第十一章微生物遗传与变异授课课件.ppt

1、 第十一章微生物的遗传和变异第十一章微生物的遗传和变异概念：概念：遗传遗传：遗传使细菌的性状保持相对稳定，且代代：遗传使细菌的性状保持相对稳定，且代代相传，使其种属得以保存。相传，使其种属得以保存。变异变异：在一定条件下，子代和亲代之间以及子代：在一定条件下，子代和亲代之间以及子代和子代之间的差异称为变异。和子代之间的差异称为变异。基因型基因型：指贮存在遗传物质中的信息，也就是它：指贮存在遗传物质中的信息，也就是它的的DNA碱基顺序。包括生物的全部遗传因子及基碱基顺序。包括生物的全部遗传因子及基因。因。表型表型：指可观察或可检测到的个体性状或特征，：指可观察或可检测到的个体性状或特征，是特定的

2、基因型在一定特定环境条件下通过生长是特定的基因型在一定特定环境条件下通过生长发育所表现出的形态等生物学特征的总和。发育所表现出的形态等生物学特征的总和。表型是由基因型所决定表型是由基因型所决定,但也和环境有关。但也和环境有关。n遗传（保守性、稳定性）遗传（保守性、稳定性）:亲代与子代相似亲代与子代相似“种瓜得瓜种豆得豆种瓜得瓜种豆得豆”负面：？负面：？遗传和变异是生命的最本质特性之一遗传和变异是生命的最本质特性之一正面：正面：不适应变化的环境条件而死亡不适应变化的环境条件而死亡第一节第一节 微生物遗传和变异的物质基础微生物遗传和变异的物质基础 一、微生物的主要遗传物质一、微生物的主要遗传物质D

3、NADNA 生物的各项生命活动都有它的物质基础。生物的各项生命活动都有它的物质基础。生物遗传的物质基础是什么呢？生物遗传的物质基础是什么呢？答案是答案是DNADNA，科学告诉我们，亲代将各种遗传，科学告诉我们，亲代将各种遗传性状通过性状通过DNADNA传递给了子代，子代获得传递给了子代，子代获得DNADNA后形后形成一定的蛋白质，将遗传特性表现出来。成一定的蛋白质，将遗传特性表现出来。核酸是病毒粒子中最重要的成分，它是病毒遗传信息的载核酸是病毒粒子中最重要的成分，它是病毒遗传信息的载体和传递体，因此是病毒生命活动的主要物质基础。体和传递体，因此是病毒生命活动的主要物质基础。病毒核酸的类型可从以

4、下几点来区分：病毒核酸的类型可从以下几点来区分：是是DNA还是还是RNA，是单链（，是单链（ss，single strand）结构）结构还是双链（还是双链（ds，double strand）结构；）结构；呈线状还是环状；呈线状还是环状；是闭环还是缺口环；是闭环还是缺口环；基因组是单组分、双组分、三组分还是基因组是单组分、双组分、三组分还是多组分。核酸的碱基（多组分。核酸的碱基（b，base）或碱基对（）或碱基对（bp，base pair）数，以及核苷酸序列等。数，以及核苷酸序列等。总的说来，动物病毒以线状的总的说来，动物病毒以线状的dsDNA和和ssRNA为多，植物为多，植物病毒以病毒以ssR

5、NA为主，噬菌体以线状的为主，噬菌体以线状的dsDNA居多，而至今发现居多，而至今发现的真菌病毒都是的真菌病毒都是dsRNA，藻类病毒则都是，藻类病毒则都是 dsDNA。(一）病毒的核酸一）病毒的核酸（二）原核细胞型微生物的染色体（二）原核细胞型微生物的染色体 1、特点：、特点：基因组通常仅由一条环形或线形双链基因组通常仅由一条环形或线形双链DNA分子构成只有一个复制起点有操纵子串联在一起，分子构成只有一个复制起点有操纵子串联在一起，受同一调控区调节，合成多顺反子受同一调控区调节，合成多顺反子mRNA 编码蛋白质的结构基因为拷贝的，但编码蛋白质的结构基因为拷贝的，但rRNA基基因一般是多拷贝的

6、。非编码因一般是多拷贝的。非编码DNA所占比例少，类似所占比例少，类似于病毒基因组基因组于病毒基因组基因组DNA具有多种调控区，如复制具有多种调控区，如复制起始区，复制中止区，转录启动子等特殊序列，以起始区，复制中止区，转录启动子等特殊序列，以及还有重复序列。及还有重复序列。与真核生物基因组类似，也具有可移动的与真核生物基因组类似，也具有可移动的DNA序列序列（三）真核细胞型微生物的染色体（三）真核细胞型微生物的染色体真核细胞型微生物：真核细胞型微生物：细胞核的分化程度较高，有核膜、核细胞核的分化程度较高，有核膜、核仁和染色体；胞质内有完整的细胞器（如仁和染色体；胞质内有完整的细胞器（如内质网

