的誘導(dǎo)育種大致路線如下： l基因

18、轉(zhuǎn)移基因轉(zhuǎn)移(gene transfer)(gene transfer)：外源性的遺傳物質(zhì)由供體菌進：外源性的遺傳物質(zhì)由供體菌進入某受體菌細胞內(nèi)的過程。入某受體菌細胞內(nèi)的過程。l基因重組基因重組(recombination)(recombination)：轉(zhuǎn)移的基因與受體菌：轉(zhuǎn)移的基因與受體菌DNADNA整整合在一起，使受體菌獲得供體菌某些特性。合在一起，使受體菌獲得供體菌某些特性。l外源性遺傳物質(zhì)：供體菌染色體外源性遺傳物質(zhì)：供體菌染色體DNADNA，質(zhì)粒，質(zhì)粒DNADNA及噬及噬菌體基因等。菌體基因等。l細菌的基因轉(zhuǎn)移和重組方式：轉(zhuǎn)化、接合、轉(zhuǎn)導(dǎo)、溶細菌的基因轉(zhuǎn)移和重組方式：轉(zhuǎn)化、接合、轉(zhuǎn)

19、導(dǎo)、溶原性轉(zhuǎn)換、細胞融合。原性轉(zhuǎn)換、細胞融合。一、接合 (conjugation)接合是同通過質(zhì)粒使遺傳物質(zhì)在兩個細菌細胞間轉(zhuǎn)移的機制。細菌通過性菌毛相互連接溝通，將遺傳物質(zhì)（主要是質(zhì)粒DNA）從供體菌轉(zhuǎn)移給受體菌。能通過結(jié)合方式轉(zhuǎn)移的質(zhì)粒稱為接合性質(zhì)粒，不能通過性菌毛在細菌間轉(zhuǎn)移的質(zhì)粒為非接合性質(zhì)粒。F+F-F+F-F+F+F+F+Electron Micrograph of Escherichia coli with a Conjugation Pilus二、轉(zhuǎn) 化(Transformation)受體細胞直接吸收來自供體細胞的DNA片段（來自研碎物），并把它整合到自己的基因組中，從而獲得供

20、體細胞部分遺傳性狀的現(xiàn)象。 轉(zhuǎn)導(dǎo)： 通過溫和噬菌體的媒介作用，把供體細胞內(nèi)特定的基因（DNA片段誤包）攜帶至受體細胞中，使后者獲得前者部分遺傳性狀的現(xiàn)象。 根據(jù)轉(zhuǎn)導(dǎo)基因片段的范圍，可將轉(zhuǎn)導(dǎo)分為兩類：普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)（轉(zhuǎn)導(dǎo)的DNA可是供菌染色體上的任何部分）、局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)（轉(zhuǎn)導(dǎo)的DNA只限供菌染色體上的特定基因）。四、 溶原性轉(zhuǎn)換(lysogenic conversion)當噬菌體感染細菌時，宿主菌染色體中獲得了噬菌體的DNA片段，使其成為溶原狀態(tài)時，而使細菌獲得新的性狀。五、 原生質(zhì)體融合(protoplast fusion)一、遺傳工程技術(shù)在環(huán)境保護中的應(yīng)用二、基因工程技術(shù)在環(huán)境保護中的應(yīng)用三、PC

21、R技術(shù)在環(huán)境保護中的應(yīng)用質(zhì)粒育種：質(zhì)粒是原核微生物中除染色體外的另一種較小的、攜帶少量遺傳基因的環(huán)狀DNA分子，也叫染色體外DNA。質(zhì)?？砂l(fā)生丟失和轉(zhuǎn)移，也可誘導(dǎo)產(chǎn)生。質(zhì)粒可用來培養(yǎng)優(yōu)良菌種，同時在基因工程中常被用作載體?；蚬こ淌侵冈诨蛩缴系倪z傳工程，又叫基因剪接或核酸體外重組。（1）從供體細胞中選擇獲取帶有目的基因的DNA片段；（2）將目的DNA的片段和質(zhì)粒在體外重組；（3）將重組體轉(zhuǎn)入受體細胞；（4）重組體克隆的篩選與鑒定；（5）外源基因表達產(chǎn)物的分離與提純。PCR（polymerase chain reaction）稱DNA多聚酶鏈式反應(yīng)。由Millus于1985年創(chuàng)立，是一種在DNA體外擴增的技術(shù)。聚合酶鏈式反應(yīng)也可以當作一項極其重要的酶促合成DNA技術(shù)。PCR又稱為無細胞克隆系統(tǒng)或特異性DNA序列體外引物定向酶促擴增法，是基因擴增技術(shù)的一次重大革新，它可將極微量的靶DNA特異地擴增上百萬倍。RCR操作體系中含有雙鏈模板DNA（這是我們所感興趣的基因片段即目的基因）、熱穩(wěn)定的DNA聚合酶和一對引物。在設(shè)計引物時（現(xiàn)在一般用電子計算機設(shè)計），需考慮使這兩條引物分別與模板DNA兩條鏈的5端特定序列互補，并恰好使選擇的互補序列分別位于待合成的DNA片段的兩側(cè)。PCR(Polymerase Chain Reaction,聚合酶鏈反應(yīng))是一種選擇性