微生物遺傳和變異

1、關(guān)于微生物遺傳和變異第1頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三 微生物遺傳學(xué)研究意義1） 微生物學(xué)的主要分支2）為生命遺傳現(xiàn)象的解釋提供依據(jù)3）是分子生物學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)學(xué)科4）促進(jìn)工業(yè)微生物菌種的選育 第2頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三.1 遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ) 一、證明遺傳物質(zhì)的三個典型實驗 -細(xì)菌轉(zhuǎn)化實驗 -噬菌體感染實驗 -植物病毒的重建實驗 第3頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三1、細(xì)菌轉(zhuǎn)化實驗 - 動物試驗 (Grifith,1928)第4頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三-細(xì)菌培養(yǎng)實

2、驗 S（死）+R（活） S（ 少量活） +R（活） S（無細(xì)胞提取液）+R（活） S（ 少量活） +R（活）第5頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三-細(xì)菌培養(yǎng)試驗（Avery，1944）(DNA是遺傳物質(zhì)的第一個證明者)第6頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三第7頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三2噬菌體感染實驗 (Hershey;Chase,1952)第8頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三3植物病毒的重建實驗 (Fraenkel-Conrat,1956)第9頁，共110頁，2022年，5月20

3、日，18點28分，星期三二、遺傳物質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)的存在部位和方式（一）真核與原核微生物遺傳物質(zhì)比較 第10頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三原核與真核微生物基因組大小第11頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三細(xì)菌染色體數(shù)目與形狀第12頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三細(xì)菌染色體結(jié)構(gòu)第13頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三真核微生物染色體結(jié)構(gòu) (示核小體） 第14頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三真核生物基因結(jié)構(gòu) (僅外顯子有編碼功能)第15頁，共110頁，2022年，5月

4、20日，18點28分，星期三真核微生物基因表達(dá)控制第16頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三（二）原核生物的質(zhì)粒 質(zhì)粒： 游離于染色體外，獨立復(fù)制的dsDNA分子。(環(huán)狀、共價、閉合?) 第17頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三質(zhì)粒的特點1）大?。捍筚|(zhì)粒：60kb、1/cell小質(zhì)粒： 10-20/cell第18頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三2）自主復(fù)制能力：型復(fù)制、滾環(huán)復(fù)制第19頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三 數(shù)量控制：嚴(yán)緊型 ；松弛型第20頁，共110頁，2022年，5月20日，1

5、8點28分，星期三3）轉(zhuǎn)移性：Tra區(qū)基因：附加體：某些質(zhì)粒既可整合進(jìn)宿主染色體，又可與染色體脫離，稱之。第21頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三 4）質(zhì)粒的消除： -理化因子 -原生質(zhì)體誘導(dǎo)法第22頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三5）不相容性： 兩種親緣關(guān)系相近的質(zhì)粒不能穩(wěn)定地存在于同一個細(xì)胞中。（G-菌的部分不相容群）第23頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三質(zhì)粒的遺傳表型1）F質(zhì)粒（致育因子） Tra基因：編碼轉(zhuǎn)移相關(guān)蛋白；合成性纖毛 第24頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三2）R質(zhì)粒

6、（抗藥因子） -RTF基因（抗性轉(zhuǎn)移因子） -抗性決定子 （抗抗生素、抗藥、抗重金屬）第25頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三3）Col質(zhì)粒（大腸桿菌素因子） -產(chǎn)大腸桿菌素 細(xì)菌素：由細(xì)菌質(zhì)粒編碼產(chǎn)生的只能 抑制或殺滅近緣細(xì)菌或同種 不同菌株的蛋白質(zhì)。 Col質(zhì)粒類型： 非接合型(colE 1)：松弛型 接合型( col Ib)：嚴(yán)緊型第26頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三4）Ti質(zhì)粒：合成冠癭堿、大型質(zhì)粒5）Ri質(zhì)粒：產(chǎn)生根毛、大型質(zhì)粒第27頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三7）降解質(zhì)粒：降解、接合第28頁，共

