1、生命科学学院生命科学学院馬匯泉馬匯泉微生物是遗传学研究中的明星：微生物是遗传学研究中的明星：t 微生物细胞结构简单，营养体一般为单倍体，方便微生物细胞结构简单，营养体一般为单倍体，方便建立纯系。建立纯系。t 微生物都易于人工培养，快速、大量生长繁殖。微生物都易于人工培养，快速、大量生长繁殖。t 对环境因素的作用敏感，易于获得各类突变株，操对环境因素的作用敏感，易于获得各类突变株，操作性强。作性强。第二节第二节 微生物的基因组结构微生物的基因组结构一、概念一、概念基因组（基因组（genome）：）：一个物种的单倍体的所有染色体一个物种的单倍体的所有染色体及其所包含的遗传信息的总称及其所包含的遗传
2、信息的总称原核生物（如细菌），多为单倍体原核生物（如细菌），多为单倍体（在一般情况下只（在一般情况下只有一条染色体）有一条染色体）真核微生物，多条染色体，真核微生物，多条染色体，例如啤酒例如啤酒酵母有酵母有16条染色体。条染色体。有时为双倍体有时为双倍体第二节第二节 微生物的基因组结构微生物的基因组结构一、大肠杆菌的基因组一、大肠杆菌的基因组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）；双链环状的染色体在细胞中以紧密缠绕成的较致密的双链环状的染色体在细胞中以紧密缠绕成的较致密的不规则小体形式存在于细胞中，该小体称为拟核不规则小体形式存在于细胞中，该小体称为拟核
3、(nucliod)，其上结合有类组蛋白蛋白质和少量其上结合有类组蛋白蛋白质和少量RNA分分子，使其压缩成一种脚手架形的致密结构。子，使其压缩成一种脚手架形的致密结构。例外：布氏疏螺旋体例外：布氏疏螺旋体(Borrelia burgdorferi)的染色体是的染色体是线状的线状的第二节第二节 微生物的基因组结构微生物的基因组结构一、大肠杆菌的基因组一、大肠杆菌的基因组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）；1、遗传信息的连续性、遗传信息的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（通常以（通常以1000bp15
4、00bp为一个基因进行计算）为一个基因进行计算）微生物基因组微生物基因组DNA绝大部分用来编码蛋白质、绝大部分用来编码蛋白质、RNA；用作为复制用作为复制起点、启动子、终止子和一些由调节蛋白识别和结合的位点等信起点、启动子、终止子和一些由调节蛋白识别和结合的位点等信号序列。号序列。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。真核生物基因组的一个重要真核生物基因组的一个重要特点就是含有内含子特点就是含有内含子第二节第二节 微生物的基因组结构微生物的基因组结构一、大肠杆菌的基因组一、大肠杆菌的基因组1、遗传信息的连续性；、遗传信息的连续性；2、功能相
5、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；3、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；4、基因组的重复序列少而短；、基因组的重复序列少而短；古生菌的基因组在结构上类似于细菌。但是信息传递系统(复制、转录和翻译)则与细菌不同而类似于真核生物。操纵子（操纵子（operon）：）：功能相关的几个基因前后相连，再加上一个共同的调节基因和一功能相关的几个基因前后相连，再加上一个共同的调节基因和一组共同的控制位点（启动子、操作子等）在基因转录时协同动作组共同的控制位点（启动子、操作子等）在基因转录时协同动作第二节第二节 微生物的基因组结构微生物的基因
