第九章微生物的遺傳與變異

第九章微生物的遺傳與變異第1頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第九章微生物遺傳課程標(biāo)準(zhǔn)

了解微生物的遺傳物質(zhì)及基因組存在方式，理解基因突變的特點(diǎn)，掌握微生物的基因重組方式。Back第2頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一本章要點(diǎn)一微生物遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)二微生物的基因突變?nèi)⑸锏幕蛑亟M四微生物的遺傳育種第3頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一遺傳：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（inheritance）和變異（variation）是生命的最本質(zhì)特性之一生物的全部遺傳因子及基因具有一定遺傳型的個(gè)體，在特定環(huán)境條件下通過(guò)生長(zhǎng)發(fā)育所表現(xiàn)出來(lái)的形態(tài)等生物學(xué)特征的總和。表型是由遺傳型所決定，但也和環(huán)境有關(guān)。遺傳型（genotype）：表型（表現(xiàn)型）（phenotype）：第4頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一飾變（modification）：指生物體由于非遺傳因素引起的表型改變，變化發(fā)生在轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)譯水平，特點(diǎn)是幾乎整個(gè)群體中的每一個(gè)個(gè)體都發(fā)生同樣的變化，性狀變化的幅度小，不遺傳，引起飾變的因素消失后，表型即可恢復(fù)。第5頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一表型飾變：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)體的行為橘生淮南則為橘，生于淮北則為枳。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）第6頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一微生物是遺傳學(xué)研究中的明星：

微生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，營(yíng)養(yǎng)體一般為單倍體，方便建立純系。

很多常見(jiàn)微生物都易于人工培養(yǎng)，快速、大量生長(zhǎng)繁殖。

對(duì)環(huán)境因素的作用敏感，易于獲得各類突變株，操作性強(qiáng)。第7頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第一節(jié)遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)一、DNA作為遺傳物質(zhì)二、RNA作為遺傳物質(zhì)三、朊病毒的發(fā)現(xiàn)與思考第8頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1928年，Griffith進(jìn)行了以下幾組實(shí)驗(yàn)：（1）動(dòng)物實(shí)驗(yàn)

對(duì)小鼠注射活R菌或死S菌————小鼠存活

對(duì)小鼠注射活S菌————————小鼠死亡

對(duì)小鼠注射活R菌和熱死S菌———小鼠死亡抽取心血分離活的S菌

（一）轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)（transformation）：F.Griffith，研究對(duì)象：Streptococcuspneumoniae（肺炎雙球菌）S型菌株：有致病性，菌落表面光滑，有莢膜R型菌株：無(wú)致病性，菌落表面粗糙，無(wú)莢膜一DNA作為遺傳物質(zhì)第9頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（2）細(xì)菌培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)

熱死S菌—————不生長(zhǎng)

活R菌—————長(zhǎng)出R菌

熱死S菌+活R菌—————長(zhǎng)出大量R菌和10-6S菌（3）S型菌的無(wú)細(xì)胞抽提液試驗(yàn)

