1、 微生物遗传与变异微生物遗传与变异 要点：要点：1、细菌基因重组的原理和方法。、细菌基因重组的原理和方法。2、真菌基因重组的原理和方法。、真菌基因重组的原理和方法。3、微生物诱变育种的原理和方法。、微生物诱变育种的原理和方法。4、基因工程的基本原理、基因工程的基本原理5、基因表达的调控、基因表达的调控重点：重点：细菌的基因重组细菌的基因重组难点：难点：低频转导，高频转导，准性生殖低频转导，高频转导，准性生殖 第一节第一节 遗传的物质基础遗传的物质基础第二节第二节 微生物的基因组结构微生物的基因组结构第四节第四节 真核微生物的基因重组真核微生物的基因重组 第三节第三节 原核微生物的基因重组原核微
2、生物的基因重组第五节第五节 基因突变和诱变育种基因突变和诱变育种第六节第六节 微生物与基因工程微生物与基因工程三个经典实验的原理与方法，三个经典实验的原理与方法，朊病毒的概念朊病毒的概念原核及真核微生物基因组的基本特征原核及真核微生物基因组的基本特征基因突变的规律基因突变的规律三种基因水平转移方式及其应用三种基因水平转移方式及其应用准性生殖准性生殖基因工程的基本过程和基本技术基因工程的基本过程和基本技术遗传：遗传： 亲代与子代相似亲代与子代相似变异变异： 亲代与子代、子代间不同个体不完全相同亲代与子代、子代间不同个体不完全相同遗传（遗传（inheritance）和变异（和变异（variatio
3、n）是生命的最本质特性之一是生命的最本质特性之一遗传型遗传型：(genotype)表型表型：(phenotype)决定生物表现型的遗传因子决定生物表现型的遗传因子具有一定遗传型的个体，在特定环境条件下通过具有一定遗传型的个体，在特定环境条件下通过生长发育所表现出来的外表特征和内在特征的总生长发育所表现出来的外表特征和内在特征的总和。和。表型是由遗传型所决定，但也和环境有关。表型是由遗传型所决定，但也和环境有关。遗传型环境条件遗传型环境条件表型表型表型饰变：表型饰变：同样遗传型的生物在不同外界条件下显现的不同表现同样遗传型的生物在不同外界条件下显现的不同表现型的变异，不涉及遗传物质结构改变型的变
4、异，不涉及遗传物质结构改变特点：特点：暂时性、不可遗传性、表现为全部个体的行为暂时性、不可遗传性、表现为全部个体的行为遗传型改变引起的表型变化，发生在基因水平上，可遗传型改变引起的表型变化，发生在基因水平上，可以遗传给子代。以遗传给子代。特点：特点：遗传性、群体中极少数个体的行为遗传性、群体中极少数个体的行为（自发突变频率通常（自发突变频率通常为为1010-6-6-10-10-9-9）遗传型变异（基因突变）遗传型变异（基因突变）：第一节第一节 遗传的物质基础遗传的物质基础一一. .证明核酸是遗传物质的经典实验证明核酸是遗传物质的经典实验1928年，年，F. Griffith；1944年年O.
5、T. Avery 肺炎链球菌肺炎链球菌（Streptococcus pneumoniae）转化试验转化试验。1952年，年，A. D. Hershy、M. Chase的的噬菌体感染实验噬菌体感染实验。1956年，年，H. Fraenkel-Conrat的的TMV拆开和重建实验拆开和重建实验。1 1、经典转化实验、经典转化实验肺炎链球菌：肺炎链球菌：S型（菌体具荚膜，菌落表面光滑，有致病能力）型（菌体具荚膜，菌落表面光滑，有致病能力）R型（菌体无荚膜，菌落表面粗糙，无致病能力）型（菌体无荚膜，菌落表面粗糙，无致病能力）加加S菌菌DNA加加S菌菌DNA及及DNA酶以外的酶酶以外的酶加加S菌的菌的D
6、NA和和DNA酶酶加加S菌的菌的RNA加加S菌的蛋白质菌的蛋白质加加S菌的荚膜多糖菌的荚膜多糖活活R菌菌长出长出S菌菌只有只有R菌菌1944年年Avery、MacLeod和和McCarty从热死从热死S型型S. pneumoniae中提纯了可能作为转化因子的各种成分，并中提纯了可能作为转化因子的各种成分，并在离体条件下进行了转化试验：在离体条件下进行了转化试验：只有只有S型细菌的型细菌的DNA才能将才能将S. pneumoniae的的R型转化为型转化为S型。且型。且DNA纯度越高，转化效率也越高。说明纯度越高，转化效率也越高。说明S型菌株转型菌株转移给移给R型菌株的，是遗传因子型菌株的，是遗传
