微生物的遺傳與變異.ppt

1、第 八 章 微生物的遺傳,第八章 微生物的遺傳變異和育種,遺傳（heredity inheritance） ：,親代與子代相似,變異（variation） ：,親代與子代、子代間不同個體不完全相同,遺傳（inheritance）和變異（variation） 是生命的最本質(zhì)特性之一,（1）遺傳型（genotype）,生物的全部遺傳因子及基因,又稱基因型，指某一生物個體所含有的全部遺傳因子即基因組（genome）所攜帶的遺傳信息。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(fù)載的特定遺傳信息。,（2）表型（phenotype）,具有一定遺傳型的個體，在特定環(huán)境條件下通過生長發(fā)育所表現(xiàn)出來的形

2、態(tài)等生物學(xué)特征的總和。,又稱表現(xiàn)型，指某一生物體所具有的一切外表特征和內(nèi)在特性的總和，是其遺傳型在合適環(huán)境下通過代謝和發(fā)育而得到的具體表現(xiàn)。,表型是由遺傳型所決定，但也和環(huán)境有關(guān),（3）變異,遺傳型變異（基因變異、基因突變）： 指生物體在某種外因或內(nèi)因的作用下所引起的遺傳物質(zhì)結(jié)構(gòu)或數(shù)量的改變，亦即遺傳型的改變。,遺傳物質(zhì)改變，導(dǎo)致表型改變 特點：遺傳性、群體中極少數(shù)個體的行為 （自發(fā)突變頻率通常為10-6-10-9）,表型飾變： 指不涉及遺傳物質(zhì)結(jié)構(gòu)改變而只發(fā)生在轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)譯水平上的表型變化。,表型的差異只與環(huán)境有關(guān) 特點：暫時性、不可遺傳性、表現(xiàn)為全部個體的行為,橘生淮南則為橘，生于淮北則為枳

3、。,（4）飾變（modification）,微生物是遺傳學(xué)研究中的明星：,微生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)簡單，營養(yǎng)體一般為單倍體，方便建立純系。,很多常見微生物都易于人工培養(yǎng)，快速、大量生長繁殖。,對環(huán)境因素的作用敏感，易于獲得各類突變株，操作性強。,第一節(jié) 遺傳變異的物質(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,一、3個經(jīng)典實驗 （一）經(jīng)典轉(zhuǎn)化試驗,最早進行轉(zhuǎn)化（transformation）實驗的是F. Griffith（1928年），他以Streptococcus pneumoniae （肺炎鏈球菌）作為研究對象。,（1）動物實驗,著名的肺炎球菌轉(zhuǎn)化試驗,S型，致病菌

4、， 具莢膜，菌落表面光滑（smooth）,R型，非致病菌， 無莢膜，菌落表面粗糙（rough）,S型,R型,加熱滅菌,熱死S菌活R菌,（2）細(xì)菌培養(yǎng)試驗,（3）S型菌的無細(xì)胞抽提液試驗,以上實驗說明了什么？,至此，并不知道是夾膜還是核酸。O.T.Avery和他的同事進行了這方面的工作。,以上實驗說明：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)，它能通過某種方式進入R型細(xì)胞并使R型細(xì)胞獲得穩(wěn)定的遺傳性狀，轉(zhuǎn)變?yōu)镾型細(xì)胞。,這時能確認(rèn)這種轉(zhuǎn)化物質(zhì)是什么嗎？核酸還是莢膜？,Avery在四十年代以更精密的實驗設(shè)計重復(fù)了以上實驗,（1）從活的S菌中抽提各種細(xì)胞成分（DNA，蛋白質(zhì)，莢膜多糖等） （2）