6、组结构二、啤酒酵母的基因组二、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；2）没有明显的操纵子结构；）没有明显的操纵子结构；啤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。3）有间隔区（即非编码区）和内含子序列；）有间隔区（即非编码区）和内含子序列；4）重复序列多；）重复序列多；第三节第三节 质粒和转座因子质粒和转座因子质粒（质粒（plasmid）：）：一种独立于染色体外，能进行自主复制的细胞质遗传一种独立于染色体外，能进行自主复制的细胞质遗传因子，主要存在于各种微生物细胞中。因子，主要存在于各种微生物细胞中。质粒是细胞
7、中除染色体以外的另外一类遗传因子质粒是细胞中除染色体以外的另外一类遗传因子第三节第三节 质粒和转座因子质粒和转座因子一、质粒的分子结构一、质粒的分子结构通常以共价闭合环状通常以共价闭合环状(covalently closed circle，简称简称CCC)的的超螺旋双链超螺旋双链DNA分子存在于细胞中；分子存在于细胞中；也发现有线型双链也发现有线型双链DNA质粒和质粒和RNA质粒；质粒；质粒分子的大小范围从质粒分子的大小范围从1kb左右到左右到1000kb；（细菌质粒多在（细菌质粒多在10kb以内）以内）第三节第三节 质粒和转座因子质粒和转座因子二、质粒的主要类型二、质粒的主要类型在某些特殊条
8、件下，质粒有时能赋予宿主细胞以特殊在某些特殊条件下，质粒有时能赋予宿主细胞以特殊的机能，从而使宿主得到生长优势。的机能，从而使宿主得到生长优势。质粒所含的基因对宿主细胞一般是非必需的；质粒所含的基因对宿主细胞一般是非必需的；第三节第三节 质粒和转座因子质粒和转座因子二、质粒的主要类型二、质粒的主要类型质粒所编质粒所编码的功能码的功能和赋予宿和赋予宿主的表型主的表型效应效应1、致育因子、致育因子（Fertility factor，F因子）因子）2、抗性因子、抗性因子（Resistance factor，R因子）因子）3、Col质粒质粒（Col plasmid）4、毒性质粒、毒性质粒（virule
9、nce plasmid）5、代谢质粒、代谢质粒（Metabolic plasmid）6、隐秘质粒、隐秘质粒（cryptic plasmid）第三节第三节 质粒和转座因子质粒和转座因子二、质粒的主要类型二、质粒的主要类型1、致育因子致育因子(Fertility factor，F因子因子)又称又称F质粒，其大小约质粒，其大小约100kb，这是最早发现的一种与大肠杆菌这是最早发现的一种与大肠杆菌的有性生殖现象的有性生殖现象（接合作用）（接合作用）有关的质粒。有关的质粒。携带携带F质粒的菌株称为质粒的菌株称为F+菌株菌株（相当于雄性），无（相当于雄性），无F质粒的质粒的菌株称为菌株称为F-菌株（相当于
10、雌性）。菌株（相当于雌性）。F因子能以游离状态因子能以游离状态(F+)和以与和以与染色体相结合的状态染色体相结合的状态(Hfr)存在存在于细胞中，所以又称之为附加体于细胞中，所以又称之为附加体(episome)。第三节第三节 质粒和转座因子质粒和转座因子一、质粒的主要类型一、质粒的主要类型2、抗性因子（抗性因子（Resistance factor，R因子）因子）包括抗药性和抗重金属二大类，简称包括抗药性和抗重金属二大类，简称R质粒。质粒。R100质粒质粒(89kb)可使宿主对下列药物及重金属具有抗性：可使宿主对下列药物及重金属具有抗性：汞（汞（mercuric ion，mer）四环素（四环素（
11、tetracycline，tet）链霉素链霉素(Streptomycin,Str)、磺胺磺胺(Sulfonamide,Su)、氯霉素氯霉素(Chlorampenicol,Cm)夫西地酸（夫西地酸（fusidic acid，fus）并且负责这些抗性的基因是成簇地存在于抗性质粒上。并且负责这些抗性的基因是成簇地存在于抗性质粒上。抗性质粒在细菌间的传递是细菌产生抗药性的重要原因之一。抗性质粒在细菌间的传递是细菌产生抗药性的重要原因之一。细菌素细菌素抗生素抗生素抑制或杀死近缘，甚至同种不同株的细菌抑制或杀死近缘，甚至同种不同株的细菌较广的抗菌谱通过核糖体直接合成的多肽类物质通过核糖体直接合成的多肽类物