7、因子DNA。2、噬菌体感染实验、噬菌体感染实验进入细菌细胞内部的物质是进入细菌细胞内部的物质是DNA。DNA包含有产生完整噬包含有产生完整噬菌体的全部信息。菌体的全部信息。3、植物病毒、植物病毒TMV重建实验重建实验TMV的遗传物质是的遗传物质是RNA。结论： 证明核酸（证明核酸（DNA或或RNA）是遗传的物质基）是遗传的物质基础础简单的细菌（或病毒）解决复杂而重大的简单的细菌（或病毒）解决复杂而重大的问题问题微生物与高等生物具有共同的遗传本质微生物与高等生物具有共同的遗传本质朊病毒的发现和思考朊病毒的发现和思考:朊病毒朊病毒一种具有传染性的蛋白质致病因子一种具有传染性的蛋白质致病因子蛋白质是
8、遗传物质吗蛋白质是遗传物质吗蛋白质折叠与功能的关系，蛋白质折叠与功能的关系，是否存在折叠密码？是否存在折叠密码？已知的传染性疾病的传播因已知的传染性疾病的传播因子必须含有核酸子必须含有核酸真核生物真核生物 DNADNA分子与组蛋白结合构成染色体，每条染色体有单一线性双分子与组蛋白结合构成染色体，每条染色体有单一线性双链链DNADNA分子。一个真核生物细胞内有多条染色体（脉孢菌分子。一个真核生物细胞内有多条染色体（脉孢菌7 7条，条，人人2323条）。高等生物中有条）。高等生物中有2 2至多套染色体（动物至多套染色体（动物2 2倍，水稻倍，水稻4 4倍），真菌有双倍体，但多数微生物是单倍体。真核
9、细胞核倍），真菌有双倍体，但多数微生物是单倍体。真核细胞核物质外有核膜包围，形成完整细胞核。物质外有核膜包围，形成完整细胞核。原核生物原核生物 DNADNA不与组蛋白结合，染色体仅由一条不与组蛋白结合，染色体仅由一条DNADNA组成，组成，DNADNA为共价闭为共价闭合环状双链，一个细胞内只有一条染色体（单倍体合环状双链，一个细胞内只有一条染色体（单倍体haploidhaploid）。）。无核膜包围，只在细胞中央形成核区。无核膜包围，只在细胞中央形成核区。质粒质粒plasmidplasmid和和转座因子转座因子 原核生物中，除染色体以外，能够自主复制的共价闭合环状原核生物中，除染色体以外，能够
10、自主复制的共价闭合环状DNADNA分子。它们携带少量遗传基因，决定细胞的某些性状，并分子。它们携带少量遗传基因，决定细胞的某些性状，并非细菌生活必需。非细菌生活必需。二、遗传物质在微生物细胞内存在的部位和形式二、遗传物质在微生物细胞内存在的部位和形式一）遗传物质在微生物细胞中的存在方式一）遗传物质在微生物细胞中的存在方式真核微生物：细胞核真核微生物：细胞核原核微生物：核区原核微生物：核区细胞核或核区的数目在不同的微生物中是不同的细胞核或核区的数目在不同的微生物中是不同的（二）遗传物质存在的部位（二）遗传物质存在的部位细胞核水平细胞核水平真核生物真核生物 细胞核细胞核 核染色体核染色体原核生物原
11、核生物 核区核区 DNA链链核基因组核基因组在核基因组之外，还存在各种形式的核外遗传物质在核基因组之外，还存在各种形式的核外遗传物质核外染色核外染色体体真核生物真核生物的的“质粒质粒”原核生物原核生物的质粒的质粒线粒体线粒体细胞质基因细胞质基因叶绿体叶绿体（质体）（质体）中心体中心体动动 体体共生生物：共生生物：卡巴颗粒卡巴颗粒酵母菌的酵母菌的2 m质粒质粒F因子因子R因子因子Col质粒质粒Ti质粒质粒巨大质粒巨大质粒降解性质粒降解性质粒核基因组核基因组遗遗传传物物质质类类型型（三）转座因子（三）转座因子细胞中能改变自身位置（例如从染色体或质粒转移到另一个位点，细胞中能改变自身位置（例如从染色
12、体或质粒转移到另一个位点，或者在两个复制子之间转移）的一段或者在两个复制子之间转移）的一段DNA序列。序列。也称也称跳跃基因跳跃基因（jumping gene）或或可移动基因（可移动基因（movable gene）。）。插入序列（插入序列（insertion sequence,IS)转座子（转座子（transposon ,Tn)某些病毒（某些病毒（Mu噬菌体）噬菌体）原核生物的转座因子：原核生物的转座因子：转座因子转座因子 4040年代年代McClintockMcClintock在在玉米中发现了转座子即跳跃玉米中发现了转座子即跳跃基因基因，自，自19671967年以来，已在微生物和其它生物中年
13、以来，已在微生物和其它生物中得到普遍证实。得到普遍证实。 新发现新发现有些有些DNADNA片段不但可在染色体上移动，还片段不但可在染色体上移动，还可从一个染色体跳到另一个染色体，从一个质粒可从一个染色体跳到另一个染色体，从一个质粒跳到另一个质粒或染色体，甚至还从一个细胞转跳到另一个质粒或染色体，甚至还从一个细胞转移到另一个细胞。在这些移到另一个细胞。在这些DNADNA顺序的跳跃过程中，顺序的跳跃过程中，往往导致往往导致DNADNA链的断裂或重接，从而产生重组交换链的断裂或重接，从而产生重组交换或使某些基因启动或关闭，结果导致突变的发生。或使某些基因启动或关闭，结果导致突变的发生。转座因子的种类