活R菌+S菌無(wú)細(xì)胞抽提液————長(zhǎng)出大量R菌和少量S菌以上實(shí)驗(yàn)說(shuō)明：加熱殺死的S型細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)可能存在一種轉(zhuǎn)化物質(zhì)，它能通過(guò)某種方式進(jìn)入R型細(xì)胞并使R型細(xì)胞獲得穩(wěn)定的遺傳性狀第10頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一一、DNA作為遺傳物質(zhì)第一節(jié)遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)第11頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一①加S菌DNA②加S菌DNA及DNA酶以外的酶③加S菌的DNA和DNA酶④加S菌的RNA⑤加S菌的蛋白質(zhì)⑥加S菌的莢膜多糖活R菌長(zhǎng)出S菌只有R菌1944年O.T.Avery、C.M.MacLeod和M.McCarty從熱死S型S.pneumoniae中提純了可能作為轉(zhuǎn)化因子的各種成分，在離體條件下進(jìn)行了轉(zhuǎn)化試驗(yàn)：Avery等在四十年代以更精密的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)重復(fù)了以上實(shí)驗(yàn)分別用降解DNA、RNA、蛋白質(zhì)的酶作用于有毒的S型菌細(xì)胞抽提物只有DNA被酶降解破壞的抽提物無(wú)轉(zhuǎn)化活性DNA是轉(zhuǎn)化所必需的轉(zhuǎn)化因子第12頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（二）噬菌體感染實(shí)驗(yàn)A.D.Hershey和M.Chase，1952年（1）含32P-DNA的一組：放射性85%在沉淀中（2）含35S-蛋白質(zhì)的一組：放射性75%在上清液中所以，進(jìn)入細(xì)胞的是噬菌體的核酸而不是蛋白質(zhì)。第13頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第一節(jié)遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)T2噬菌體感染實(shí)驗(yàn)（1952年）第14頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一TMVHR第一節(jié)遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)二、RNA作為遺傳物質(zhì)生化提取分別獲得含RNA的煙草花葉病毒蛋白質(zhì)外殼（病毒1）和核酸（病毒2）抗血清處理，證明雜種病毒的蛋白質(zhì)外殼來(lái)自病毒1，而非病毒2雜種病毒的后代的蛋白質(zhì)外殼表現(xiàn)為病毒2，而非病毒1遺傳物質(zhì)是核酸（RNA）而非蛋白質(zhì)病毒拆開(kāi)重建實(shí)驗(yàn)第15頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第一節(jié)遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)三、朊病毒的發(fā)現(xiàn)與思考亞病毒的一種：具有傳染性的蛋白質(zhì)致病因子，迄今為止尚為發(fā)現(xiàn)該蛋白內(nèi)含有核酸。其致病作用是由于動(dòng)物體內(nèi)正常的蛋白質(zhì)PrPc改變折疊狀態(tài)為PrPsc所致，而這二種蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)并沒(méi)有改變。第16頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一人的庫(kù)魯病(kuru)、克雅氏病(CreutzfeldtJakobdisease,CJD)等羊搔癢癥(scrapie)牛海綿狀腦病(spongiformencephalopathy)第17頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一引起人與動(dòng)物的致死性中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病第18頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一Prusiner(1982)提出羊搔癢病因子是一種蛋白質(zhì)侵染顆粒（proteinaceousinfectiousparticle），并將之稱做Prion或Virino。

-------朊病毒1997年，StanleyB.Prusiner榮獲諾貝爾獎(jiǎng)第19頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第一節(jié)遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)三、朊病毒的發(fā)現(xiàn)與思考1）蛋白質(zhì)是否可以作為遺傳物質(zhì)？

prion是生命的一個(gè)特例？還是僅僅為表達(dá)調(diào)控的一種形式？2）蛋白質(zhì)折疊與功能的關(guān)系，是否存在折疊密碼？DNA→RNA→肽鏈→蛋白質(zhì)第20頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第二節(jié)微生物的基因組結(jié)構(gòu)一、概念基因組（genome）：一個(gè)物種的單倍體的所有染色體及其所包含的遺傳信息的總稱原核生物（如細(xì)菌），多為單倍體（在一般情況下只有一條染色體）真核微生物，多條染色體，例如啤酒酵母有16條染色體。有時(shí)為雙倍體第21頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第二節(jié)微生物的基因組結(jié)構(gòu)二、微生物與人類基因組計(jì)劃人類基因組計(jì)劃（HumanGenomeProject）1985年提出；

1990年正式開(kāi)始實(shí)施；

2001年2月，測(cè)序工作完成；后基因組時(shí)代（PostgenomeEra）第22頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第二節(jié)微生物的基因組結(jié)構(gòu)二、微生物與人類基因組計(jì)劃微生物基因組測(cè)序工作是在人類基因組計(jì)劃的促進(jìn)下開(kāi)始的，最開(kāi)始是作為模式生物，后來(lái)不斷發(fā)展，已成為研究微生物學(xué)的最有力的手段。/tdb/mdb/mdb.html截止到2001年4月：