5、對各組分進行轉(zhuǎn)化試驗,只有S型細(xì)菌的DNA才能將S. pneumoniae的R型轉(zhuǎn)化為S型，且DNA純度越高，轉(zhuǎn)化效率也越高。說明S型菌株轉(zhuǎn)移給R型菌株的，決不是夾膜多糖，而是以DNA為物質(zhì)基礎(chǔ)的遺傳信息。,加R菌DNA 加R菌DNA及DNA酶以外的酶 加R菌的DNA和DNA酶 加R菌的RNA 加R菌的蛋白質(zhì) 加R菌的莢膜多糖？,活S菌,長出？菌,只有？菌,若該實驗用下列組合進行結(jié)果會怎樣？,該組合有何缺陷？,無法證明莢膜多糖,能用死R菌代替嗎?,（二）噬菌體感染實驗,1952年，A.D.Hershey和M.Chase發(fā)表了證明DNA是噬菌體的遺傳物質(zhì)基礎(chǔ)的著名實驗 噬菌體感染實驗,該上清液和

6、沉淀中不同比例的放射性是如何形成的？,上清液中含 15%放射性,沉淀中含 85%放射性,（1）以32P標(biāo)記DNA做噬菌體感染實驗,沉淀中含 25%放射性,（2）以35S標(biāo)記蛋白質(zhì)外殼做噬菌體感染實驗,上清液中含 75%放射性,該上清液和沉淀中不同比例的放射性是如何形成的？,在DNA中存在著包括合成蛋白質(zhì)外殼在內(nèi)的整套遺傳信息。,（三）植物病毒的重建實驗,為了證明核酸是遺傳物質(zhì)，H. Fraenkel-Conrat（1956）用含RNA的煙草花葉病毒（TMV）進行了著名的植物病毒重建實驗。,選用TMV和霍氏車前花葉病毒（HRV），分別拆分取得各自的RNA和蛋白質(zhì)，將兩種RNA分別與對方的蛋白質(zhì)外

7、殼重建形成兩種雜合病毒：,（1）RNA（TMV） 蛋白質(zhì)（HRV） （2）RNA（HRV） 蛋白質(zhì)（TMV） 用兩種雜合病毒感染寄主： （1）表現(xiàn)TMV的典型癥狀病分離到正常TMV粒子 （2）表現(xiàn)HRV的典型癥狀病分離到正常HRV粒子。 上述結(jié)果說明，在RNA病毒中，遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)也是核酸。,TMV HRV,HRV MTV,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物體內(nèi)正常的蛋白質(zhì)PrP c改變折疊狀態(tài)為PrP sc所致，而這二種蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)并沒有改變。,二、朊病的發(fā)現(xiàn)與思考,思 考,1）蛋白質(zhì)是否可以作為遺傳物質(zhì)？ prion是生命

8、的一個特例？還是僅僅為表達調(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？,DNARNA肽鏈蛋白質(zhì),三、遺傳物質(zhì)在微生物細(xì)胞內(nèi)存在的部位和方式 （一）7個水平,1. 細(xì)胞水平,DNA大部分集中在細(xì)胞核或核區(qū)中,2. 細(xì)胞核水平,3. 染色體水平,（1）染色體數(shù),（2）染色體倍數(shù),單倍體（heoloid）： 一個細(xì)胞中只有一套染色體。 雙倍體（diploid）： 一個細(xì)胞中含有兩套功能相同的染色體。,指同一細(xì)胞中相同染色體的套數(shù),4. 核酸水平,（1）核酸種類:DNA,RNA （2）核酸結(jié)構(gòu):ds,ss （3）DNA長度,DNA長度即基因組的大小，一般可用bp（堿基對，base

9、pair）、kb（千堿基對，kilo bp）和Mb（百萬或兆堿基對，mega bp）作單位。,5. 基因水平,基因是生物體內(nèi)一切具有自主復(fù)制能力的 最小遺傳功能單位， 其物質(zhì)基礎(chǔ)是一條以直線排列、 具有特定核苷酸序列的核酸片段。,(原核),乳糖操縱子 lac operon,-galactosidase半乳糖苷酶 z,-galactoside permease透酶 y,-galactoside transacetylase 半乳糖苷乙酰轉(zhuǎn)移酶 a,6. 密碼子水平,遺傳密碼（genetic code）是指DNA鏈上決定各具體氨基酸的特定核苷酸排列順序。,遺傳密碼的信息單位是密碼子（codon），