14、（转座因子的种类（1） 插入序列（插入序列（IS，insertion sequence）：分子量最小（仅：分子量最小（仅0.7-1.4kb），），只能引起转座（只能引起转座（transposition）效应而不效应而不含其它基因。可以在染色体、含其它基因。可以在染色体、F因子等质粒上发现它们。因子等质粒上发现它们。 已知的已知的IS有有5种，即种，即 IS1、IS2、IS3、IS4和和IS5。 因因IS在染色体上插入的位置和方向的不同，其引起的突变在染色体上插入的位置和方向的不同，其引起的突变效应也不同。效应也不同。IS引起的突变可回复，其原因可能是引起的突变可回复，其原因可能是IS被切被切离
15、，如果因切离部位有误而带走离，如果因切离部位有误而带走IS以外的一部分以外的一部分DNA序列，序列，就会在插入部位造成缺失，从而发生新的突变。就会在插入部位造成缺失，从而发生新的突变。转座因子的种类（转座因子的种类（2） 转座子转座子(Tn，transposon，又称转位子，易位子又称转位子，易位子)与与IS和和Mu噬菌体相比，噬菌体相比，Tn的分子量居中（一般的分子量居中（一般为为225kb）。）。它含有几个至十几个基因，其中除它含有几个至十几个基因，其中除了与转座有关的基因外，还含有抗药基因或乳糖了与转座有关的基因外，还含有抗药基因或乳糖发酵基因等其它基因。发酵基因等其它基因。 Tn虽能插
16、到受体虽能插到受体DNA分子的许多位点上，但这些分子的许多位点上，但这些位点似乎也不完全是随机的，其中某些区域更易位点似乎也不完全是随机的，其中某些区域更易插入。插入。 特征：在两端有特征：在两端有IRIR序列序列 ，分两类：，分两类： 型型Compound transposons：两端为插入序列两端为插入序列IS，抗性基因居中。抗性基因居中。如如Tn5、Tn9、Tn10、Tn4001、Tn4003。 型型Complex transposons：两端为两端为IR(30-50bp)，中间为转座基因和抗性基因。中间为转座基因和抗性基因。如如Tn1、Tn3、Tn21、Tn1721、Tn551。转座子
17、转座子 transposon转座因子的种类（转座因子的种类（3） Mu噬菌体（即噬菌体（即 mutator phage，诱变噬菌体）诱变噬菌体） 是是E . coli的一种温和噬菌体。与必须整合到宿的一种温和噬菌体。与必须整合到宿主染色体特定位置上的一般温和噬菌体不同，主染色体特定位置上的一般温和噬菌体不同，Mu噬噬菌体并没有一定的整合位置。菌体并没有一定的整合位置。 与与IS和和Tn相比，相比，Mu噬菌体的分子量最大噬菌体的分子量最大37kb，含，含有有20多个基因。引起的转座可以导致插入突变，其多个基因。引起的转座可以导致插入突变，其中约有中约有2%是营养缺陷型突变。是营养缺陷型突变。转座
18、的遗传学效应：转座的遗传学效应：1）插入突变）插入突变2）产生染色体畸变）产生染色体畸变3）基因的移动和重排）基因的移动和重排四）质粒四）质粒1、致育因子致育因子(Fertility factor，F因子因子)3、产细菌素的质粒（产细菌素的质粒（Bacteriocin production plasmid）2、抗性因子（抗性因子（Resistance factor，R因子）因子）4、毒性质粒（毒性质粒（virulence plasmid）5、代谢质粒（代谢质粒（Metabolic plasmid）6、隐秘质粒（隐秘质粒（cryptic plasmid）五）基因的表达五）基因的表达 以以DNA为
19、模板，通过为模板，通过RNA聚合酶转录出聚合酶转录出mRNA，然后将然后将mRNA包含的碱基顺序在核糖体中翻译成相应氨基酸序列包含的碱基顺序在核糖体中翻译成相应氨基酸序列的多肽。的多肽。转录（转录（transcription） 双链双链DNA单链，以其中一条为模板单链，以其中一条为模板互补互补mRNA翻译翻译(translation) mRNA 多肽多肽DNARNARNA肽链肽链蛋白质蛋白质五）基因的表达五）基因的表达第二节：微生物的基因组结构 明确基因组的概念，微生物在人类基因组计划中的独特而明确基因组的概念，微生物在人类基因组计划中的独特而重要的地位；重要的地位； 人类基因组计划对微生物学