43種微生物完成了全基因組測(cè)序；

100多個(gè)正在進(jìn)行之中；第23頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第二節(jié)微生物的基因組結(jié)構(gòu)二、微生物與人類基因組計(jì)劃被選擇進(jìn)行全基因組測(cè)序的微生物：1、人類基因組計(jì)劃中的模式生物a）從技術(shù)上從低等入手，建立技術(shù)、積累經(jīng)驗(yàn)。通過(guò)對(duì)基因組結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單生物，特別是微生物基因組的測(cè)序，對(duì)大規(guī)模測(cè)序的策略及技術(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)，積累經(jīng)驗(yàn)；b）理論上利用基因組在進(jìn)化上的連續(xù)性進(jìn)行比較研究通過(guò)對(duì)不同進(jìn)化程度的基因組的分析、比較揭示更多的基本生物學(xué)信息。通過(guò)研究較為簡(jiǎn)單的基因組而解答復(fù)雜的人類基因組問(wèn)題，第24頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第二節(jié)微生物的基因組結(jié)構(gòu)二、微生物與人類基因組計(jì)劃被選擇進(jìn)行全基因組測(cè)序的微生物：1、人類基因組計(jì)劃中的模式生物2、與人類生活關(guān)系密切的微生物重要的致病菌及一些工業(yè)生產(chǎn)菌3、對(duì)闡明生物學(xué)基本問(wèn)題有價(jià)值的微生物例如一些古生菌：如Methanococcusjannaschii(詹氏甲烷球菌)等，它們是微生物世界多樣性的代表，它們的序列比較有助于找出其進(jìn)化關(guān)系。第25頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第二節(jié)微生物的基因組結(jié)構(gòu)三、微生物基因組結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)1、原核生物（細(xì)菌、古生菌）的基因組1）染色體為雙鏈環(huán)狀的DNA分子（單倍體）；鏈環(huán)狀的染色體在細(xì)胞中以緊密纏繞成的較致密的不規(guī)則小體形式存在于細(xì)胞中，該小體稱為擬核(nucliod)，其上結(jié)合有類組蛋白蛋白質(zhì)和少量RNA分子，使其壓縮成一種手腳架形的致密結(jié)構(gòu)。例外：布氏疏螺旋體(Borreliaburgdorferi)的染色體是線狀的第26頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第二節(jié)微生物的基因組結(jié)構(gòu)三、微生物基因組結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)1、原核生物（細(xì)菌、古生菌）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；基因數(shù)基本接近由它的基因組大小所估計(jì)的基因數(shù)參見(jiàn)表8-1（通常以1000bp～1500bp為一個(gè)基因進(jìn)行計(jì)算）微生物基因組DNA絕大部分用來(lái)編碼蛋白質(zhì)、RNA；用作為復(fù)制起點(diǎn)、啟動(dòng)子、終止子和一些由調(diào)節(jié)蛋白識(shí)別和結(jié)合的位點(diǎn)等信號(hào)序列。一般不含內(nèi)含子，遺傳信息是連續(xù)的而不是中斷的。真核生物基因組的一個(gè)重要特點(diǎn)就是含有內(nèi)含子個(gè)別細(xì)菌(鼠傷寒沙門氏菌和犬螺桿菌)和古生菌的rRNA和tRNA中也發(fā)現(xiàn)有內(nèi)含子或間插序列第27頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第二節(jié)微生物的基因組結(jié)構(gòu)三、微生物基因組結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)1、原核生物（細(xì)菌、古生菌）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；古生菌的基因組在結(jié)構(gòu)上類似于細(xì)菌。但是信息傳遞系統(tǒng)(復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯)則與細(xì)菌不同而類似于真核生物。操縱子（operon）：功能相關(guān)的幾個(gè)基因前后相連，再加上一個(gè)共同的調(diào)節(jié)基因和一組共同的控制位點(diǎn)（啟動(dòng)子、操作子等）在基因轉(zhuǎn)錄時(shí)協(xié)同動(dòng)作。操縱子（operon）：功能相關(guān)的幾個(gè)基因前后相連，再加上一個(gè)共同的調(diào)節(jié)基因和一組共同的控制位點(diǎn)（啟動(dòng)子、操作子等）在基因轉(zhuǎn)錄時(shí)協(xié)同動(dòng)作。第28頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第二節(jié)微生物的基因組結(jié)構(gòu)三、微生物基因組結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)2、真核微生物（啤酒酵母）的基因組1）典型的真核染色體結(jié)構(gòu)；2）沒(méi)有明顯的操縱子結(jié)構(gòu)；啤酒酵母基因組大小為13.5×106bp，分布在16條染色體中。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29頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第三節(jié)質(zhì)粒和轉(zhuǎn)座因子質(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。轉(zhuǎn)座因子（transposableelement）：位于染色體或質(zhì)粒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細(xì)胞中。質(zhì)粒和轉(zhuǎn)座因子是細(xì)胞中除染色體以外的另外二類遺傳因子第30頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第三節(jié)質(zhì)粒和轉(zhuǎn)座因子一、質(zhì)粒的分子結(jié)構(gòu)1、結(jié)構(gòu)通常以共價(jià)閉合環(huán)狀(covalentlyclosedcircle，簡(jiǎn)稱CCC)的超螺旋雙鏈DNA分子存在于細(xì)胞中；也發(fā)現(xiàn)有線型雙鏈DNA質(zhì)粒和RNA質(zhì)粒；質(zhì)粒分子的大小范圍從1kb左右到1000kb；（細(xì)菌質(zhì)粒多在10kb以內(nèi)）第31頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第三節(jié)質(zhì)粒和轉(zhuǎn)座因子一、質(zhì)粒的分子結(jié)構(gòu)2、質(zhì)粒的檢測(cè)