12、质一般是次级代谢产物编码细菌素的结构基因及相关的基因一般位编码细菌素的结构基因及相关的基因一般位于质粒或转座子上于质粒或转座子上一般无直接的结构基因，相关酶的基因多在染色体上第三节第三节 质粒和转座因子质粒和转座因子3、Col 质粒（质粒（Col plasmid）细菌素结构基因、细菌素结构基因、涉及细菌素运输及发挥作用（涉及细菌素运输及发挥作用（processing）的蛋白质的基因、的蛋白质的基因、赋予宿主对该细菌素具有赋予宿主对该细菌素具有“免疫力免疫力”的相关产物的基因的相关产物的基因一般都位于质粒或转座子上，因此，细菌素可以杀死一般都位于质粒或转座子上，因此，细菌素可以杀死同种但不携带该
13、质粒的菌株。同种但不携带该质粒的菌株。第三节第三节 质粒和转座因子质粒和转座因子3、Col 质粒（质粒（Col plasmid）细菌素一般根据产生菌的种类进行命名：细菌素一般根据产生菌的种类进行命名：大肠杆菌（大肠杆菌（E.coli）产生的细菌素为产生的细菌素为colicins（大肠杆大肠杆菌素），而质粒被称为菌素），而质粒被称为Col质粒。质粒。由由G+细菌产生的细菌素或与细菌素类似的因子与细菌产生的细菌素或与细菌素类似的因子与colicins有所不有所不同，但通常也是由质粒基因编码，有些甚至有商业价值，例如同，但通常也是由质粒基因编码，有些甚至有商业价值，例如一种乳酸细菌产生的细菌素一种乳
14、酸细菌产生的细菌素NisinA能强烈抑制某些能强烈抑制某些G+细菌的生细菌的生长，而被用于食品工业的保藏。长，而被用于食品工业的保藏。第三节第三节 质粒和转座因子质粒和转座因子4、毒性质粒（毒性质粒（virulence plasmid）许多致病菌的致病性是由其所携带的质粒引起的，这些质粒许多致病菌的致病性是由其所携带的质粒引起的，这些质粒具有编码毒素的基因，其产物对宿主（动物、植物）造成伤害。具有编码毒素的基因，其产物对宿主（动物、植物）造成伤害。产毒素大肠杆菌是引起人类和动物腹泻的主要病原菌之一，产毒素大肠杆菌是引起人类和动物腹泻的主要病原菌之一，其中许多菌株含有为一种或多种肠毒素编码的质粒
15、。其中许多菌株含有为一种或多种肠毒素编码的质粒。苏云金杆菌含有编码苏云金杆菌含有编码内毒素内毒素(伴孢晶体中伴孢晶体中)的质粒的质粒根癌土壤杆菌所含根癌土壤杆菌所含Ti质粒是引起双子叶植物冠瘿瘤的质粒是引起双子叶植物冠瘿瘤的致病因子致病因子第三节第三节 质粒和转座因子质粒和转座因子5、代谢质粒（代谢质粒（Metabolic plasmid）质粒上携带有有利于微生物生存的基因，如能降解某质粒上携带有有利于微生物生存的基因，如能降解某些基质的酶，进行共生固氮，或产生抗生素（某些放些基质的酶，进行共生固氮，或产生抗生素（某些放线菌）等。线菌）等。将复杂的有机化合物降解成能被其作为碳源和能源利将复杂的
16、有机化合物降解成能被其作为碳源和能源利用的简单形式用的简单形式，环境保护方面具有重要的意义。，环境保护方面具有重要的意义。假单胞菌：假单胞菌：具有降解一些有毒化合物，如芳香簇化合物具有降解一些有毒化合物，如芳香簇化合物(苯苯)、农、农药药(2,4 dichlorophenoxyacetic acid)、辛烷和樟脑等的辛烷和樟脑等的能力。能力。第三节第三节 质粒和转座因子质粒和转座因子6、隐秘质粒（隐秘质粒（cryptic plasmid）隐秘质粒不显示任何表型效应，它们的存在只有通隐秘质粒不显示任何表型效应，它们的存在只有通过物理的方法，例如用凝胶电泳检测细胞抽提液等过物理的方法，例如用凝胶电