7、、核糖体及线粒体等）。真菌属于内质网、核糖体及线粒体等）。真菌属于此类型微生物。此类型微生物。二、质粒和转座因子二、质粒和转座因子（一）质粒（一）质粒 、质粒的概念：、质粒的概念：是细菌染色体外的遗传物是细菌染色体外的遗传物质，为双股环状闭合的质，为双股环状闭合的DNADNA。可游离于细菌胞浆可游离于细菌胞浆中进行自我复制；也可整合于细菌的染色体上，中进行自我复制；也可整合于细菌的染色体上，并随染色体的复制而复制，此类质粒又称附加并随染色体的复制而复制，此类质粒又称附加体。体。、质粒的基本特性、质粒的基本特性）绝大多数质粒为）绝大多数质粒为CCCCCC双链双链DNADNA分子分子，分子量为，分

8、子量为1-10001-1000kDakDa左右左右.）质粒具有自我复制的能力）质粒具有自我复制的能力 一个质粒就是一个一个质粒就是一个复制子。复制子。）质粒）质粒DNADNA所编码的基因产物赋予细菌某些性状所编码的基因产物赋予细菌某些性状特征特征 如致育性、耐药性、致病性等。如致育性、耐药性、致病性等。）质粒并非细菌生命活动不可缺少的遗传物质）质粒并非细菌生命活动不可缺少的遗传物质 可自行丢失或经紫外线等理化因素处理后消除，可自行丢失或经紫外线等理化因素处理后消除，质粒所赋予细菌的性状亦随之消失，但细菌仍存质粒所赋予细菌的性状亦随之消失，但细菌仍存活活 ）质粒可通过接合、转化或转导等方式在细菌

9、）质粒可通过接合、转化或转导等方式在细菌间转移间转移 ）质粒可分为相容性与不相容性两种）质粒可分为相容性与不相容性两种 几种不同的质几种不同的质粒同时共存于一个细菌内称相容性，有些质粒则不能粒同时共存于一个细菌内称相容性，有些质粒则不能相容。相容。（二）、常见的质粒类型（二）、常见的质粒类型 1 1）F F质粒质粒 编码性菌毛，带有游离编码性菌毛，带有游离F F质粒的细菌为雄性菌，质粒的细菌为雄性菌，能长出性菌毛；无能长出性菌毛；无F F质粒的细菌为雌性菌无性菌毛。整质粒的细菌为雌性菌无性菌毛。整个质粒分为三个功能区：个质粒分为三个功能区：自主复制和不相容区：自主复制和不相容区：复制基因自主复

10、制复制基因自主复制 转移基因群区：转移基因群区：进行结合转移进行结合转移 重组基因区：重组基因区：将自主复制基因与细菌染色体进行整将自主复制基因与细菌染色体进行整合重组。合重组。整合于细菌的染色体上，不仅保留致育功能并在进行接合转整合于细菌的染色体上，不仅保留致育功能并在进行接合转移时能高频率地带动细菌染色体转入移时能高频率地带动细菌染色体转入F F菌体内。所以染色体菌体内。所以染色体上整合有上整合有F F质粒的细菌为高频重组菌。质粒的细菌为高频重组菌。2 2）R R质粒质粒 编码细菌对抗生素或重金属盐类的耐药性。可编码细菌对抗生素或重金属盐类的耐药性。可分为：分为：接合型耐（抗）药质粒：接合

11、型耐（抗）药质粒：由抗药转移因子和抗药决定子组由抗药转移因子和抗药决定子组成。成。非接合型耐（抗）药质粒：非接合型耐（抗）药质粒：简称简称r r质粒，不能进行接合转移质粒，不能进行接合转移 耐药性质粒可在同种、不同种甚至在不同属的细菌间耐药性质粒可在同种、不同种甚至在不同属的细菌间传播，导致耐药性广泛而迅速地蔓延，所以传播，导致耐药性广泛而迅速地蔓延，所以R R质粒又称传染性质粒又称传染性耐药因子。耐药因子。3 3）ColCol质粒质粒 大肠埃希菌中的大肠埃希菌中的ColCol质粒编码大肠菌素。这质粒编码大肠菌素。这类细菌素只对有近缘关系的细菌具杀灭作用。类细菌素只对有近缘关系的细菌具杀灭作用

12、。4 4）代谢质粒）代谢质粒 含有此类质粒的细菌能编码一些酶，将复含有此类质粒的细菌能编码一些酶，将复杂的有机化合物降解为小分子物质，用为碳源和能源杂的有机化合物降解为小分子物质，用为碳源和能源被细菌利用；此外还能对环境中的有毒化合物如农药、被细菌利用；此外还能对环境中的有毒化合物如农药、苯等进行降解起到保护环境作用。苯等进行降解起到保护环境作用。5 5）毒力质粒或）毒力质粒或ViVi质粒质粒 编码与该菌致病性有关的毒力因编码与该菌致病性有关的毒力因子。如致病性大肠埃希菌的子。如致病性大肠埃希菌的STST质粒编码耐热性肠毒素，质粒编码耐热性肠毒素，LTLT质粒编码不耐热肠毒素。质粒编码不耐热肠