20、发展的影响；人类基因组计划对微生物学发展的影响； 三种代表性微生物基因组结构的特点，特别强调古生菌基三种代表性微生物基因组结构的特点，特别强调古生菌基因组的独特性及双重特征；因组的独特性及双重特征； 随着基因组全序列测定微生物的增多所发现的新问题：随着基因组全序列测定微生物的增多所发现的新问题： 水平基因转移现象水平基因转移现象 Woese系统发育树面临的挑战系统发育树面临的挑战 微生物基因组结构的特点微生物基因组结构的特点1、原核生物（细菌）的基因组、原核生物（细菌）的基因组1）染色体为）染色体为双链环状的双链环状的DNA分子（单倍体）；分子（单倍体）；2）基因组上遗传信息具有连续性；）基因
21、组上遗传信息具有连续性； 基因数基本接近由它的基因组大小所估计的基因数基因数基本接近由它的基因组大小所估计的基因数 一般不含内含子，遗传信息是连续的而不是中断的。一般不含内含子，遗传信息是连续的而不是中断的。 3）功能相关的结构基因组成操纵子结构；）功能相关的结构基因组成操纵子结构； 4）结构基因的单拷贝及）结构基因的单拷贝及rRNA基因的多拷贝；基因的多拷贝； 5）基因组的重复序列少而短）基因组的重复序列少而短.基因组基因组genome：一种生物的全套基因。一种生物的全套基因。2、真核微生物（啤酒酵母）的基因组、真核微生物（啤酒酵母）的基因组1）典型的真核染色体结构；典型的真核染色体结构；啤
22、酒酵母基因组大小为啤酒酵母基因组大小为13.5106bp，分布在分布在16条染色体中。条染色体中。 2）没有明显的操纵子结构；）没有明显的操纵子结构；3）有间隔区（即非编码区）或内含子序列；）有间隔区（即非编码区）或内含子序列； 4）最显著的特点是最显著的特点是重复序列多重复序列多. 第一个完成基因组测序的真核生物基因组第一个完成基因组测序的真核生物基因组 基因组上有许多较高同源性的基因组上有许多较高同源性的 DNA 重复序列，重复序列，这是一种进化。即可在少数基因发生突变而失去这是一种进化。即可在少数基因发生突变而失去功能时不会影响生命过程，也可适应复杂多变的功能时不会影响生命过程，也可适应
23、复杂多变的环境，丰余的基因可在不同的环境种起用多个功环境，丰余的基因可在不同的环境种起用多个功能相同或相似的基因产物，有备无患。能相同或相似的基因产物，有备无患。 酵母菌确实比细菌和病毒进步而富有，而细菌和酵母菌确实比细菌和病毒进步而富有，而细菌和病毒似乎更聪明，能更经济更有效地利用遗传资病毒似乎更聪明，能更经济更有效地利用遗传资源。源。2、古生菌（詹氏甲烷球菌）的基因组、古生菌（詹氏甲烷球菌）的基因组第一个完成基因组测序的古生菌第一个完成基因组测序的古生菌1) 只有只有40的基因与其他两界的生物有同源性的基因与其他两界的生物有同源性2) 古生菌的基因组在结构上类似于细菌古生菌的基因组在结构上
24、类似于细菌 1.66x106bp的环状染色体的环状染色体DNA 1682个个ORF(Open Reading Frame)3) 负责信息传递功能的基因（复制负责信息传递功能的基因（复制 、转录和翻译）则类似、转录和翻译）则类似于真核生物于真核生物ORF(Opening reading frame) 任何一种生物的基因组，都是由不编码和任何一种生物的基因组，都是由不编码和编码蛋白质的核苷酸序列（基因）所组成。编码蛋白质的核苷酸序列（基因）所组成。基因通常只是基因组的一小部分基因通常只是基因组的一小部分. 一个基因组拥有的一个基因组拥有的“基因基因”数目是由两部数目是由两部分组成的：通过实验证明确
25、有蛋白质产物分组成的：通过实验证明确有蛋白质产物的真实基因、根据起始密码和终止密码序的真实基因、根据起始密码和终止密码序列所确定的潜在基因。生物学家们把这两列所确定的潜在基因。生物学家们把这两类基因都称为类基因都称为“开放阅读框开放阅读框” (）。）。因此，一个基因组内的基因数目通常是指因此，一个基因组内的基因数目通常是指的数目。的数目。克隆克隆cloneclone不经过有性细胞的结合，由体细胞发育成新个体，即无性繁殖。不经过有性细胞的结合，由体细胞发育成新个体，即无性繁殖。基因重组基因重组gene recombination 两个不同来源的遗传物质进行交换，经过基因的重新组合，形两个不同来源