提取所有胞內(nèi)DNA后電鏡觀察；

超速離心或瓊脂糖凝膠電泳后觀察；

對(duì)于實(shí)驗(yàn)室常用菌，可用質(zhì)粒所帶的某些特點(diǎn)，如抗藥性初步判斷。對(duì)于由于三種構(gòu)型同時(shí)存在時(shí)造成的多帶現(xiàn)象（提取質(zhì)粒時(shí)造成或自然存在），可以進(jìn)行特異性單酶切，使其成為一條帶。特定的質(zhì)粒提取方法和后處理使染色體和RNA均被除掉。第32頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第三節(jié)質(zhì)粒和轉(zhuǎn)座因子二、質(zhì)粒的主要類型在某些特殊條件下，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(zhǎng)優(yōu)勢(shì)。質(zhì)粒所含的基因?qū)λ拗骷?xì)胞一般是非必需的；第33頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第三節(jié)質(zhì)粒和轉(zhuǎn)座因子二、質(zhì)粒的主要類型質(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34頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第三節(jié)質(zhì)粒和轉(zhuǎn)座因子二、質(zhì)粒的主要類型1、致育因子(Fertilityfactor，F(xiàn)因子)又稱F質(zhì)粒，其大小約100kb，這是最早發(fā)現(xiàn)的一種與大腸桿菌的有性生殖現(xiàn)象（接合作用）有關(guān)的質(zhì)粒。攜帶F質(zhì)粒的菌株稱為F+菌株（相當(dāng)于雄性），無(wú)F質(zhì)粒的菌株稱為F-菌株（相當(dāng)于雌性）。F因子能以游離狀態(tài)(F+)和以與染色體相結(jié)合的狀態(tài)(Hfr)存在于細(xì)胞中，所以又稱之為附加體(episome)。有關(guān)內(nèi)容在講細(xì)菌的接合作用（conjugation）時(shí)具體介紹第35頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第三節(jié)質(zhì)粒和轉(zhuǎn)座因子二、質(zhì)粒的主要類型2、抗性因子（Resistancefactor，R因子）包括抗藥性和抗重金屬二大類，簡(jiǎn)稱R質(zhì)粒。R100質(zhì)粒(89kb)可使宿主對(duì)下列藥物及重金屬具有抗性：汞（mercuricion，mer）四環(huán)素（tetracycline，tet）鏈霉素(Streptomycin,Str)、磺胺(Sulfonamide,Su)、氯霉素(Chlorampenicol,Cm)夫西地酸（fusidicacid，fus）并且負(fù)責(zé)這些抗性的基因是成簇地存在于抗性質(zhì)粒上。抗性質(zhì)粒在細(xì)菌間的傳遞是細(xì)菌產(chǎn)生抗藥性的重要原因之一。第36頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第三節(jié)質(zhì)粒和轉(zhuǎn)座因子二、質(zhì)粒的主要類型3、產(chǎn)細(xì)菌素的質(zhì)粒（Bacteriocinproductionplasmid）細(xì)菌素結(jié)構(gòu)基因、涉及細(xì)菌素運(yùn)輸及發(fā)揮作用（processing）的蛋白質(zhì)的基因、賦予宿主對(duì)該細(xì)菌素具有“免疫力”的相關(guān)產(chǎn)物的基因一般都位于質(zhì)?；蜣D(zhuǎn)座子上，因此，細(xì)菌素可以殺死同種但不攜帶該質(zhì)粒的菌株。第37頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第三節(jié)質(zhì)粒和轉(zhuǎn)座因子二、質(zhì)粒的主要類型3、產(chǎn)細(xì)菌素的質(zhì)粒（Bacteriocinproductionplasmid）細(xì)菌素一般根據(jù)產(chǎn)生菌的種類進(jìn)行命名：大腸桿菌（E.coli）產(chǎn)生的細(xì)菌素為colicins（大腸桿菌素），而質(zhì)粒被稱為Col質(zhì)粒。由G+細(xì)菌產(chǎn)生的細(xì)菌素或與細(xì)菌素類似的因子與colicins有所不同，但通常也是由質(zhì)粒基因編碼，有些甚至有商業(yè)價(jià)值，例如一種乳酸細(xì)菌產(chǎn)生的細(xì)菌素NisinA能強(qiáng)烈抑制某些G+細(xì)菌的生長(zhǎng)，而被用于食品工業(yè)的保藏。第38頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第三節(jié)質(zhì)粒和轉(zhuǎn)座因子二、質(zhì)粒的主要類型4、毒性質(zhì)粒（virulenceplasmid）許多致病菌的致病性是由其所攜帶的質(zhì)粒引起的，這些質(zhì)粒具有編碼毒素的基因，其產(chǎn)物對(duì)宿主（動(dòng)物、植物）造成傷害。產(chǎn)毒素大腸桿菌是引起人類和動(dòng)物腹瀉的主要病原菌之一，其中許多菌株含有為一種或多種腸毒素編碼的質(zhì)粒。蘇云金桿菌含有編碼δ內(nèi)毒素(伴孢晶體中)的質(zhì)粒根癌土壤桿菌所含Ti質(zhì)粒是引起雙子葉植物冠癭瘤的致病因子第39頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第三節(jié)質(zhì)粒和轉(zhuǎn)座因子二、質(zhì)粒的主要類型5、代謝質(zhì)粒（Metabolicplasmid）質(zhì)粒上攜帶有有利于微生物生存的基因，如能降解某些基質(zhì)的酶，進(jìn)行共生固氮，或產(chǎn)生抗生素（某些放線菌）等。將復(fù)雜的有機(jī)化合物降解成能被其作為碳源和能源利用的簡(jiǎn)單形式，環(huán)境保護(hù)方面具有重要的意義。假單胞菌：具有降解一些有毒化合物，如芳香簇化合物(苯)、農(nóng)藥(2,4dichlorophenoxyaceticacid)、辛烷和樟腦等的能力。降解質(zhì)粒：第40頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第三節(jié)質(zhì)粒和轉(zhuǎn)座因子二、質(zhì)粒的主要類型6、隱秘質(zhì)粒（crypticplasmid）隱秘質(zhì)粒不顯示任何表型效應(yīng)，它們的存在只有通過(guò)物理的方法，例如用凝膠電泳檢測(cè)細(xì)胞抽提液等方法才能發(fā)現(xiàn)。它們存在的生物學(xué)意義，目前幾乎不了解。在應(yīng)用上，很多隱秘質(zhì)粒被加以改造作為基因工程的載體（一般加上抗性基因）第41頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第三節(jié)質(zhì)粒和轉(zhuǎn)座因子二、質(zhì)粒的主要類型高拷貝數(shù)(highcopynumber)質(zhì)粒（每個(gè)宿主細(xì)胞中可以有10-100個(gè)拷貝）