13、毒素。概念：概念：是指菌细胞基因组中能从一个位置转移到另一个是指菌细胞基因组中能从一个位置转移到另一个位置的一段位置的一段DNADNA序列。序列。一、转座因子的发现一、转座因子的发现（三）转座与转座因子（三）转座与转座因子芭芭拉芭芭拉麦克林托克麦克林托克(Barbara McClintock)(Barbara McClintock)19021902年生于美国。康奈尔大学毕业。曾任密苏年生于美国。康奈尔大学毕业。曾任密苏里大学助教。自里大学助教。自19411941 年起，任卡内基研究年起，任卡内基研究所研究员。主要从事玉米果实斑点现象的所研究员。主要从事玉米果实斑点现象的遗传研究，发表了遗传研究

14、，发表了移动的控制基因移动的控制基因学学说。说。19831983年获诺贝尔生理学医学奖。年获诺贝尔生理学医学奖。芭芭拉芭芭拉麦克林托克麦克林托克 Barbara McClintock “倘若你认为自己迈开的步伐是正确的，倘若你认为自己迈开的步伐是正确的，并且已经掌握了专门的知识，那末，任何并且已经掌握了专门的知识，那末，任何人都阻挠不了你，不必去理会人们的非难人都阻挠不了你，不必去理会人们的非难和评头品足。和评头品足。”转座转座)：由可移位因子介导的遗传：由可移位因子介导的遗传 物质重排现象。物质重排现象。二、转座因子的概念二、转座因子的概念转座子转座子(transposon),转座因子转座因

15、子(transposable element)：存在于染色体存在于染色体DNA上可自主位移的基本单位。上可自主位移的基本单位。最简单的转座子，最简单的转座子，不含有任何宿主基因。不含有任何宿主基因。是独立的单元，每个是独立的单元，每个IS元件元件只编码转座酶。只编码转座酶。是细菌染色体或质粒是细菌染色体或质粒DNA的正常组成部分。的正常组成部分。1.1.插入序列插入序列 (insertional sequence,IS)原核生物转座因子的类型和结构特征原核生物转座因子的类型和结构特征Transposase geneIS结构特征结构特征反向重复序列反向重复序列(inverted repeat s

16、equence)在插入位点在插入位点,IS 两侧总有短的两侧总有短的正向重复正向重复(Direct repeat)一类较大的转座子，除转座酶基因外，带有一类较大的转座子，除转座酶基因外，带有某些某些抗药性基因（或其他宿主基因）抗药性基因（或其他宿主基因）的转座子的转座子 复合转座子复合转座子(composite transposon)：带带有有IS的的Tn 简单转座子简单转座子(simple transposon)：不含不含IS的的Tn2、转座子、转座子(composite transposon Tn)一类带有某些一类带有某些抗药性基因（或抗药性基因（或其他宿主基因）其他宿主基因）的转座子的转

17、座子两翼往往是两个相同两翼往往是两个相同或高度同源的或高度同源的IS序列序列复合转座子复合转座子(composite transposon)它是它是EcoliEcoli的一种温和噬菌体。与必须整的一种温和噬菌体。与必须整合到宿主染色体特定位置上的一般温和噬菌体合到宿主染色体特定位置上的一般温和噬菌体不同，不同，MuMu噬菌体并没有一定的整合位置。噬菌体并没有一定的整合位置。与其他温和性噬菌体的差别：与其他温和性噬菌体的差别：其基因组不其基因组不论在进入裂解周期或处于溶源状态都可随机整论在进入裂解周期或处于溶源状态都可随机整合到宿主染色体的任何位置合到宿主染色体的任何位置，且游离的和已整，且游离

18、的和已整合的基因次序是相同的合的基因次序是相同的.与与ISIS和和TnTn两种转座因子相比，两种转座因子相比，MuMu噬菌体的噬菌体的分子量最大（分子量最大（3838kbkb），），它含有它含有2020多个基因。多个基因。MuMu噬菌体引起的转座可以引起插入突变，其中约噬菌体引起的转座可以引起插入突变，其中约有有2 2是营养缺陷型突变。是营养缺陷型突变。3.3.Mu 噬菌体噬菌体 (mutator phage)（四）、转座机制（四）、转座机制Replicative transposition(复制性转座复制性转座)Non-replicative transposition(非复制性转座非复制性

19、转座)Replicative transposition(复制性转座复制性转座)复制性转座要经过一个共整合阶段复制性转座要经过一个共整合阶段Non-replicative transposition(非复制性转座非复制性转座)1.1.靶位点形成正向重复序列靶位点形成正向重复序列(靶位加靶位加倍现象倍现象)2.2.引起插入突变；引起插入突变；2、遗传学效应及应用、遗传学效应及应用Hemophilia（血友病）血友病）:a“jumping disease”Blood-clotting gene mutation by insertion of transposon3.3.转座子从原位点切离转座子从