26、的遗传物质进行交换，经过基因的重新组合，形成新的基因型的过程。重组获得的后代具有新的基因组合，表成新的基因型的过程。重组获得的后代具有新的基因组合，表现出不同于亲本的新性状。现出不同于亲本的新性状。 原核微生物没有有性生殖，其基因重组通过原核微生物没有有性生殖，其基因重组通过转化、接合、转化、接合、转导转导方式进行。方式进行。第三节第三节 原核微生物的基因重组原核微生物的基因重组一、细菌的接合作用(conjugation)通过细胞与细胞的直接接触而产生的遗传信息的转移和重组通过细胞与细胞的直接接触而产生的遗传信息的转移和重组过程过程1.实验证据实验证据接合接合(conjugation)通过供体
27、菌与受体菌间细通过供体菌与受体菌间细胞接触而传递大段胞接触而传递大段DNA1946年，年，Joshua Lederberg 和和Edward L.TatumE.coli k12的多重营养缺陷型杂的多重营养缺陷型杂交实验交实验中间平板上长出的原养型菌落中间平板上长出的原养型菌落是两菌株之间发生了遗传交换是两菌株之间发生了遗传交换和重组所致。和重组所致。F因子因子 大肠杆菌是有性别分化的。决定它们性别的因大肠杆菌是有性别分化的。决定它们性别的因子称为子称为F F因子因子( (致育因子或称性质粒致育因子或称性质粒) )，呈超，呈超螺旋状态，螺旋状态，既可以在细胞内独立存在既可以在细胞内独立存在, 具
28、有自主具有自主的与染色体进行同步复制和转移到其他细胞中的与染色体进行同步复制和转移到其他细胞中的能力的能力, ,也可插入也可插入( (即整合即整合) )到染色体上到染色体上F F因子的四种细胞形式：因子的四种细胞形式： a）F-菌株菌株(“雌性雌性”菌株菌株)，不含不含F因因子，没有性菌毛，但可以通过接合子，没有性菌毛，但可以通过接合作用接收作用接收F因子而变成因子而变成F+菌株菌株；b）F+菌株菌株(“雄性雄性”菌株菌株)， F因子因子独立存在，细胞表面有性菌毛。独立存在，细胞表面有性菌毛。c c）HfrHfr菌株菌株，F F因子插入到染色体因子插入到染色体DNADNA上上，细胞表面有性菌毛
29、。，细胞表面有性菌毛。d d）FF菌株菌株，Hfr菌株内的菌株内的F因子因因子因不正常切割而脱离染色体时，形成不正常切割而脱离染色体时，形成游离的但携带一小段染色体基因的游离的但携带一小段染色体基因的F因子，特称为因子，特称为F因因 子。子。 细胞表面同细胞表面同样有性菌毛。样有性菌毛。 F+F+菌株菌株含含F F质粒，细胞表面产生性毛质粒，细胞表面产生性毛( (sex sex pilipili) )，与与F-F-细胞相连，在细胞相连，在接合后转移接合后转移DNADNA。 F-F-菌株菌株无无F F质粒，不产生性毛，可接受外来质粒，不产生性毛，可接受外来F F质粒。质粒。Hfr菌株菌株高频重组
30、菌株（高频重组菌株（high frequency recombination）。）。与与F-接合后，重组频率接合后，重组频率比比F+高几百倍。高几百倍。在在Hfr细胞中，存在与染色体特定位点相整合的细胞中，存在与染色体特定位点相整合的F因子因子(产生频率约产生频率约10-5)。当它与当它与F-菌株发生接合时，菌株发生接合时，Hfr染色体在染色体在F因子处发生断裂，由环状变成线因子处发生断裂，由环状变成线状。整段线状染色体转移至状。整段线状染色体转移至F-细胞的全过程约需细胞的全过程约需100 min。在转移时，由于在转移时，由于断裂发生在断裂发生在F因子中，所以必然要等因子中，所以必然要等Hf
31、r的整条染色体组全部转移完成后，的整条染色体组全部转移完成后，F因子才能完全进入因子才能完全进入F-细胞。但转移过程中断，所以越在前端的基因，进细胞。但转移过程中断，所以越在前端的基因，进入的机会就越多，故在入的机会就越多，故在F-中出现重组子的时间就越早，频率也高。中出现重组子的时间就越早，频率也高。 FF菌株菌株 当当HfrHfr菌株内的菌株内的F F因子因不正常切割而脱离其染色体组时，可因子因不正常切割而脱离其染色体组时，可形成游离的携带一小段染色体基因的形成游离的携带一小段染色体基因的F F因子，特称因子，特称FF因子因子。 携带有携带有FF因子的菌株，其性状介于因子的菌株，其性状介于