———————松弛型質(zhì)粒(relaxedplasmid)低拷貝數(shù)(lowcopynumber)質(zhì)粒（每個(gè)宿主細(xì)胞中可以有1-4個(gè)拷貝）

———————嚴(yán)謹(jǐn)型質(zhì)粒(stringentplasmid)窄宿主范圍質(zhì)粒(narrowhostrangeplasmid)（只能在一種特定的宿主細(xì)胞中復(fù)制）廣宿主范圍質(zhì)粒(broadhostrangeplasmid)（可以在許多種細(xì)菌中復(fù)制）第42頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第三節(jié)質(zhì)粒和轉(zhuǎn)座因子三、質(zhì)粒的不親和性質(zhì)粒之間的不親和性、以及質(zhì)粒拷貝數(shù)的多少、能適應(yīng)的宿主范圍的寬窄等特性均與質(zhì)粒的復(fù)制控制類型有關(guān)。第43頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第三節(jié)質(zhì)粒和轉(zhuǎn)座因子四、轉(zhuǎn)座因子的類型和分子結(jié)構(gòu)五、轉(zhuǎn)座的遺傳學(xué)效應(yīng)第44頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第四節(jié)基因突變及修復(fù)一個(gè)基因內(nèi)部遺傳結(jié)構(gòu)或DNA序列的任何改變基因突變：第45頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第四節(jié)基因突變及修復(fù)一個(gè)基因內(nèi)部遺傳結(jié)構(gòu)或DNA序列的任何改變基因突變：基因突變是重要的生物學(xué)現(xiàn)象，它是一切生物變化的根源，連同基因轉(zhuǎn)移、重組一起提供了推動(dòng)生物進(jìn)化的遺傳多變性。基因突變DNA損傷修復(fù)機(jī)制突變自發(fā)突變誘變環(huán)境因素的影響，DNA復(fù)制過(guò)程的偶然錯(cuò)誤等而導(dǎo)致，一般頻率較低，通常為10-6-10-9。某些物理、化學(xué)因素對(duì)生物體的DNA進(jìn)行直接作用，突變以較高的頻率產(chǎn)生。前者可以通過(guò)DNA復(fù)制而成為真正的突變，也可以重新變?yōu)樵瓉?lái)的結(jié)構(gòu)，這取決于修復(fù)作用和其它多種因素。第46頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1、特點(diǎn)1）非對(duì)應(yīng)性2）稀有性3）規(guī)律性4）獨(dú)立性5）遺傳和回復(fù)性6）可誘變性第四節(jié)基因突變及修復(fù)一、基因突變的特點(diǎn)第47頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一證明突變的性狀與引起突變的原因間無(wú)直接對(duì)應(yīng)關(guān)系！如何證明基因突變的非對(duì)應(yīng)性？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)一、基因突變的特點(diǎn)2、實(shí)驗(yàn)證據(jù)第48頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一變量實(shí)驗(yàn)（fluctuationanalysis）SalvadorLuriaandMaxDelbruck（1943）SalvadorLuriaMaxDelbruckTheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1969第49頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一Newcombe的涂布實(shí)驗(yàn)（1949）第50頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一影印實(shí)驗(yàn)（replicaplating）JoshuaLederbergandEstherLederberg（1952）JoshuaLederbergJ.LederbergisawardedtheNoblePrizeinMedicineandPhysiologyin1958第51頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一突變真的與選擇壓力無(wú)關(guān)嗎？適應(yīng)性突變（adaptivemutability）和高頻突變（hypermutation）BensonS.Adaptivemutation:ageneralphenomenonorspecialcase?Bioessays.1997Jan;19(1):9-11.Review.GalitskiT,RothJR.