7、110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三8）致病性質(zhì)粒： 溶血素、腸毒素（S.aureus）9）共生固氮質(zhì)粒： 結(jié)瘤基因（nod） 固氮基因（nif）10）隱蔽質(zhì)粒： - 未有明確表型第29頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三工程質(zhì)粒-pBR322主要特點：1）分子量小2）穩(wěn)定、松弛型復(fù)制3）可大量擴增4）容易分離5）可攜帶小于10kb外源DNA6）帶有2個選擇標(biāo)記 ; 7）多個單一酶切位點 8）容易轉(zhuǎn)化第30頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三利用選擇標(biāo)記鑒別攜帶外源片段的轉(zhuǎn)化子 (雙抗菌素對照篩選）第31頁，共110頁，2022

8、年，5月20日，18點28分，星期三建議讀物第32頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三 .2 基因突變和誘變育種 一、基因突變 野生型菌株：從自然界分離獲得的菌株， 稱之為 ?；九囵B(yǎng)基(MM)：滿足野生型菌株生長最 低營養(yǎng)要求的合成培養(yǎng)基。第33頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三（一）突變類型營養(yǎng)缺陷型：野生型菌株由于突變而喪失 了某種營養(yǎng)合成能力，而無法在基本培 養(yǎng)基上生長的變異類型。 表示：基 因：his+，his - ； 表 型：His + ，His 完全培養(yǎng)基：滿足各種營缺型菌株生長營養(yǎng)要求的天 然或半組合培養(yǎng)基。第34頁，共110頁

9、，2022年，5月20日，18點28分，星期三 抗性突變型：野生型菌株由于突變而產(chǎn)了對某些化學(xué)藥物或致死物理因子抗性變異類型。表示：基 因： strr、strs； tetr、tets； 表 型：Str r ， Str s第35頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三 條件致死突變型：某些菌株或病毒經(jīng)基因突變后，在某種條件可生長并實現(xiàn)表型，而在另一條件卻無法生長繁殖的突變類型。(如溫度敏感突變株：Ts）形態(tài)突變株抗原突變株產(chǎn)量突變株第36頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三突變株類型劃分： -選擇性突變株：營養(yǎng)缺陷型、抗性 突變型、條件致死突變型 -非

10、選擇突變株：形態(tài)、抗原、產(chǎn)量 突變型第37頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三（二）突變率及其撿出突變率：某一細(xì)胞在每一世代中發(fā)生突變的幾率。常用單位群體中每一世代產(chǎn)生的突變株的數(shù)目來表示。第38頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三突變株的撿出及突變率的計算 1) 撿出方法： 營養(yǎng)缺陷型; 抗藥性突變 等選擇性突變類型2) 突變率測定 突變菌數(shù)/總菌數(shù)第39頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三（三）基因突變的自發(fā)性與不對稱性 突變的自發(fā)性：基因可自發(fā)產(chǎn)生突變。 （輻射、自身有害物質(zhì)、堿基配對錯誤）突變的不對應(yīng)性：突變性狀與

11、引起突變 的環(huán)境因素?zé)o直接對應(yīng)關(guān)系。第40頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三平板影印培養(yǎng)試驗 (Lederberg)第41頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三（四）基因突變及其機制1、誘發(fā)突變 (點突變, 畸變)1)點突變(1)堿基置換 -轉(zhuǎn)換 -顛換第42頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三可能的突變型：錯義突變無義突變同義突變第43頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三 相關(guān)的誘變劑直接引起置換： 亞硝酸、亞硝基胍、羥胺、烷化劑 間接引起置換： 堿基類似物（5BU, 5-AU)第44頁，共110

12、頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三 2）移碼突變 DNA序列中插入或缺失少數(shù)核苷酸，從而使該處后面遺傳密碼的閱讀框架發(fā)生改變的突變。第45頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三 2）染色體畸變 DNA分子的大段損傷，包括缺失、重復(fù)、 插入、易位（轉(zhuǎn)座）和倒拉等。轉(zhuǎn)座：DNA分子通過非同源重組方式， 從染色體的某一部位轉(zhuǎn)移到另一部位的 現(xiàn)象。 第46頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三轉(zhuǎn)座因子 凡具有轉(zhuǎn)座作用的DNA序列均稱之。 特點：-轉(zhuǎn)座作用-末端重復(fù)序列-轉(zhuǎn)座酶基因第47頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三

