微生物遺傳和變異

關(guān)于微生物遺傳和變異第1頁，共64頁，2023年，2月20日，星期四遺傳：親代與子代相似變異：親代與子代、子代間不同個(gè)體不完全相同遺傳型：表型：生物的全部遺傳因子所攜帶的遺傳信息具有一定遺傳型的個(gè)體，在特定環(huán)境條件下通過生長發(fā)育所表現(xiàn)出來的外表特征和內(nèi)在特征的總和。遺傳型（可能性）環(huán)境條件代謝，發(fā)育表型（現(xiàn)實(shí)性）第2頁，共64頁，2023年，2月20日，星期四表型飾變：表型的差異只與環(huán)境有關(guān)特點(diǎn)：暫時(shí)性、不可遺傳性、表現(xiàn)為全部個(gè)體的行為遺傳型變異（基因變異、基因突變）：遺傳物質(zhì)改變，導(dǎo)致表型改變特點(diǎn)：遺傳性、群體中極少數(shù)個(gè)體的行為（自發(fā)突變頻率通常為10-6-10-9）.粘質(zhì)沙雷氏菌產(chǎn)色素，斜面和液體在25℃培養(yǎng)產(chǎn)生紅色色素，在37℃條件下培養(yǎng)則不產(chǎn)生色素。第3頁，共64頁，2023年，2月20日，星期四第一節(jié)遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)一、三個(gè)證明DNA是遺傳物質(zhì)的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)1、經(jīng)典轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)肺炎鏈球菌：S型：菌體具莢膜，菌落表面光滑，有致病能力。R型：菌體無莢膜，菌落表面粗糙，無致病能力。第4頁，共64頁，2023年，2月20日，星期四1928年，F(xiàn).Griffth作了3組實(shí)驗(yàn):第5頁，共64頁，2023年，2月20日，星期四1944年，Avery精確重復(fù)了轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)，確定了轉(zhuǎn)化因子實(shí)驗(yàn)證明，將R菌轉(zhuǎn)化為S菌的轉(zhuǎn)化因子是DNA第6頁，共64頁，2023年，2月20日，星期四2、噬菌體感染實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)證明，進(jìn)入細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)部的物質(zhì)是DNA。DNA包含有產(chǎn)生完整噬菌體的全部信息。第7頁，共64頁，2023年，2月20日，星期四3、植物病毒重建實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)證明，遺傳信息的流向與DNA的傳遞是一致的。第8頁，共64頁，2023年，2月20日，星期四（一）微生物基因組結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)1、原核生物的基因組1）染色體為雙鏈環(huán)狀的DNA分子（單倍體）；2）基因組上遺傳信息具有連續(xù)性；3）功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因組成操縱子結(jié)構(gòu)；4）結(jié)構(gòu)基因的單拷貝及rRNA基因的多拷貝；5）基因組的重復(fù)序列少而短；二、遺傳物質(zhì)在微生物細(xì)胞內(nèi)存在的部位和方式第9頁，共64頁，2023年，2月20日，星期四2、真核微生物的基因組1）典型的真核染色體結(jié)構(gòu)；2）沒有明顯的操縱子結(jié)構(gòu)；3）有間隔區(qū)（即非編碼區(qū)）和內(nèi)含子序列；4）重復(fù)序列多；第10頁，共64頁，2023年，2月20日，星期四3、原核生物和真核生物的基因組比較第11頁，共64頁，2023年，2月20日，星期四（二）原核生物的質(zhì)粒1、定義質(zhì)粒（plasmid）：一種獨(dú)立于染色體外，能進(jìn)行自主復(fù)制的細(xì)胞質(zhì)遺傳因子，主要存在于各種微生物細(xì)胞中。