10、每一密碼子由3個核苷酸序列即一個三聯(lián)體（triplet）所組成。一般都用mRNA上3個連續(xù)核苷序列表示。,7. 核苷酸水平,腺苷酸（AMP） 胸苷酸（TMP） 鳥苷酸（GMP） 胞苷酸（CMP） 5羥甲基胞嘧啶（T偶數(shù)噬菌體）,基因遺傳的功能單位 密碼子遺傳的信息單位 核苷酸最低突變單位或交換單位,（二）原核生物的質(zhì)粒 1. 定義和特點,質(zhì)粒： 是一類小型閉合環(huán)狀核外雙螺旋DNA分子，能獨立于細(xì)胞核進行自主復(fù)制。分子量約為106108，上面攜帶有數(shù)個到數(shù)十個甚至上百個基因。,可以在細(xì)胞質(zhì)中獨立于染色體之外獨立存在（游離態(tài)），也可以通過交換摻入染色體上，以附加體（episome）的形式存在。,c

11、ccDNA,ocDNA,L DNA,另一類質(zhì)粒的復(fù)制與核染色體的復(fù)制不同步， 在這類細(xì)胞中，一般含1015個或更多質(zhì)粒。,嚴(yán)緊型復(fù)制控制（stringent replication control）,松弛型復(fù)制控制（relaxed replication control）,質(zhì)粒的復(fù)制與核染色體的復(fù)制同步， 在這類細(xì)胞中，一般只含12個質(zhì)粒；,質(zhì)粒是一種獨立存在于細(xì)胞內(nèi)的復(fù)制子（replicon），根據(jù)自我復(fù)制能力的不同分為兩種。,通常以共價閉合環(huán)狀（covalently closed circle，簡稱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

12、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)）,2. 質(zhì)粒的分子結(jié)構(gòu),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；,對于實驗室常用菌，可用質(zhì)粒所帶的某些特點， 如抗藥性初步判斷。,特定的質(zhì)粒提取方法和后處理使染色體和RNA均被除掉。,3. 質(zhì)粒的檢測,質(zhì)粒的主要功能：,質(zhì)粒帶有一些基因，可產(chǎn)生毒素、抗藥性、固氮、產(chǎn)生酶類、降解功能等。質(zhì)?；蚓幋a的這些特性有利于宿主細(xì)胞在特定環(huán)境條件下的生存。,質(zhì)粒所含的基因?qū)λ拗骷?xì)胞一般是非必需的，除去質(zhì)粒后細(xì)胞可依然存活；,重組的功能：在質(zhì)粒之間、質(zhì)粒與染色體之間菌可發(fā)生。,（1）F質(zhì)粒（F plasmid）,

13、又稱F因子、致育因子（fertility factor）或性因子（sex factor），其大小約100kb，為cccDNA，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。,4. 幾種代表性質(zhì)粒,攜帶F質(zhì)粒的菌株稱為F+菌株（相當(dāng)于雄性）， 無F質(zhì)粒的菌株稱為F-菌株（相當(dāng)于雌性）。,（2）R質(zhì)粒（R plasmid）,包括抗藥性和抗重金屬二大類。,又稱R因子（R factor）、抗性因子（ resistance plasmid ）。,含調(diào)節(jié)DNA復(fù)制和拷貝數(shù)的基因以及轉(zhuǎn)移基因，相對分子量約11107，具有轉(zhuǎn)移功能；,抗性轉(zhuǎn)移因子（resistance transfer f

14、actor，RTF）,抗性決定因子（r-determinant）,大小不很固定，相對分子量從幾百萬至11108以上，無轉(zhuǎn)移功能，含各種抗性基因，如抗青霉素、氨芐青霉素、氯霉素、鏈霉素、卡那霉素和磺胺等基因。,R質(zhì)粒一般由兩個相連的DNA片段組成,R100質(zhì)粒（89kb）可使宿主對下列藥物及重金屬具有抗性： 汞（mercuric ion ，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（fusidic acid，fus） 并且負(fù)責(zé)這些抗性的基