13、轉(zhuǎn)座因子類型插入序列細(xì)菌轉(zhuǎn)座子(Tn,轉(zhuǎn)座子)包括復(fù)合轉(zhuǎn)座子和復(fù)雜轉(zhuǎn)座子）轉(zhuǎn)座噬菌體第48頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三 a）插入序列 (IS) b） 轉(zhuǎn)座子(Tn)第49頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三轉(zhuǎn)座機理第50頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三轉(zhuǎn)座子的遺傳效應(yīng)和生物學(xué)意義（復(fù)制型轉(zhuǎn)座）遺傳效應(yīng)1）插入突變2）DNA重排意義：進(jìn)化，獲得突變株，抗藥性鑒定必須基因第51頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三第52頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三 （五）紫外線

14、對DNA的損傷及其修復(fù)1損傷的機理： 形成胸腺嘧啶二聚體2、修復(fù)作用 1）光復(fù)活作用光解酶-二聚體復(fù)合物為光激活 第53頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三2.暗修復(fù)作用： 第54頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三3、重組修復(fù) 4、SOS修復(fù)第55頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三二、 突變與育種（一）自發(fā)突變與育種(定向培育）（二）誘變育種第56頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三1、基本原則（應(yīng)考慮的問題）1） 誘變劑的選擇 (有效性,安全性，簡便性)第57頁，共110頁，2022年，5月2

15、0日，18點28分，星期三誘變劑誘變效果測定（利用回復(fù)突變測定） 艾姆氏試驗(檢測三致物質(zhì)）第58頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三2）出發(fā)菌株3）誘變菌株的狀態(tài) -處理單胞（孢）懸液 -選擇單倍體或單核細(xì)胞4）劑量：低劑量； (表示方法;劑量存活曲線)5）提高檢出效率 -利用形態(tài)特征 -鑒別培養(yǎng)基第59頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三利用鑒別培養(yǎng)基檢出突變株 -蛋白酶高活性菌株的檢出 （酪蛋白為N源，加HgCl2觀察透明圈） -淀粉酶高活性菌株的檢出 （淀粉為C源，加I2液觀察透明圈） -有機酸高產(chǎn)菌株的檢出 （培養(yǎng)基加CaCO3觀察透明

16、圈）第60頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三6）設(shè)計高效的 篩選方案 初篩（定性） 復(fù)篩（質(zhì)量、定量）7）創(chuàng)新性的篩選方法 第61頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三抗菌活性的高通量篩選第62頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三2、營缺型的篩選（1）三種基本培養(yǎng)基基本培養(yǎng)基- :滿足野生型菌株生長 最低營養(yǎng)要求的組合培養(yǎng)基。完全培養(yǎng)基+ ：滿足所有營缺型菌株 生長營養(yǎng)要求的天然或半組合培養(yǎng)基。補充培養(yǎng)基A，B ：滿足相應(yīng)營缺型 菌株生長營養(yǎng)要求的組合或半組合培養(yǎng)基。第63頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28

17、分，星期三（2）三類遺傳型個體野生型：從自然界分離獲得的菌株不論 營養(yǎng)狀況如何，均稱為。（A+B + ）營缺型：野生型菌株經(jīng)誘變由于代謝障 礙,而必須添加某種物質(zhì)才能生長的突變株。 （A+B - ） （A-B + ） 原養(yǎng)型：營缺型回復(fù)突變后的菌株。 （A+B + ） 第64頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三 基本基- 完全基+ 補充基 A野生型 + + +營缺型 + +原養(yǎng)型 + + +第65頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三（3）篩選步驟 1）誘變 2）淘汰野生型：抗生素法、菌絲過濾法 3）檢出： 夾層培養(yǎng)法；限量補充法 逐個檢出法；影印