20、原位点切离准确的切离使插入失活的基因发生回准确的切离使插入失活的基因发生回复突变，不准确的切离则不发生回复复突变，不准确的切离则不发生回复突变，而是造成序列变异突变，而是造成序列变异转座子切离所造成的序列变异转座子切离所造成的序列变异 5.5.启动外显子混编启动外显子混编当二个转座子被同一转座酶识别而整当二个转座子被同一转座酶识别而整合到染色体的邻近位置时，则位于它合到染色体的邻近位置时，则位于它们之间的序列有可能被转座酶作用而们之间的序列有可能被转座酶作用而转座，如果这转座，如果这DNADNA序列中含有外显子，序列中含有外显子，则被切离并可能插入另一基因中，这则被切离并可能插入另一基因中，这

21、种效应称为种效应称为外显子混编外显子混编(exon exon shuffling)shuffling)双转座子插入所引起的外显子混编示意图双转座子插入所引起的外显子混编示意图6.6.调节基因表达调节基因表达1 1、很多转座子带有增强子，像、很多转座子带有增强子，像RNARNA病毒一样，能病毒一样，能使其插入部位附近的基因活性增加。使其插入部位附近的基因活性增加。2 2、有的还含有启动子，也能促进基因的活性。、有的还含有启动子，也能促进基因的活性。3 3、也存在转座子插入某个基因的内含子中后影、也存在转座子插入某个基因的内含子中后影响基因表达，通常降低转录水平。响基因表达，通常降低转录水平。4

22、4、有时也会改变内含子的剪接位点，是外显子、有时也会改变内含子的剪接位点，是外显子丢失，导致基因失活。丢失，导致基因失活。5 5、若插入到基因转录控制区或启动子中，则导、若插入到基因转录控制区或启动子中，则导致基因完全失活。致基因完全失活。7.7.产生新的基因，引起生物进化。产生新的基因，引起生物进化。由于转座子可以携带其他基因，包括自身的由于转座子可以携带其他基因，包括自身的基因甚至宿主染色体上的基因进行转座，形成重基因甚至宿主染色体上的基因进行转座，形成重新组合的基因组，以及前述的通过转座形成大片新组合的基因组，以及前述的通过转座形成大片段插入，双转座子引起缺失、倒位、重复及外显段插入，双

23、转座子引起缺失、倒位、重复及外显子混编等均会造成基因组新的变异，这些变异对子混编等均会造成基因组新的变异，这些变异对生物的进化有重要意义。生物的进化有重要意义。8.8.转座子标记目的基因转座子标记目的基因1 1、由于转座子可在基因组内转座，如插入到某基因、由于转座子可在基因组内转座，如插入到某基因外显子内，引起基因失活，使其表型改变为突变外显子内，引起基因失活，使其表型改变为突变体。体。2 2、以转座子、以转座子DNADNA为探针，与突变株的基因文库进行为探针，与突变株的基因文库进行杂交，就可以筛选出带此转座子的克隆，它必定杂交，就可以筛选出带此转座子的克隆，它必定含有与转座子邻接的突变基因的

24、部分序列，含有与转座子邻接的突变基因的部分序列，3 3、再以此序列为探针，就可以从野生型基因文库中、再以此序列为探针，就可以从野生型基因文库中克隆出完整的基因。克隆出完整的基因。4 4、从理论上讲，利用转座子标签法可以分离出任何、从理论上讲，利用转座子标签法可以分离出任何可引起表型变化的失活基因。可引起表型变化的失活基因。第二节噬菌体及其对细菌遗传性的影响第二节噬菌体及其对细菌遗传性的影响 噬菌体噬菌体(phage)(phage)是一类感染细菌和放线菌等微生物的病是一类感染细菌和放线菌等微生物的病毒，它由英国细菌学家毒，它由英国细菌学家 Twort1915Twort1915首次发现。当时首次发

25、现。当时TwortTwort在培在培养葡萄球菌过程中，发现菌落上出现了透明斑，利用接种针养葡萄球菌过程中，发现菌落上出现了透明斑，利用接种针接触此透明斑后再接触另一菌落，结果后者也出现了相同的接触此透明斑后再接触另一菌落，结果后者也出现了相同的透明斑。透明斑。19171917年，法国科学家年，法国科学家d dHerelleHerelle也发现含有志贺痢疾也发现含有志贺痢疾杆菌的新鲜液体培养物能被某种无菌的污水滤液所溶解，并杆菌的新鲜液体培养物能被某种无菌的污水滤液所溶解，并使混浊的液体培养物变清，将此种澄清液再过滤加到另一敏使混浊的液体培养物变清，将此种澄清液再过滤加到另一敏感菌株的新鲜培养物

26、中，获得了相同的结果。感菌株的新鲜培养物中，获得了相同的结果。d dHerelleHerelle将这种能使菌落形成透明斑以及使混浊液体培将这种能使菌落形成透明斑以及使混浊液体培养物变清的溶菌因子称为噬菌体。养物变清的溶菌因子称为噬菌体。噬菌体的种类毒性噬菌体（毒性噬菌体（virulent phage）能在宿主菌细胞内复制增殖，产生许多子代噬能在宿主菌细胞内复制增殖，产生许多子代噬菌体，并最终裂解细菌，称为毒性噬菌体菌体，并最终裂解细菌，称为毒性噬菌体温和噬菌体（温和噬菌体（temperate phage）/溶原性噬菌体（溶原性噬菌体（lysogenic phage）噬菌体基因与宿主菌染色体整合