Asearchforageneralphenomenonofadaptivemutability.Genetics.1996Jun;143(2):645-59.DanI.Andersson,E.SusanSlechta,andJohnR.RothEvidenceThatGeneAmplificationUnderliesAdaptiveMutabilityoftheBacteriallacOperon。Science1998November6;282:1133-1135.

GodoyVG,FoxMS.

Transposonstabilityandaroleforconjugationaltransferinadaptivemutability.ProcNatlAcadSciUSA.2000Jun20;97(13):7393-8.BullHJ,McKenzieGJ,HastingsPJ,RosenbergSM.Evidencethatstationary-phasehypermutationintheEscherichiacolichromosomeispromotedbyrecombination.Genetics.2000Apr;154(4):1427-37.第52頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一點(diǎn)突變：堿基置換轉(zhuǎn)換：嘧啶嘧啶；嘌呤嘌呤

TC

A

G

顛換：嘧啶嘌呤；嘌呤嘧啶

ATACGTGC第四節(jié)基因突變及修復(fù)二、常見(jiàn)的微生物突變類型

移碼突變?nèi)笔В篈BCABABCABC

插入：ABCABCADBC

畸變：缺失：abchijk

添加：重復(fù)：abcabcdefghi

插入：abcpqrdefghi

易位：abcpqrstdefghi

倒位：abcfedghi第53頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第四節(jié)基因突變及修復(fù)二、常見(jiàn)的微生物突變類型表型基因型這里主要介紹幾種常用的由于基因突變而造成微生物表型變化的突變型及其分離第54頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第四節(jié)基因突變及修復(fù)二、常見(jiàn)的微生物突變類型1）營(yíng)養(yǎng)缺陷型（auxotroph）一種缺乏合成其生存所必須的營(yíng)養(yǎng)物（包括氨基酸、維生素、堿基等）的突變型，只有從周圍環(huán)境或培養(yǎng)基中獲得這些營(yíng)養(yǎng)或其前體物（precursor）才能生長(zhǎng)。營(yíng)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)：在基本培養(yǎng)基上能否生長(zhǎng)第55頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第四節(jié)基因突變及修復(fù)二、常見(jiàn)的微生物突變類型1）營(yíng)養(yǎng)缺陷型（auxotroph）特點(diǎn)：在選擇培養(yǎng)基（一般為基本培養(yǎng)基）上不生長(zhǎng)負(fù)選擇標(biāo)記突變株不能通過(guò)選擇平板直接獲得第56頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1）營(yíng)養(yǎng)缺陷型（auxotroph）影印平板（Replicaplating）法是Lederberg夫婦在1952年建立第57頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第四節(jié)基因突變及修復(fù)二、常見(jiàn)的微生物突變類型營(yíng)養(yǎng)缺陷型的表示方法：1）營(yíng)養(yǎng)缺陷型（auxotroph）基因型：所需營(yíng)養(yǎng)物的前三個(gè)英文小寫斜體字母表示：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變）表型：同上，但第一個(gè)字母大寫，且不用斜體：HisC在具體使用時(shí)多用hisC-和hisC+，分別表示缺陷型和野生型。第58頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第四節(jié)基因突變及修復(fù)二、常見(jiàn)的微生物突變類型2）抗藥性突變型（resistantmutant）基因突變使菌株對(duì)某種或某幾種藥物，特別是抗生素，產(chǎn)生抗性。特點(diǎn)：正選擇標(biāo)記（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(zhǎng)。所以很容易分離得到。）表示方法：所抗藥物的前三個(gè)小寫斜體英文字母加上“r”表示strr和strs分別表示對(duì)鏈霉素的抗性和敏感性第59頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第四節(jié)基因突變及修復(fù)二、常見(jiàn)的微生物突變類型3）條件致死突變型（conditionallethalmutant）