18、平板法 第66頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三夾層培養(yǎng)法第67頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三1）制備基本 培養(yǎng)基；2）加充分洗 滌菌懸液；3）加待測營 養(yǎng)物；4）觀察生長。（4）鑒定缺陷類型(生長譜法)第68頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三 定位（點）誘變盒式誘變 寡核苷酸引物誘變第69頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三Strain improvement for fermentation and biocatalysis processes by genetic engineeri

19、ng technology建議讀物第70頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三.3 基因重組 基因重組（狹義遺傳重組）： 兩個獨立基因組內(nèi)的遺傳物 質(zhì)，通過一定的途徑轉(zhuǎn)移到一起，形成新的穩(wěn)定的基因組過程。第71頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三遺傳工程 -基因重組技術(shù) 經(jīng)典、同源、生物自然屬性、 體內(nèi) -DNA重組技術(shù) (基因工程)： 分子水平、同- 異源、體外第72頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三一、原核生物的基因重組 （一）轉(zhuǎn)化 受體菌直接吸收供體菌游離的DNA片段而獲得部分遺傳性狀的現(xiàn)象。第73頁，共110頁，2

20、022年，5月20日，18點28分，星期三1、轉(zhuǎn)化的基本條件（1）感受態(tài)： 受體菌最容易接受外源DNA 片段并能實現(xiàn)轉(zhuǎn)化的一種生理狀態(tài)。 影響因素： -遺傳因素（感受態(tài)因子;種屬的特異性） -外部因素（CAMP、聚乙二醇、二價陽 離子; 低溫低滲CaCl處理、培養(yǎng)條件） 第74頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三 大?。?每一轉(zhuǎn)化DNA片段分子量約 1107， 約 占染色體組0.3%，平均 15個基因。結(jié)構(gòu)：一般轉(zhuǎn)化因子都是線狀雙鏈DNA，少數(shù)為 線狀單鏈DNA。轉(zhuǎn)化頻率：0.11%（很低），最高10%，質(zhì)粒 為良好的轉(zhuǎn)化因子。濃度：10-5 ug/ml（2）轉(zhuǎn)化因子第

21、75頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三轉(zhuǎn)化因子非交換第76頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三 2、轉(zhuǎn)化過程 1）酶解和吸收單鏈2）同源區(qū)配對、 整合3）復(fù)制4）形成轉(zhuǎn)化子第77頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三3.轉(zhuǎn)染(Tranfection) 提純的病毒DNA或RNA進(jìn)入宿主細(xì)胞并增殖出正常的病毒后代現(xiàn)象。 If DNA from a virus is used as the cloning vector, the process is called transfection. (Introduction to m

22、icrobiology, John L. Ingraham )第78頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三 （二）轉(zhuǎn)導(dǎo)(Lederberg,1952) 完全缺陷或部分缺陷噬菌體為媒介,使受體細(xì)胞獲得供體細(xì)胞部分遺傳性狀的現(xiàn)象。第79頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三1、普遍轉(zhuǎn)導(dǎo) 完全缺陷噬菌體對供體任何DNA小片段進(jìn)行“誤包”,而將其遺傳性狀傳遞給受體菌的現(xiàn)象，包括完全普遍轉(zhuǎn)導(dǎo)和流產(chǎn)普遍轉(zhuǎn)導(dǎo)兩種類型。第80頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三 完全轉(zhuǎn)導(dǎo) (形成轉(zhuǎn)導(dǎo)子)感染復(fù)數(shù)：感染的噬菌體數(shù)/被感染細(xì)胞數(shù)第81頁，共110