27、，不产生子代噬菌体基因与宿主菌染色体整合，不产生子代噬菌体，但噬菌体噬菌体，但噬菌体DNA能随细菌能随细菌DNA复制，并复制，并随细菌的分裂而传代随细菌的分裂而传代 化学组成化学组成噬菌体主要由核酸和蛋白质组噬菌体主要由核酸和蛋白质组成。核酸是噬菌体的遗传物质，常见噬菌体的基因成。核酸是噬菌体的遗传物质，常见噬菌体的基因组大小为组大小为2 2200kb200kb。蛋白质构成噬菌体头部的衣壳。蛋白质构成噬菌体头部的衣壳及尾部，包括尾髓、尾鞘、尾板、尾刺和尾丝，起及尾部，包括尾髓、尾鞘、尾板、尾刺和尾丝，起着保护核酸的作用，并决定噬菌体外形和表面特征。着保护核酸的作用，并决定噬菌体外形和表面特征。

28、抗原性抗原性噬菌体具有抗原性，能刺激机体噬菌体具有抗原性，能刺激机体产生特异性抗体。该抗体能抑制相应噬菌体侵袭敏产生特异性抗体。该抗体能抑制相应噬菌体侵袭敏感细菌，但对已吸附或已进入宿主菌的噬菌体不起感细菌，但对已吸附或已进入宿主菌的噬菌体不起作用，噬菌体仍能复制增殖。作用，噬菌体仍能复制增殖。抵抗力抵抗力噬菌体对理化因素与多数化学消噬菌体对理化因素与多数化学消毒剂的抵抗力比一般细菌的繁殖体强；能抵抗乙醚、毒剂的抵抗力比一般细菌的繁殖体强；能抵抗乙醚、氯仿和乙醇，一般经氯仿和乙醇，一般经75 30min75 30min或更久才能被灭活。或更久才能被灭活。噬菌体能耐受低温和冰冻，但对紫外线和噬菌

29、体能耐受低温和冰冻，但对紫外线和X X射线敏射线敏感，一般经紫外线照射感，一般经紫外线照射101015min15min即失去活性即失去活性噬菌体复制周期温和噬菌体 前噬菌体（前噬菌体（prophageprophage）溶原性细菌（溶原性细菌（lysogenic bacteriumlysogenic bacterium）溶原性（溶原性（lysogenylysogeny）溶原状态溶原状态 溶原性周期和溶菌性周期溶原性周期和溶菌性周期 溶原性转换溶原性转换prophage:整合在细菌基整合在细菌基因组中的噬菌体基因组因组中的噬菌体基因组溶原性细菌溶原性细菌噬菌体在医药学中的应用1、用于细菌的鉴定与分

30、型、用于细菌的鉴定与分型2、耐药性细菌感染的治疗、耐药性细菌感染的治疗3、分子生物学研究的重要工具、分子生物学研究的重要工具4、遗传工程、遗传工程5、其他、其他 基因工程方法看似简单，但在具体实施上有较大基因工程方法看似简单，但在具体实施上有较大的难度。的难度。A.细菌的质粒本身容易丢失或转移细菌的质粒本身容易丢失或转移 B.质粒具有不相容性质粒具有不相容性（只有在一定条件下，属于不同的不相容种群的（只有在一定条件下，属于不同的不相容种群的质粒才能稳定地共存于同一宿主中。）质粒才能稳定地共存于同一宿主中。）第三节第三节 微生物变异的常见类型微生物变异的常见类型1、高产菌株、高产菌株2、抗性突变

31、株、抗性突变株3、条件致死突变株、条件致死突变株4、营养缺陷性突变株、营养缺陷性突变株5、毒力变异株、毒力变异株第四节第四节 微生物变异的机制及其修复微生物变异的机制及其修复 亲代将生物学性状传给子代称为遗传；亲代与子代间亲代将生物学性状传给子代称为遗传；亲代与子代间生物学性状的差异称为变异。通过遗传使微生物的种系得生物学性状的差异称为变异。通过遗传使微生物的种系得以延续；通过变异使微生物种系得以进化。这是生物进化以延续；通过变异使微生物种系得以进化。这是生物进化的必然规律。的必然规律。微生物变异可分为：微生物变异可分为：遗传性变异：遗传性变异：为遗传物质结构发生改变，这种变异稳定并为遗传物质