質(zhì)粒所含的基因?qū)λ拗骷?xì)胞一般是非必需的；在某些特殊條件下，質(zhì)粒有時(shí)能賦予宿主細(xì)胞以特殊的機(jī)能，從而使宿主得到生長優(yōu)勢。第12頁，共64頁，2023年，2月20日，星期四第13頁，共64頁，2023年，2月20日，星期四2、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)通常以共價(jià)閉合環(huán)狀超螺旋雙鏈DNA分子存在具有自我復(fù)制能力；(3)質(zhì)?；虿皇巧L所必需，但決定宿主細(xì)胞的某些特性；(4)具有不相容性；可自行或以人工方法消除可從一個(gè)細(xì)菌轉(zhuǎn)移給另一個(gè)細(xì)菌第14頁，共64頁，2023年，2月20日，星期四3、質(zhì)粒的主要種類質(zhì)粒所編碼的功能和賦予宿主的表型效應(yīng)致育因子（Fertilityfactor，F(xiàn)因子）抗性因子（Resistancefactor，R因子）產(chǎn)細(xì)菌素的質(zhì)粒（Bacteriocinproductionplasmid）毒性質(zhì)粒（virulenceplasmid）代謝質(zhì)粒（Metabolicplasmid）隱秘質(zhì)粒（crypticplasmid）第15頁，共64頁，2023年，2月20日，星期四第16頁，共64頁，2023年，2月20日，星期四4、質(zhì)粒在基因工程中的應(yīng)用質(zhì)粒的優(yōu)點(diǎn)：（1）體積小，易分離和操作（2）環(huán)狀，穩(wěn)定（3）獨(dú)立復(fù)制（4）拷貝數(shù)多（5）存在標(biāo)記位點(diǎn)，易篩選E.coli的pBR322質(zhì)粒是一個(gè)常用的克隆載體第17頁，共64頁，2023年，2月20日，星期四第二節(jié)基因突變一、基因突變一個(gè)基因內(nèi)部遺傳結(jié)構(gòu)或DNA序列的任何改變、可遺傳、自發(fā)或誘變產(chǎn)生基因突變狹義：點(diǎn)突變廣義：基因突變和染色體畸變野生型（原始性狀）基因突變突變型（新性狀）第18頁，共64頁，2023年，2月20日，星期四（一）突變類型突變株的表型選擇性突變株非選擇性突變株?duì)I養(yǎng)缺陷型抗性突變型條件致死突變型形態(tài)突變型抗原突變型產(chǎn)量突變型第19頁，共64頁，2023年，2月20日，星期四（二）基因突變的特點(diǎn)1、自發(fā)性：各種性狀的突變，可以在沒有人為誘變因素下自發(fā)發(fā)生。2、不對應(yīng)性：突變性狀與引起突變的原因間無直接對應(yīng)關(guān)系。3、稀有性：一般在10-6~10-10

。4、獨(dú)立性：兩個(gè)基因發(fā)生突變是各不相關(guān)的兩個(gè)事件。5、可誘變性：過誘變劑的作用，可提高自發(fā)突變的頻率，一般可提高10~105

。6、穩(wěn)定性：產(chǎn)生的新性狀可穩(wěn)定遺傳。7、可逆性：任何性狀既有正向突變，也可發(fā)生回復(fù)突變。第20頁，共64頁，2023年，2月20日，星期四（三）基因突變自發(fā)性和不對應(yīng)性的實(shí)驗(yàn)證明三個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)變量實(shí)驗(yàn)涂布實(shí)驗(yàn)影印實(shí)驗(yàn)證明突變是自發(fā)產(chǎn)生的，并且突變的性狀與引起突變的原因間無直接對應(yīng)關(guān)系。野生型（原始性狀）特定環(huán)境突變型（適應(yīng)環(huán)境的新性狀）馴化定向誘變篩選？？？突變的原因？