32、F+F+与与HfrHfr之间，这就是初之间，这就是初生生FF菌株。初生菌株。初生FF菌株与菌株与F-F-菌株接合，可使后者转变成菌株接合，可使后者转变成FF菌株，这就是次生菌株，这就是次生FF菌株，它既获得了菌株，它既获得了F F因子，又获得了来因子，又获得了来自初生自初生FF菌株的若干遗传性状。以这种接合来传递供体菌菌株的若干遗传性状。以这种接合来传递供体菌基因的方式，称为基因的方式，称为F F因子转导因子转导( (F-F-ductionduction) )、性导性导( (sexductionsexduction) ) 。 在次生的在次生的FF群体中，大约有群体中，大约有10%10%的的FF
33、因子重新整合到染色因子重新整合到染色体组上，而恢复成体组上，而恢复成HfrHfr菌。菌。1） F+F-杂交杂交1 1）F F+ +细菌通过性毛与细菌通过性毛与F F- -细菌接触并发生相互作用；细菌接触并发生相互作用；2 2）F F因子出现缺口，双链之一被切断，从断端转移因子出现缺口，双链之一被切断，从断端转移F F因子的一条链到因子的一条链到F F- -细菌中。细菌中。 3 3）F F因子的一条链一进入因子的一条链一进入F F- -细菌中，在细菌中，在F F- -细菌中复制新的细菌中复制新的 F F因子从而变成因子从而变成F F+ + 4 4）原有原有F F+ +细胞也完成细胞也完成F F因
34、子另一条链的复制，所以转移是因子另一条链的复制，所以转移是F F+ +的拷贝。的拷贝。F+ F+ HfrHfr菌株的菌株的F F因子插入到染色体因子插入到染色体DNADNA上，因此上，因此只要只要发生接合转移过程，就可以把部分甚至全部细菌发生接合转移过程，就可以把部分甚至全部细菌染色体传递给染色体传递给F F- -细胞并发生重组，由此而得名为细胞并发生重组，由此而得名为高频重组菌株高频重组菌株2 2）HfrHfr F-杂交杂交Hfr菌株仍然保持着菌株仍然保持着F+细胞的特征，具有细胞的特征，具有F性菌毛，性菌毛，并象并象F+一样与一样与F-细胞进行接合。细胞进行接合。所不同的是，当所不同的是，
35、当OriT序列被缺刻螺旋酶识别而产序列被缺刻螺旋酶识别而产生缺口后，生缺口后，F因子的先导区因子的先导区(leading region)结合着结合着染色体染色体DNA向受体细胞转移。向受体细胞转移。F因子除先导区以外，其余绝大部分是处于转移因子除先导区以外，其余绝大部分是处于转移染色体的末端，由于转移过程常被中断，因此染色体的末端，由于转移过程常被中断，因此F因子不易转入受体细胞中。因子不易转入受体细胞中。HfrF-杂交后的受体细胞杂交后的受体细胞(或接合子或接合子)大多数仍然大多数仍然是是F-。染色体上越靠近染色体上越靠近F因子的先导区的基因，进入的因子的先导区的基因，进入的机会就越多，在机
36、会就越多，在F-中出现重组子的的时间就越早，中出现重组子的的时间就越早，频率也高。频率也高。HfrHfr F-3 3）FFF F-杂交杂交FF-与与F+F-的不同：的不同：供体的部分染色体基因随供体的部分染色体基因随F一起转一起转入受体细胞入受体细胞a）与染色体发生重组；与染色体发生重组；b）继续存在于继续存在于F因子上，形成一种因子上，形成一种部分二倍体部分二倍体细胞基因的这种转移过程又常称为细胞基因的这种转移过程又常称为性导（性导（sexduction）。）。FF F F1、普遍性转导（、普遍性转导（generalized transduction）(1) 意外的发现19511951年，年
37、，Joshua LederbergJoshua Lederberg和和Norton Norton ZinderZinder为了证实大肠杆菌以外的其它菌为了证实大肠杆菌以外的其它菌种是否也存在接合作用，用二株具不同的多重营养缺陷型的种是否也存在接合作用，用二株具不同的多重营养缺陷型的鼠伤寒沙门氏菌鼠伤寒沙门氏菌进进行类似的实验：行类似的实验：用用“U”U”型管进行同样的实验时，在给体和受体细胞不接触的情况下，同样出型管进行同样的实验时，在给体和受体细胞不接触的情况下，同样出现原养型细菌！现原养型细菌！二、细菌的转导二、细菌的转导( (transduction)transduction) 1952
38、 1952 年年Zinder 和和 Lederberg 在验证在验证Salmonella typhimurium是否也存在接合是否也存在接合现象时发现了转导现象。现象时发现了转导现象。 S. typhimurium：LT22A (trp-)； LT2(his-) LT22溶原性溶原性噬菌体噬菌体P22 感染感染LT2（非溶原性）非溶原性）可能释放带可能释放带trp+的的P22LT22A (trp-)呈原养型。呈原养型。沙门氏菌沙门氏菌LT22A是携带是携带P22噬菌体的溶源性细菌噬菌体的溶源性细菌, 另另一株是非溶源性细菌一株是非溶源性细菌一个表面看起来的常规研究却导致一个表面看起来的常规研究