32、结构发生改变，这种变异稳定并能代代相传。能代代相传。非遗传性变遗：非遗传性变遗：因环境影响而发生的生物学性状改变，遗因环境影响而发生的生物学性状改变，遗传物质并非改变，故不稳定，不能传代。传物质并非改变，故不稳定，不能传代。突变的定义突变的定义 突变的概念最早是由荷兰植突变的概念最早是由荷兰植物学家物学家 H.de.Vries于于19011901年年提出的。他在自家的菜地上找提出的。他在自家的菜地上找到一种野生型的拉马月见草到一种野生型的拉马月见草（Oenothera lamarckianaOenothera lamarckiana）这）这种植物具有惊人的产生遗传新种植物具有惊人的产生遗传新类

33、型的性质，类型的性质，de.Vriesde.Vries把这些把这些新类型称为新类型称为“突变突变”。生物界中的变异现象生物界中的变异现象替换替换增添增添缺失缺失A T C C G CT A G G C G C C G C G G C G AT TA C C G C G G C G AT TA AT A C C G C T G G C G DNA片段片段碱基对的碱基对的增添增添、缺缺失失或或替换替换，改变了，改变了基因的结构。基因的结构。A T C C G CT A G G C G C C G C G G C G DNAA U C C G C A U U C G C 异亮氨酸异亮氨酸精氨酸精氨酸

34、异亮氨酸异亮氨酸mRNA A T C C G C T A G G C G 正常正常 T A A G C G A T T C G C 碱基对替换碱基对替换精氨酸精氨酸碱基对改变一定会导致蛋白质的结构改变吗？碱基对改变一定会导致蛋白质的结构改变吗？1 1、多向性、多向性 同一基因座上的基因可独立发生多次不同的突变同一基因座上的基因可独立发生多次不同的突变而形成复等位基因而形成复等位基因2 2、可逆性、可逆性 突变的方向可逆突变的方向可逆,可以是正突变，也可以是回复突变可以是正突变，也可以是回复突变3 3、有害性、有害性 突变会导致人类许多疾病的发生突变会导致人类许多疾病的发生 4 4、自发性和稀有

35、性、自发性和稀有性 在自然状态下发生突变的频率很低在自然状态下发生突变的频率很低 5 5、随机性、随机性6 6、可重复性、可重复性基因突变的特性基因突变的特性1、自发突变的机制自发突变的机制自发突变的原因：自发突变的原因：1 1、低剂量诱变因素的长期综合效应、低剂量诱变因素的长期综合效应（外源性，内（外源性，内源性等）源性等）2 2、碱基结构的变化碱基结构的变化，稀有式出现，引起错配（转，稀有式出现，引起错配（转换突变）换突变）（T T，G G：酮式或烯醇式；：酮式或烯醇式；C C，A A：氨基式或亚氨基：氨基式或亚氨基式）式）3 3、环出效应、环出效应（模板链弯曲形成凸环）；（模板链弯曲形成

36、凸环）；基因突变的分子机制基因突变的分子机制2、诱变机制、诱变机制诱变剂（诱变剂（mutagen）：）：凡能提高基因突变频率的因素统称为诱变剂。凡能提高基因突变频率的因素统称为诱变剂。诱变剂的种类诱变剂的种类物理诱变剂物理诱变剂化学诱变剂化学诱变剂光，热，射线（光，热，射线（UVUV，x-x-射射线，线，射线）射线）从遗传物质结构变化的特点，从遗传物质结构变化的特点，将化学诱变剂分为：将化学诱变剂分为：引起碱基置换的诱变剂引起碱基置换的诱变剂 移码突变诱变剂移码突变诱变剂 引起染色体畸变的诱变剂引起染色体畸变的诱变剂一、碱基对置换一、碱基对置换.天然的碱基结构类似物；非标准的核酸碱基，可通过天

37、然的碱基结构类似物；非标准的核酸碱基，可通过 正常的聚合作用进入到核酸中去；正常的聚合作用进入到核酸中去；.参入错误和复制错误；参入错误和复制错误；.其它诱变剂。其它诱变剂。复制错误（复制错误（TA CG）：在在DNA链复制过程中，链复制过程中，5-Bu 分子由酮式转变为烯醇分子由酮式转变为烯醇式，而形成式，而形成G:Bu碱基对的过程，称为复制错误。碱基对的过程，称为复制错误。参入错误参入错误(CG TA)：5-Bu 以烯醇式结合进以烯醇式结合进DNA分子中，以较小概率形成分子中，以较小概率形成G:Bu碱基对的过程，称为参入错误。碱基对的过程，称为参入错误。参入错误几率大于复制错误几率参入错误

38、几率大于复制错误几率。碱基置换可以分为两类碱基置换可以分为两类：转换和颠换；前者是嘌呤到嘌呤，转换和颠换；前者是嘌呤到嘌呤，嘧啶到嘧啶的变化，后者是嘌呤到嘧啶或嘧啶到嘌呤的变化。嘧啶到嘧啶的变化，后者是嘌呤到嘧啶或嘧啶到嘌呤的变化。烷基化嘌呤，可使糖苷键发生不烷基化嘌呤，可使糖苷键发生不稳定变化，易水解，而稳定变化，易水解，而产生脱嘌产生脱嘌呤部位呤部位(O表示表示)。DNA复制时和复制时和O相对的位置上可以出现任何一相对的位置上可以出现任何一种碱基，从而引起转换或颠换。种碱基，从而引起转换或颠换。2.紫外线（紫外线（ultravioler ray,UV）波长范围：波长范围：136390nm2