第21頁，共64頁，2023年，2月20日，星期四變量實(shí)驗(yàn)（fluctuationanalysis）第22頁，共64頁，2023年，2月20日，星期四Newcombe的涂布實(shí)驗(yàn)（1949）第23頁，共64頁，2023年，2月20日，星期四影印實(shí)驗(yàn)（replicaplating）第24頁，共64頁，2023年，2月20日，星期四（四）基因突變及其機(jī)制第25頁，共64頁，2023年，2月20日，星期四1、誘發(fā)突變：物理、化學(xué)核生物的因素，提高突變率的人為的作法（1）堿基的置換第26頁，共64頁，2023年，2月20日，星期四堿基的置換引起的突變第27頁，共64頁，2023年，2月20日，星期四（2）移碼突變：添加或缺失核苷酸，引起閱讀錯(cuò)誤錯(cuò)誤+錯(cuò)誤-+正常---正常+++正常第28頁，共64頁，2023年，2月20日，星期四（3）染色體畸變：缺失、重復(fù)、插入、易位、倒位第29頁，共64頁，2023年，2月20日，星期四2、自發(fā)突變：無人為因素下的低頻率突變原因：（1）背景輻射（2）有害產(chǎn)物積累（3）堿基錯(cuò)配第30頁，共64頁，2023年，2月20日，星期四第三節(jié)基因重組一、原核生物的基因重組（一）轉(zhuǎn)化供體菌受體菌DNA片段1928年，Griffith發(fā)現(xiàn)肺炎鏈球菌（Streptococcuspneumoniae）的轉(zhuǎn)化現(xiàn)象,目前已知有二十多個(gè)種的細(xì)菌具有自然轉(zhuǎn)化的能力進(jìn)行自然轉(zhuǎn)化，需要二方面必要的條件：第31頁，共64頁，2023年，2月20日，星期四1、建立了感受態(tài)的受體細(xì)胞感受態(tài)細(xì)胞：具有攝取外源DNA能力的細(xì)胞

自然感受態(tài)的出現(xiàn)是細(xì)胞一定生長階段的生理特性，受細(xì)菌自身的基因控制；人工感受態(tài)則是通過人為誘導(dǎo)的方法，使細(xì)胞具有攝取DNA的能力，或人為地將DNA導(dǎo)入細(xì)胞內(nèi)2、外源游離DNA分子（轉(zhuǎn)化因子）第32頁，共64頁，2023年，2月20日，星期四轉(zhuǎn)化過程（革蘭氏陽性菌的轉(zhuǎn)化模型）第33頁，共64頁，2023年，2月20日，星期四噬菌體DNA被感受態(tài)細(xì)胞攝取并產(chǎn)生有活性的病毒顆粒轉(zhuǎn)染(transfection)：轉(zhuǎn)染的特點(diǎn)：提純的噬菌體DNA以轉(zhuǎn)化的（而非感染）途徑進(jìn)入細(xì)胞并表達(dá)后產(chǎn)生完整的病毒顆粒。轉(zhuǎn)化過程的特點(diǎn)：a）對核酸酶敏感；b）不需要活的DNA供體細(xì)胞；c）轉(zhuǎn)化是否成功及轉(zhuǎn)化效率的高低主要取決于轉(zhuǎn)化供體菌株和轉(zhuǎn)化受體菌株之間的親源關(guān)系；d）通常情況下質(zhì)粒的自然轉(zhuǎn)化效率要低得多第34頁，共64頁，2023年，2月20日，星期四（二）細(xì)菌的轉(zhuǎn)導(dǎo)（transduction）由噬菌體介導(dǎo)的細(xì)菌細(xì)胞間進(jìn)行遺傳交換的一種方式一個(gè)細(xì)胞的DNA通過病毒載體的感染轉(zhuǎn)移到另一個(gè)細(xì)胞中細(xì)菌轉(zhuǎn)導(dǎo)的類型：普遍轉(zhuǎn)導(dǎo)局限轉(zhuǎn)導(dǎo)第35頁，共64頁，2023年，2月20日，星期四普遍轉(zhuǎn)導(dǎo)（generalizedtransduction）噬菌體可以轉(zhuǎn)導(dǎo)供體菌染色體的任何部分到受體細(xì)胞中的轉(zhuǎn)導(dǎo)過程.第36頁，共64頁，2023年，2月20日，星期四普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)的三種后果：外源DNA被降解，轉(zhuǎn)導(dǎo)失敗。