在某一條件下具有致死效應(yīng)，而在另一條件下沒(méi)有致死效應(yīng)的突變型。常用的條件致死突變是溫度敏感突變，用ts（temperaturesensitive）表示，這類突變?cè)诟邷叵拢ㄈ?2℃）是致死的，但可以在低溫（如25-30℃）下得到這種突變。特點(diǎn)：負(fù)選擇標(biāo)記這類突變型常被用來(lái)分離生長(zhǎng)繁殖必需的突變基因第60頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第四節(jié)基因突變及修復(fù)二、常見(jiàn)的微生物突變類型4）形態(tài)突變型（morphologicalmutant）造成形態(tài)改變的突變型特點(diǎn)：非選擇性突變突變株和野生型菌株均可生長(zhǎng)，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β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(kāi)。形成芽孢缺陷菌株細(xì)胞水平上的形態(tài)突變，突變株的檢出更加困難。第61頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第四節(jié)基因突變及修復(fù)二、常見(jiàn)的微生物突變類型5）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(shí)際應(yīng)用中具有重要意義，突變類型一般都不具有很明顯或可直接檢測(cè)到的表型。其突變株的獲得往往需要較大的工作量。第62頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第四節(jié)基因突變及修復(fù)三、誘變劑與致癌物質(zhì)——Ames試驗(yàn)a）利用各種誘變劑獲得各類遺傳突變，進(jìn)行誘變育種；c）危害人類自身的健康b）對(duì)有害微生物進(jìn)行控制；很多種化學(xué)物質(zhì)，能以各種機(jī)制導(dǎo)致DNA的突變第63頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一“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(huì)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。第64頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一誘變劑的共性原則：化學(xué)藥劑對(duì)細(xì)菌的誘變率與其對(duì)動(dòng)物的致癌性成正比

超過(guò)95%的致癌物質(zhì)對(duì)微生物有誘變作用90%以上的非致癌物質(zhì)對(duì)微生物沒(méi)有誘變作用第65頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一回復(fù)突變(reversemutation或backmutation)：突變體失去的野生型性狀，可以通過(guò)第二次突變得到恢復(fù)，這種第二次突變稱為回復(fù)突變美國(guó)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(cè)鼠傷寒沙門氏菌(Salmonellatyphmurium)組氨酸營(yíng)養(yǎng)缺陷型菌株(his-)的回復(fù)突變率第66頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一Ames試驗(yàn)第67頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一證明Ames試驗(yàn)重要性的應(yīng)用實(shí)例：國(guó)外曾開(kāi)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)?！?，后來(lái)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(cè)，那么這種大量出生畸形兒的悲劇完全可以避免，第68頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第四節(jié)基因突變及修復(fù)三、誘變劑與致癌物質(zhì)——Ames試驗(yàn)由于生物體內(nèi)、體外可能存在的差異，可在體外加入哺乳動(dòng)物（如大鼠）微粒體酶系統(tǒng)，使待測(cè)物活化，使Ames試驗(yàn)的準(zhǔn)確率達(dá)80-90%。第69頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第五節(jié)微生物的基因重組

基因重組——將兩個(gè)不同性狀個(gè)體細(xì)胞內(nèi)的基因轉(zhuǎn)移到一起，經(jīng)過(guò)遺傳分子間的重新組合，形成新遺傳個(gè)體的方式。也稱遺傳重組。

原核微生物遺傳重組方式轉(zhuǎn)化作用轉(zhuǎn)導(dǎo)作用接合作用原生質(zhì)體融合真核微生物遺傳重組方式有性生殖準(zhǔn)性生殖原生質(zhì)體融合基因重組在細(xì)胞水平上的反應(yīng)第70頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1.原核微生物遺傳重組方式強(qiáng)調(diào)：缺乏有性系統(tǒng)，基因重組時(shí)，兩個(gè)親本細(xì)胞并不提供等量的遺傳信息給其子代，只是交換小部分遺傳信息。

供體——提供DNA的細(xì)菌細(xì)胞。受體——獲得DNA的細(xì)菌細(xì)胞。（1）轉(zhuǎn)化

——受體細(xì)胞直接吸收來(lái)自供體細(xì)胞的DNA片段或質(zhì)粒DNA片段，并把它組合到自己的基因組中，從而獲得供體細(xì)胞部分遺傳性狀的現(xiàn)象。轉(zhuǎn)化子——含有供體DNA受體菌。三個(gè)階段：