15、因是成簇地存在于抗性質(zhì)粒上。,R質(zhì)粒的種類很多， 例如，R1（94kb）和R100（89.3kb）等。,（3）Col質(zhì)粒（colicin plasmid，col plasmid）,又稱大腸桿菌素質(zhì)?；虍a(chǎn)大腸桿菌素因子（colicinogenic factor，col factor），可使E.coli某些菌株所產(chǎn)生的細(xì)菌素。,細(xì)菌素（bacteriocin）是質(zhì)粒編碼的蛋白質(zhì)，一般由細(xì)菌產(chǎn)生，可抑制或殺死其他近緣細(xì)菌或同種不同菌株的代謝產(chǎn)物，但不具有很廣的殺菌譜。,細(xì)菌素結(jié)構(gòu)基因、 涉及細(xì)菌素運輸及發(fā)揮作用（processing）的蛋白質(zhì)的基因、 賦予宿主對該細(xì)菌素具有“免疫力”的相關(guān)產(chǎn)物的基因

16、,一般都位于質(zhì)粒或轉(zhuǎn)座子上，細(xì)菌素可以殺死同種但不攜帶該質(zhì)粒的菌株。攜帶Col因子的菌株，由于質(zhì)粒本身編碼一種免疫蛋白，從而對大腸桿菌素有免疫作用，不受其傷害。,細(xì)菌素一般根據(jù)產(chǎn)生菌的種類進行命名：,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。,Col E1質(zhì)粒：相對分子量?。?kb，約5106），無接合作用，是松弛性控制、多拷貝的； Colb質(zhì)粒：相對分子量大（94kb，約8107 ），具有通過接合而轉(zhuǎn)移的功能，屬嚴(yán)緊型控制，只有12個拷貝。,（4）Ti質(zhì)粒（tumor inducing plasmid）,即誘癌質(zhì)粒或冠癭質(zhì)粒（crown

17、 gall plasmid），存在于根癌土壤桿菌或根癌農(nóng)桿菌種。 Ti質(zhì)粒是一種200kb的環(huán)狀質(zhì)粒，包括毒性區(qū)（vir）、接合轉(zhuǎn)移（con）、復(fù)制起始區(qū)（ori）和T-DNA區(qū)4部分。,T-DNA區(qū)可攜帶任何外源基因整合到植物基因組中， Ti質(zhì)粒是植物基因工程中使用最廣、效果最佳的克隆載體。,Agrobacterium tumefaciens（根癌土壤桿菌或根癌農(nóng)桿菌）釋放出的Ti質(zhì)粒上的T-DNA片斷與植物細(xì)胞的核基因組整合，合成冠癭堿類（opines）,破壞控制細(xì)胞分裂的激素調(diào)節(jié)系統(tǒng)，使之變成癌細(xì)胞。,（5）Ri質(zhì)粒（root inducing plasmid）,存在于Agrobacterium rhizogenes（發(fā)根土壤桿菌或發(fā)根農(nóng)桿菌）中。該菌可侵染雙子葉植物的根部，會將250kb的Ri質(zhì)粒中的一段T-DNA整合到宿主根部細(xì)胞的核基因組中，發(fā)生轉(zhuǎn)化。,Ri質(zhì)粒是外源基因的良好載體！,（6）mega質(zhì)粒（megaplasmid）,即巨大質(zhì)粒，其相對分子量比一般質(zhì)粒大幾十倍至幾百倍，存在于Rhizobium（根瘤菌屬）中， 其上有一系列與共生固氮相關(guān)的基因。,（7）降解質(zhì)粒,這類質(zhì)粒是由降解一系列復(fù)雜有機物的酶編碼，故能利用一般細(xì)菌所難以分解的物質(zhì)做碳源，所以在污水處理、環(huán)境保護等方面發(fā)揮作用。,只在假單胞菌屬（Pseudom