進(jìn)入受體的外源DNA通過與細(xì)胞染色體的重組交換而形成穩(wěn)定的轉(zhuǎn)導(dǎo)子流產(chǎn)轉(zhuǎn)導(dǎo)第37頁，共64頁，2023年，2月20日，星期四局限轉(zhuǎn)導(dǎo)溫和噬菌體感染整合到細(xì)菌染色體的特定位點(diǎn)上宿主細(xì)胞發(fā)生溶源化溶源菌因誘導(dǎo)而發(fā)生裂解時(shí)，在前噬菌體兩側(cè)的少數(shù)宿主基因因偶爾發(fā)生的不正常切割而連在噬菌體DNA上部分缺陷的溫和噬菌體把供體菌的少數(shù)特定基因轉(zhuǎn)移到受體菌中第38頁，共64頁，2023年，2月20日，星期四局限轉(zhuǎn)導(dǎo)與普遍轉(zhuǎn)導(dǎo)的主要區(qū)別：（a）局限轉(zhuǎn)導(dǎo)中被轉(zhuǎn)導(dǎo)的基因共價(jià)地與噬菌體DNA連接，與噬菌體DNA一起進(jìn)行復(fù)制、包裝以及被導(dǎo)入受體細(xì)胞中。而普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)包裝的可能全部是宿主菌的基因。（b）局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)顆粒攜帶特定的染色體片段并將固定的個(gè)別基因?qū)胧荏w，故稱為局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)。而普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)攜帶的宿主基因具有隨機(jī)性。第39頁，共64頁，2023年，2月20日，星期四（三）接合(conjugation)通過細(xì)胞與細(xì)胞的直接接觸而產(chǎn)生的遺傳信息的轉(zhuǎn)移和重組過程。第40頁，共64頁，2023年，2月20日，星期四接合機(jī)制(大腸桿菌的接合機(jī)制)接合作用是由一種被稱為F因子的質(zhì)粒介導(dǎo)。F因子的分子量通常為5×107，上面有編碼細(xì)菌產(chǎn)生性菌毛及控制接合過程進(jìn)行的20多個(gè)基因。F因子為附加體質(zhì)粒既可以脫離染色體在細(xì)胞內(nèi)獨(dú)立存在，也可插入（整合）到染色體上第41頁，共64頁，2023年，2月20日，星期四F因子的四種細(xì)胞形式a）F-菌株(“雌性”菌株)，不含F(xiàn)因子，沒有性菌毛，但可以通過接合作用接收F因子而變成F+菌株；b）F+菌株(“雄性”菌株)，

F因子獨(dú)立存在，細(xì)胞表面有性菌毛。c）Hfr菌株，F(xiàn)因子插入到染色體DNA上，細(xì)胞表面有性菌毛。d）F′菌株，Hfr菌株內(nèi)的F因子因不正常切割而脫離染色體時(shí)，形成游離的但攜帶一小段染色體基因的F因子，特稱為F′因子。細(xì)胞表面同樣有性菌毛。第42頁，共64頁，2023年，2月20日，星期四1）F+×F-雜交理化因子的處理可將F因子消除而使F+菌株變成F-菌株第43頁，共64頁，2023年，2月20日，星期四第44頁，共64頁，2023年，2月20日，星期四2）Hfr×F-雜交Hfr菌株仍然保持著F+細(xì)胞的特征，具有F性菌毛，并象F+一樣與F-細(xì)胞進(jìn)行接合。所不同的是，當(dāng)OriT序列被缺刻螺旋酶識別而產(chǎn)生缺口后，F(xiàn)因子的先導(dǎo)區(qū)(leadingregion)結(jié)合著染色體DNA向受體細(xì)胞轉(zhuǎn)移。F因子除先導(dǎo)區(qū)以外，其余絕大部分是處于轉(zhuǎn)移染色體的末端，由于轉(zhuǎn)移過程常被中斷，因此F因子不易轉(zhuǎn)入受體細(xì)胞中。Hfr×F-雜交后的受體細(xì)胞(或接合子)大多數(shù)仍然是F-。第45頁，共64頁，2023年，2月20日，星期四染色體上越靠近F因子的先導(dǎo)區(qū)的基因，進(jìn)入的機(jī)會就越多，在F-中出現(xiàn)重組子的的時(shí)間就越早，頻率也高。