39、00300nm范围对诱变最有效（260nm诱变效果最强）紫外线诱变的作用机制：紫外线诱变的作用机制：形成胸腺嘧啶二聚体（主要）形成胸腺嘧啶二聚体（主要）DNA链的断裂；DNA分子内或分子间的交联；形成嘧啶水合物；非电离辐射 胸腺嘧啶二聚体的存在，可带来胸腺嘧啶二聚体的存在，可带来DNA分子构形的扭曲，分子构形的扭曲，从而影响正常的复制和转录并从而致死，也可使从而影响正常的复制和转录并从而致死，也可使DNA复制造复制造成差错从而发生突变。成差错从而发生突变。3、移码突变、移码突变移码突变是由于移码突变是由于DNA分子中一对或少数几对核苷酸的增加分子中一对或少数几对核苷酸的增加或缺失，而造成的基因

40、突变。或缺失，而造成的基因突变。移码突变的两个特点：移码突变的两个特点：碱基重复（重复碱基处易形成移码突变）；碱基重复（重复碱基处易形成移码突变）；不能用其它诱变剂回复突变，只有用不能用其它诱变剂回复突变，只有用吖啶类吖啶类才能回复突变才能回复突变吖啶类染料是有效的移码突变诱变剂。吖啶类染料是有效的移码突变诱变剂。常用的有：常用的有：吖啶橙吖啶橙、二氨基吖啶二氨基吖啶（又称（又称原黄素原黄素）；）；噬菌体的有效诱变剂噬菌体的有效诱变剂 一系列烷化剂和吖啶类相结合的化合物（称为一系列烷化剂和吖啶类相结合的化合物（称为ICR）；）；细菌的良好诱变剂细菌的良好诱变剂基因转移基因转移 外源性的遗传物质

41、由供体菌转入某受体菌细胞外源性的遗传物质由供体菌转入某受体菌细胞的过程称为基因转移（的过程称为基因转移（gene transfer）。重组重组 转移的基因与受体菌转移的基因与受体菌DNA整合在一起称为重组整合在一起称为重组（recombination），使受体菌获得供体菌的），使受体菌获得供体菌的某些性状。某些性状。细菌的基因转移和重组可通过细菌的基因转移和重组可通过转化、接合、转化、接合、转导、溶原性转换和细胞融合转导、溶原性转换和细胞融合等方式进行。等方式进行。二、基因的转移与重组二、基因的转移与重组 转化是供体菌裂解游离的转化是供体菌裂解游离的DNADNA片段被片段被受体菌直接摄取，使受

42、体菌获得新的性状。受体菌直接摄取，使受体菌获得新的性状。转化现象在肺炎链球菌、葡萄球菌和转化现象在肺炎链球菌、葡萄球菌和流感嗜血杆菌等中被证实。流感嗜血杆菌等中被证实。转化试验转化因子（转化因子（transforming principle）在转化过程中，转化的在转化过程中，转化的DNA片段称为转化因子片段称为转化因子，分子，分子量小于量小于107，最多不超过，最多不超过1020个基因。个基因。感受态（感受态（competence）受体菌只有处于感受态时，才能摄取转化因子。细菌受体菌只有处于感受态时，才能摄取转化因子。细菌处于感受态是因为其表面有一种吸附处于感受态是因为其表面有一种吸附DNA的

43、受体的受体.被受体菌摄取的被受体菌摄取的DNADNA片段称为片段称为转化因子转化因子，经转化后，能，经转化后，能稳定表达供体菌部分遗传性状的重组基因称为稳定表达供体菌部分遗传性状的重组基因称为转化子转化子。1 1、转化的前提条件、转化的前提条件 供体菌与受体菌的供体菌与受体菌的DNADNA应具有同源性，即亲缘关系越应具有同源性，即亲缘关系越近转化率越高；近转化率越高；受体菌应处于感受态，此时细菌表面有较多的吸附受体菌应处于感受态，此时细菌表面有较多的吸附DNADNA的受体，尤其在细菌对数生长期的后期；的受体，尤其在细菌对数生长期的后期；CaCa2+2+可诱导细菌形成感受状态，提高摄取可诱导细菌

44、形成感受状态，提高摄取DNADNA的能力。的能力。自发出现感受态的为自发出现感受态的为自然转化自然转化；人工诱导出现感受态；人工诱导出现感受态的为的为人工转化人工转化。2 2、转化的过程及其机制、转化的过程及其机制 如活的如活的型无荚膜无毒力的肺炎链球菌摄取型无荚膜无毒力的肺炎链球菌摄取型有荚膜型有荚膜有毒力但已死亡的肺炎链球菌的有毒力但已死亡的肺炎链球菌的DNADNA，可转化为有荚膜有可转化为有荚膜有毒力、能导致小鼠死亡的肺炎链球菌。毒力、能导致小鼠死亡的肺炎链球菌。（1 1）、转化因子的结合与吸收）、转化因子的结合与吸收 1 1）细胞表面结合）细胞表面结合 转化因子与感受态细菌表转化因子与