39、却导致一个惊奇和十分重要发现的重要例证！一个惊奇和十分重要发现的重要例证！基因的传递很可能是由可透过基因的传递很可能是由可透过“U”型管滤板的型管滤板的P22噬菌体介导的噬菌体介导的（普遍性转导这一重要的基因转移途径的发现）（普遍性转导这一重要的基因转移途径的发现）Why and How ?（二）转导（二）转导（transduction）转导：转导：由病毒介导的细菌细胞间进行遗传交换的一种方式由病毒介导的细菌细胞间进行遗传交换的一种方式 一个细胞的一个细胞的DNA或或RNA通过病毒载体的感染转移到另一个细胞中。通过病毒载体的感染转移到另一个细胞中。细菌转导的类型：细菌转导的类型：普遍普遍转导转
40、导局限局限转导转导完全转导完全转导流产转导流产转导低频转导低频转导高频转导高频转导转导噬菌体：转导噬菌体：能将细菌宿主的部分染色体和质粒能将细菌宿主的部分染色体和质粒DNA带到另一个细带到另一个细菌的噬菌体。菌的噬菌体。获得了由噬菌体携带来的供体菌获得了由噬菌体携带来的供体菌DNA片段的受体细胞片段的受体细胞称为称为转导子转导子。在转导中被转移的染色体片段称为。在转导中被转移的染色体片段称为转导因子转导因子。 普遍转导（普遍转导（generalized transduction）噬菌体可以转导噬菌体可以转导供体菌染色体的任何部分供体菌染色体的任何部分到受体细胞中到受体细胞中普遍性转导的三种后果
41、：普遍性转导的三种后果：外源外源DNA被降解，转导失败。被降解，转导失败。进入受体的外源进入受体的外源DNA通过通过与细胞染色体的重组交换与细胞染色体的重组交换而形成稳定的转导子而形成稳定的转导子流产转导流产转导完全转导完全转导complete transduction ： 形成了遗传性稳定的转导子形成了遗传性稳定的转导子(transductant) 普遍转导普遍转导(generalized transduction) 噬菌体可误包供体菌中的任何基因噬菌体可误包供体菌中的任何基因( (包括质粒包括质粒) )，并使受体菌，并使受体菌实现各种性状的转导实现各种性状的转导 转导转导DNA不能进行整合
42、、重组和复制，但其携带的基因可不能进行整合、重组和复制，但其携带的基因可经过转录而得到表达。因此群体中仅一个细胞含有经过转录而得到表达。因此群体中仅一个细胞含有DNA，而其而其它细胞只能得到其基因产物。它细胞只能得到其基因产物。流产转导：流产转导：局限转导：局限转导：温和噬菌体感染温和噬菌体感染整合到细菌染色体的特定位点上整合到细菌染色体的特定位点上宿主细胞发生溶源化宿主细胞发生溶源化溶源菌因诱导而发生裂解时，溶源菌因诱导而发生裂解时，在前噬菌体二侧的少数宿主在前噬菌体二侧的少数宿主基因因偶尔发生的不正常切基因因偶尔发生的不正常切割而连在噬菌体割而连在噬菌体DNA上上部分缺陷的温和噬菌体部分缺
43、陷的温和噬菌体把供体菌的少数特定基因把供体菌的少数特定基因转移到受体菌中转移到受体菌中 局限转导局限转导specialized transduction 当溶原菌群经诱导后，其中极少数前噬菌体从宿主染色体脱落当溶原菌群经诱导后，其中极少数前噬菌体从宿主染色体脱落时产生错误切割，从而把宿主的某些基因（时产生错误切割，从而把宿主的某些基因（ 前噬菌体位点前噬菌体位点两端是细菌染色体的两端是细菌染色体的gal和和bio，故形成的转导噬菌体通常故形成的转导噬菌体通常带有带有ga1或或bio）整合到噬菌体的基因组上整合到噬菌体的基因组上 ，当这样的噬，当这样的噬菌体侵染另一宿主菌时，噬菌体菌体侵染另一宿
44、主菌时，噬菌体 DNA DNA 与受体菌的与受体菌的 DNA DNA 同源区同源区段配对，通过双交换而整合到受体菌的染色体组上，使受体菌段配对，通过双交换而整合到受体菌的染色体组上，使受体菌获得了供体的这部分遗传特性，而形成转导子（缺陷溶源菌）。获得了供体的这部分遗传特性，而形成转导子（缺陷溶源菌）。局限转导与普遍转导的主要区别：局限转导与普遍转导的主要区别：a）局限转导中被转导的基因共价地与噬菌体局限转导中被转导的基因共价地与噬菌体DNA连接，连接，与噬菌体与噬菌体DNA一起进行复制、包装以及被导入受体细一起进行复制、包装以及被导入受体细胞中。胞中。而普遍性转导包装的可能全部是宿主菌的基因。