第46頁，共64頁，2023年，2月20日，星期四第47頁，共64頁，2023年，2月20日，星期四3）F′×F-雜交Hfr菌株內(nèi)的F因子因不正常切割而脫離染色體時(shí)，形成游離的但攜帶一小段染色體基因的F因子，特稱為F′因子。F′×F-與F+×F-的不同：供體的部分染色體基因隨F′一起轉(zhuǎn)入受體細(xì)胞a）與染色體發(fā)生重組；b）繼續(xù)存在于F′因子上，形成一種部分二倍體；細(xì)胞基因的這種轉(zhuǎn)移過程又常稱為性導(dǎo)（sexduction）、F因子轉(zhuǎn)導(dǎo)（F-duction），或F因子媒介的轉(zhuǎn)導(dǎo)（F-mediatedtransduction）。第48頁，共64頁，2023年，2月20日，星期四第49頁，共64頁，2023年，2月20日，星期四“接合”“轉(zhuǎn)導(dǎo)”及“轉(zhuǎn)化”這三種在自然界中存在的細(xì)菌遺傳重組過程各自的特點(diǎn)：外源DNA的來源及進(jìn)入途徑有差異第50頁，共64頁，2023年，2月20日，星期四第四節(jié)微生物遺傳學(xué)的應(yīng)用一、菌種選育（一）自然選育（二）誘變選育以微生物的自然變異作為基礎(chǔ)的生產(chǎn)選種的機(jī)率并不很高，一個(gè)基因的自然突變頻率僅10-6-10-10左右。誘變育種：以誘發(fā)突變?yōu)榛A(chǔ)的育種，是迄今為止國內(nèi)外提高菌種產(chǎn)量、性能的主要手段。誘變育種的原理是用物理或化學(xué)的方法人工誘導(dǎo)基因發(fā)生突變，從而引起菌體發(fā)生遺傳的變異，在用合理的篩選方法從群體中篩選出少數(shù)具有優(yōu)良性狀的菌株。第51頁，共64頁，2023年，2月20日，星期四二、Ames試驗(yàn)“生物化學(xué)統(tǒng)一性”法則：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)生突變，最后造成癌變或其他不良的后果。誘變劑的共性原則：1.化學(xué)藥劑對細(xì)菌的誘變率與其對動(dòng)物的致癌性成正比2.超過95%的致癌物質(zhì)對微生物有誘變作用3.90%以上的非致癌物質(zhì)對微生物沒有誘變作用第52頁，共64頁，2023年，2月20日，星期四美國加利福尼亞大學(xué)的BruceAmes教授于1966年發(fā)明，因此稱為Ames試驗(yàn)。具體操作：檢測鼠傷寒沙門氏菌(Salmonellatyphmurium)組氨酸營養(yǎng)缺陷型菌株(his-)的回復(fù)突變率?；貜?fù)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。第53頁，共64頁，2023年，2月20日，星期四證明Ames試驗(yàn)重要性的應(yīng)用實(shí)例：國外曾開發(fā)了一種降低婦女妊娠反應(yīng)的藥物“反應(yīng)?！?，由于其藥效顯著，在60-70年代十分流行。但隨后人們就發(fā)現(xiàn)畸形兒的出生率明顯增高，而且生產(chǎn)畸形兒的婦女大多曾服用“反應(yīng)停”，后來采用Ames試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)這種物質(zhì)的確具有很強(qiáng)的致突變作用，因此這種藥物被禁止使用。但如果能在這種藥物上市之前就進(jìn)行Ames試驗(yàn)檢測，那么這種大量出生畸形兒的悲劇完全可以避免。第54頁，共64頁，2023年，2月20日，星期四三、菌種的衰退、復(fù)壯和保藏性狀穩(wěn)定的菌種是微生物學(xué)工作最重要的基本要求，否則生產(chǎn)或科研都無法正常進(jìn)行。影響微生物菌種穩(wěn)定性的因素：a）變異；b）污染；c）死亡。第55頁，共64頁，2023年，2月20日，星期四（一）菌種的衰退與復(fù)壯菌種衰退的原因：大量群體中的自發(fā)突變純菌種自發(fā)突變不純菌種突變個(gè)體傳代增殖原始個(gè)體衰退菌種衰退：菌種出現(xiàn)或表現(xiàn)出負(fù)變