感受態(tài)階段：受體菌成為易接受DNA片段的生理狀態(tài)。

DNA的結(jié)合和吸收雙鏈DNA片段與感受態(tài)細(xì)菌細(xì)胞表面的特定位點(diǎn)結(jié)合

DNA分子的一條鏈被降解，另一條鏈進(jìn)入受體細(xì)胞。

DNA的整合同源區(qū)段配對(duì)受體DNA的相應(yīng)單鏈片段被切割、降解供體DNA整合，形成雜合DNA片段，復(fù)制、分離。第71頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

轉(zhuǎn)化過(guò)程示意圖第72頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（2）轉(zhuǎn)導(dǎo)作用

——供體細(xì)胞的DNA通過(guò)噬菌體作為中間載體轉(zhuǎn)移至受體細(xì)胞中，通過(guò)交換、整合，從而獲得供體細(xì)胞部分遺傳性狀的現(xiàn)象。是利用溫和性噬菌體和溶源細(xì)胞的特性來(lái)進(jìn)行的。類型：

普遍轉(zhuǎn)導(dǎo)——通過(guò)完全缺陷噬菌體噬菌體把供體菌的任何DNA小片段攜帶到受體菌中，而實(shí)現(xiàn)其遺傳性狀傳遞的轉(zhuǎn)導(dǎo)現(xiàn)象。

完全缺陷噬菌體的獲得：噬菌體侵染供體菌，在其體內(nèi)復(fù)制增殖時(shí)，并不降解宿主DNA，而使宿主的染色體DNA斷裂。噬菌體裝配成熟時(shí)，極少數(shù)噬菌體衣殼包裝一小段供體菌DNA片段，即“誤包”，形成了一個(gè)完全不含噬菌體自身DNA的假噬菌體，即為完全缺陷噬菌體噬菌體。

特異轉(zhuǎn)導(dǎo)——通過(guò)部分缺陷的溫和性噬菌體把供體菌的少數(shù)特定基因攜帶到受體菌中，并獲得表達(dá)的轉(zhuǎn)導(dǎo)現(xiàn)象。第73頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一轉(zhuǎn)導(dǎo)示意圖第74頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一接合轉(zhuǎn)移

——兩種細(xì)菌細(xì)胞通過(guò)性菌毛直接接觸將DNA從一種細(xì)菌轉(zhuǎn)移到另一種細(xì)菌的現(xiàn)象。強(qiáng)調(diào)：供體菌和受體菌都是完整的細(xì)胞

直接對(duì)接研究最清楚的是E.coli，決定其性別的是一種質(zhì)?！狥因子。根據(jù)F因子在細(xì)胞中的有無(wú)及存在方式的不同，分為四種接合類型：F+菌株：細(xì)胞中存在游離狀態(tài)的F因子，有相應(yīng)的性菌毛。F-菌株：細(xì)胞中無(wú)F因子，無(wú)性菌毛。Hfr菌株：F因子以整合狀態(tài)存在于核染色體DNA的特定位點(diǎn)上

Hfr菌株與F-菌株接合后，發(fā)生的重組頻率要比F+菌株與F-菌株的重組頻率高出數(shù)百倍，故又名高頻重組菌株。F’菌株：當(dāng)Hfr菌株內(nèi)的F因子不正常切離而脫離染色體時(shí)，形成了游離的但

攜帶了一小段染色體基因的F因子。第75頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第76頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一與F+菌株接合分離或消除與核染色體DNA整合正常切離不正常切離分離或消除與F’接合

F-菌株F+菌株Hfr菌株F’菌株F因子的存在方式與相互關(guān)系第77頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.

真核微生物遺傳重組方式

有性生殖——兩個(gè)性細(xì)胞結(jié)合后形成新個(gè)體的繁殖方式。經(jīng)歷了質(zhì)配、核配和減數(shù)分裂三個(gè)過(guò)程。準(zhǔn)性生殖——是一些半知菌亞門真菌所特有的類似于有性生殖，但比有性生殖更為原始的一種生殖方式。它可使同一生物的兩個(gè)不同來(lái)源的體細(xì)胞經(jīng)質(zhì)配、核配，但不通過(guò)減數(shù)分裂而導(dǎo)致低頻率基因重組。三個(gè)階段：異核體的形成：兩個(gè)體細(xì)胞接合形成雙相異核體二倍體化：即核配，核融合，形成二倍體雜合子。體細(xì)胞交換和單倍體化：雜合的二倍體有絲分裂過(guò)程中，染色體可以進(jìn)行部分基因的交換。第78頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第79頁(yè)，共87頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

準(zhǔn)性生殖與有性生殖的主要差別準(zhǔn)性生殖有性生殖參與接合的親本細(xì)胞形態(tài)相同的體細(xì)胞形態(tài)相同或不同，但生理