45、而普遍性转导包装的可能全部是宿主菌的基因。b）局限性转导颗粒携带特定的染色体片段并将固定局限性转导颗粒携带特定的染色体片段并将固定的个别基因导入受体，故称为局限性转导。的个别基因导入受体，故称为局限性转导。而普遍性而普遍性转导携带的宿主基因具有随机性。转导携带的宿主基因具有随机性。 溶源转变溶源转变( (lysoneniclysonenic conversion) conversion) 当温和噬菌体感染其宿主而使之发生溶源化时，因噬菌体的基当温和噬菌体感染其宿主而使之发生溶源化时，因噬菌体的基因整合到宿主的基因组上，而使后者获得了除免疫性以外的新因整合到宿主的基因组上，而使后者获得了除免疫性
46、以外的新性状的现象。性状的现象。 当宿主丧失这一噬菌体时，通过溶源转变而获得的性状也同时当宿主丧失这一噬菌体时，通过溶源转变而获得的性状也同时消失。溶源转变与转导有本质上的不同，首先是它的温和噬菌消失。溶源转变与转导有本质上的不同，首先是它的温和噬菌体不携带任何供体菌的基因；其次，这种噬菌体是完整的，而体不携带任何供体菌的基因；其次，这种噬菌体是完整的，而不是缺陷的。不是缺陷的。 典型例子：典型例子： 不产毒素的白喉棒杆菌不产毒素的白喉棒杆菌(Corynebacterium diphtheriae) 菌株在被噬菌体感染而发生溶源化时，会变成产白喉毒素的致菌株在被噬菌体感染而发生溶源化时，会变成
47、产白喉毒素的致病菌株。病菌株。低频转导与高频转导低频转导与高频转导 低频转导：低频转导：当用当用噬菌体转导发酵乳糖的基因时，噬菌体转导发酵乳糖的基因时，约约10-6 被感染的细菌中出现一个被感染的细菌中出现一个转导子转导子。即大约。即大约10-6 噬菌体中只有一个带有发酵乳糖的基因。噬菌体中只有一个带有发酵乳糖的基因。 高频转导：高频转导：当当噬菌体整合到寄主细胞后，带有噬菌体整合到寄主细胞后，带有发酵乳糖基因的发酵乳糖基因的噬菌体也整合到寄主染色体上，噬菌体也整合到寄主染色体上，成为双重溶源化细胞。这种细菌用紫外线诱导时，成为双重溶源化细胞。这种细菌用紫外线诱导时，非转导的和转导的噬菌体同时
48、脱离细胞染色体而非转导的和转导的噬菌体同时脱离细胞染色体而复制繁殖，两个噬菌体中就有一个带有发酵乳糖复制繁殖，两个噬菌体中就有一个带有发酵乳糖的基因。用这种细胞释放的噬菌体转导发酵乳糖的基因。用这种细胞释放的噬菌体转导发酵乳糖基因，就可以得到基因，就可以得到50的转导子。的转导子。 供体菌供体菌受体菌受体菌DNA片段片段转化：转化：指同源或异源的游离指同源或异源的游离DNA分子（质粒和染色体分子（质粒和染色体DNA）被自然或人工感受态细胞提取，并得到表达的水平方向的基因被自然或人工感受态细胞提取，并得到表达的水平方向的基因转移过程。转移过程。这些被转化的游离的这些被转化的游离的DNA片段称为片
49、段称为转化因子转化因子 。转转化后的受体菌，称为化后的受体菌，称为转化子转化子。 1928年，年，Griffith发现肺炎链球菌（发现肺炎链球菌（Streptococcus pneumoniae） 的转化现象的转化现象目前已知有二十多个种的细菌具有自然转化的能力目前已知有二十多个种的细菌具有自然转化的能力三、细菌的遗传转化（三、细菌的遗传转化（genetic transformationgenetic transformation） 感受态细胞：感受态细胞：受体菌最容易接受外源受体菌最容易接受外源DNADNA片段并实现转化的片段并实现转化的 生理状态称为感受态。生理状态称为感受态。 转化需要转
50、化需要二方面二方面必要条件：必要条件：1、建立了感受态的受体细胞、建立了感受态的受体细胞2、外源游离、外源游离DNA分子（转化因子）分子（转化因子）自然感受态自然感受态是细胞一定生长阶段的生理特性，受细菌是细胞一定生长阶段的生理特性，受细菌 自身的基因控制；自身的基因控制；人工感受态人工感受态则是通过人为诱导的方法，使细胞具有摄取则是通过人为诱导的方法，使细胞具有摄取DNADNA 的能力，或人为地将的能力，或人为地将DNADNA导入细胞内导入细胞内转化因子通常是双链转化因子通常是双链DNA。 转化过程转化过程: 感受态的出现感受态的出现 转化因子的吸附与掺入转化因子的吸附与掺入 转化因子的整合