45、感受态细菌表面受体结合并由可逆性转变不可逆性的结合。面受体结合并由可逆性转变不可逆性的结合。2 2）转化因子的吸收）转化因子的吸收 由内切酶切断由内切酶切断DNADNA中的一中的一条链，再由外切酶将其降解，产生的能量将另一条链送条链，再由外切酶将其降解，产生的能量将另一条链送入受体菌内。入受体菌内。（2 2）、转化因子的整合）、转化因子的整合 进入受体菌的单链进入受体菌的单链DNADNA被转运到受体菌的染色体的同被转运到受体菌的染色体的同 源区段，在多种酶的共同作用下，供体源区段，在多种酶的共同作用下，供体DNADNA与受体菌的染与受体菌的染色体的同源区段发生置换性重组，使供体菌的色体的同源区

46、段发生置换性重组，使供体菌的DNA DNA 整合入整合入受体菌的一条链中，形成杂合双链分子。其它被置换下来受体菌的一条链中，形成杂合双链分子。其它被置换下来和末被整合的和末被整合的DNADNA都被降解。都被降解。（3 3）、转化子的产生）、转化子的产生 1 1）将不配对的受体菌碱基切除再经修复后形成转化子。）将不配对的受体菌碱基切除再经修复后形成转化子。2 2）直接发生染色体复制，通过细菌分裂在部分子代菌）直接发生染色体复制，通过细菌分裂在部分子代菌中出现转化子。中出现转化子。转化因子吸附在受体菌表面受体上，然后再转化因子吸附在受体菌表面受体上，然后再被摄入被摄入 。DNADNA解链，一链进入

47、受体菌，另一链为解链，一链进入受体菌，另一链为进入提供能量。进入提供能量。DNADNA复制重组菌繁殖后，获得新的复制重组菌繁殖后，获得新的性状的细菌称为转化菌的突变株。性状的细菌称为转化菌的突变株。接合是细菌通过性菌毛相互连接沟通，将遗接合是细菌通过性菌毛相互连接沟通，将遗传物质（主要是质粒传物质（主要是质粒DNA）从供体菌转移给受体）从供体菌转移给受体菌。菌。接合性质粒：能通过接合方式转移的质粒称接合性质粒：能通过接合方式转移的质粒称为接合性质粒，为接合性质粒，F质粒、质粒、R质粒、质粒、Col质粒和毒力质粒和毒力质粒。质粒。F F质粒的接合质粒的接合F F+F F高频重组菌（高频重组菌（h

48、igh frequency recombination,Hfrhigh frequency recombination,Hfr）F F F F+、HfrHfr、FF都为雄菌都为雄菌 受体菌获得供体菌的部分遗传性状的过程。能通过接合方式受体菌获得供体菌的部分遗传性状的过程。能通过接合方式转移的质粒称为转移的质粒称为接合性质粒接合性质粒；不能通过性菌毛在细菌间转移的质；不能通过性菌毛在细菌间转移的质粒为粒为非接合性质粒非接合性质粒。以。以F F质粒为例质粒为例 1 1、F F菌株菌株 带有游离带有游离F F质粒的雄性菌质粒的雄性菌 2 2、F F菌株菌株 不具有不具有F F质粒的细菌质粒的细菌 3

49、 3、高频重组菌株、高频重组菌株 F F质粒与细菌的染色体发生整合时即为高频重质粒与细菌的染色体发生整合时即为高频重组（组（high frequency recombination,Hfrhigh frequency recombination,Hfr）菌株菌株，当与当与F F菌接合菌接合时能高频率的带动染色体转入时能高频率的带动染色体转入F F菌中，然而成功率极低。菌中，然而成功率极低。4 4、F F 菌株菌株 是是HfrHfr菌株中的菌株中的F F质粒从染色体中脱离下来时携带质粒从染色体中脱离下来时携带了部分细菌的染色体基因。这种质粒为了部分细菌的染色体基因。这种质粒为F F 因子因子，带

50、有，带有F F 因子因子的为初生的为初生F F 菌株；如与菌株；如与F F菌结合，可使后者也成为菌结合，可使后者也成为F F 菌株，菌株，这为次生这为次生F F 菌株。凡是通过菌株。凡是通过F F 因子的转移而使受体菌改变它因子的转移而使受体菌改变它的遗传性状现象称为的遗传性状现象称为F F 因子转导或性导。因子转导或性导。（二）接合的方式（二）接合的方式 1 1、F F与与F F的接合的接合 当当F+F+菌性菌毛末端与菌性菌毛末端与F-F-菌表面受体接合时，性菌毛逐渐缩短使两菌之间菌表面受体接合时，性菌毛逐渐缩短使两菌之间靠近并形成通道，靠近并形成通道，F+F+菌的质粒菌的质粒DNADNA中