23、頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三流產(chǎn)轉(zhuǎn)導(dǎo)：(僅形成一個轉(zhuǎn)導(dǎo)子, 產(chǎn)生小菌落)經(jīng)轉(zhuǎn)導(dǎo)進(jìn)入受體菌的供體菌DNA片段，在受體菌內(nèi)不交換、整合、復(fù)制，也不迅速消失，僅進(jìn)行轉(zhuǎn)錄、翻譯、性狀表達(dá)轉(zhuǎn)導(dǎo)現(xiàn)象。 第82頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三、局限轉(zhuǎn)導(dǎo) 部分缺陷的溫和噬菌體把供體菌少數(shù)特定的基因攜帶到受體菌中并獲得表達(dá)的轉(zhuǎn)導(dǎo)現(xiàn)象。 A、低頻轉(zhuǎn)導(dǎo)（）噬菌體感染）誘導(dǎo)裂解）不正常切離（低頻轉(zhuǎn)導(dǎo)裂解物）（ dgal、 dbio）形成局限轉(zhuǎn)導(dǎo)子第83頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三B、高頻轉(zhuǎn)導(dǎo)（） 條件:雙重溶源菌低頻轉(zhuǎn)導(dǎo)(LFT)裂解物：

24、溶源噬菌體感染后， 帶少數(shù)局限轉(zhuǎn)導(dǎo)噬菌體的細(xì)胞裂解物。雙重溶源菌：同時感染有正常噬菌體 和缺陷噬菌體的受體菌。 (來源：LFT裂解物以高的感染復(fù)數(shù)(m.o.i) 感染宿主)第84頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三雙重溶源菌第85頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三2）高頻轉(zhuǎn)導(dǎo)：在局限轉(zhuǎn)導(dǎo)中，用雙重溶源菌誘導(dǎo)裂解后產(chǎn)生的高頻轉(zhuǎn)導(dǎo)裂解物轉(zhuǎn)導(dǎo)受體菌可獲得的高達(dá) 50% 的轉(zhuǎn)導(dǎo)子，稱之。3）過程：1）雙重溶源菌2）誘導(dǎo)，獲得高頻轉(zhuǎn)導(dǎo)裂解物3）高頻轉(zhuǎn)導(dǎo)裂解物低m.o.i感染受體菌第86頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三（3）溶源

25、轉(zhuǎn)變 溫和噬菌體 感染宿主后，宿主通過溶源化而獲得免疫性以外新性狀的現(xiàn)象。白喉毒素：白喉桿菌的-噬菌體帶有“TOX”基因第87頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三（三）接合 接合：通過細(xì)胞間的直接接觸,由質(zhì)粒介導(dǎo)的遺傳物質(zhì)轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象. 接合子：通過接合 而獲得新的遺傳 性狀的受體細(xì)胞。第88頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三 存在方式:四種接合型菌株 1、F -第89頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三 2、 F+ 菌株Orit：起始子第90頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三3、Hfr菌株：高頻

26、重組菌株， F+整合在染色體上 成為附加體的狀態(tài)，若與F -接合，有很高 的重組頻率。1）細(xì)胞接觸2）Hfr斷裂、轉(zhuǎn)移、 復(fù)制3）接合中斷4）形成接合子第91頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三利用接合中斷法繪制染色體圖譜 (分析方法:營缺型接合為重組型)第92頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三中斷雜交試驗第93頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三基因測序 （鳥槍法）1.構(gòu)建文庫2.隨機測序3.片斷排列4.編輯第94頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三 4、 F 菌株（質(zhì)粒帶有部分染色體片斷的菌株

27、）初生F 菌株次生F 菌株第95頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三建議讀物基因水平轉(zhuǎn)移是細(xì)菌進(jìn)化的主要動力 微生物功能基因組學(xué)第96頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三作業(yè): 在大腸桿菌中發(fā)生了基因重組現(xiàn)象.請用一組試驗證明發(fā)生該重組的過程是轉(zhuǎn)化,轉(zhuǎn)導(dǎo)或者接合?第97頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三 （四）原生質(zhì)體融合 通過人為方法,使遺傳性狀不同的兩個細(xì)胞的原生質(zhì)體融合,繼而遺傳重組,借以獲得兼有雙親性狀,遺傳性穩(wěn)定的融合子的過程。第98頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三 主要步驟： 1）選擇親本2）制備原生質(zhì)體3）促融4）原生質(zhì)體再生5）融合子檢出6）篩選第99頁，共110頁，2022年，5月20日，18點28分，星期三Metabolic engineering by genome shulfflingG.Stephanopoulos Nature biotechnology 2002,