17、泳检测细胞抽提液等方法才能发现。方法才能发现。它们存在的生物学意义，目前几乎不了解。它们存在的生物学意义，目前几乎不了解。在应用上，很多隐秘质粒被加以改造作为基因工程的在应用上，很多隐秘质粒被加以改造作为基因工程的载体载体（一般加上抗性基因）（一般加上抗性基因）第三节第三节 质粒和转座因子质粒和转座因子高拷贝数高拷贝数(high copy number)质粒质粒（每个宿主细胞中可以有（每个宿主细胞中可以有10-100个拷贝）个拷贝）松弛型质粒松弛型质粒(relaxed plasmid)低拷贝数低拷贝数(low copy number)质粒质粒（每个宿主细胞中可以有（每个宿主细胞中可以有1-4个
18、拷贝）个拷贝）严谨型质粒严谨型质粒(stringent plasmid)窄宿主范围质粒窄宿主范围质粒(narrow host range plasmid)（只能在一种特定的宿主细胞中复制）（只能在一种特定的宿主细胞中复制）广宿主范围质粒广宿主范围质粒(broad host range plasmid)（可以在许多种细菌中复制）（可以在许多种细菌中复制）第三节第三节 质粒和转座因子质粒和转座因子三、质粒的不亲和性三、质粒的不亲和性质粒之间的不亲和性、以及质粒拷贝数的多少、能适应质粒之间的不亲和性、以及质粒拷贝数的多少、能适应的宿主范围的宽窄等特性均与质粒的复制控制类型有关的宿主范围的宽窄等特性均
19、与质粒的复制控制类型有关四、转座因子的类型和分子结构四、转座因子的类型和分子结构 转座因子是细胞中能改变自身位置的一段转座因子是细胞中能改变自身位置的一段DNA序列。广泛存在于原核和真核细胞中。序列。广泛存在于原核和真核细胞中。转座现象是由美国遗传学家转座现象是由美国遗传学家Barbara MeClintock首先在玉米中发现的，并荣获首先在玉米中发现的，并荣获1983年度诺贝尔奖。年度诺贝尔奖。原核生物中的转座因子有：原核生物中的转座因子有：插入序列（插入序列（insertion sequence，IS）转座子（转座子（transposon，Tn）特殊病毒（如特殊病毒（如Mu、D108）IS
20、和和Tn有两个重要的共同特征：有两个重要的共同特征：都携带有编码转座酶的基因，该酶是转移位置都携带有编码转座酶的基因，该酶是转移位置，即转座所必需的，即转座所必需的 他们的两端都有反向末端重复序列（他们的两端都有反向末端重复序列（ITR），），该序列的长度为该序列的长度为40bp（主要是（主要是IS）到）到1000bp（某些某些Tn）。）。IS是最简单的转座因子，分子大小范围在是最简单的转座因子，分子大小范围在250 1600 bp，只含有编码转座所必须的转座酶的，只含有编码转座所必须的转座酶的基因，分布在细菌的染色体、质粒以及某些噬基因，分布在细菌的染色体、质粒以及某些噬菌体菌体DNA上。上
21、。Tn比比IS分子大，携带有授予宿主某些遗传特性分子大，携带有授予宿主某些遗传特性的基因，主要是抗生素和某些毒物抗性基因。的基因，主要是抗生素和某些毒物抗性基因。根据转座子两端结构的组成分为：根据转座子两端结构的组成分为：（1）复合转座子：转座子两端为顺向或反向）复合转座子：转座子两端为顺向或反向重复的重复的IS，药物抗性基因位于中间，药物抗性基因位于中间，IS提供转提供转座功能，连同抗性基因一起转座。座功能，连同抗性基因一起转座。（2）复杂转座子：两端为短的反向重复序列）复杂转座子：两端为短的反向重复序列（IR），在两个），在两个IR之间是编码转座功能和药物之间是编码转座功能和药物抗性的基因
22、。抗性的基因。Mu噬菌体基因组上除含有为噬菌体生长繁殖噬菌体基因组上除含有为噬菌体生长繁殖所必需的基因外，还有为转座所必需的基因，所必需的基因外，还有为转座所必需的基因，是最大的转座因子。全长约是最大的转座因子。全长约39kb。两端是宿主两端是宿主DNA序列。序列。五、转座的遗传学效应五、转座的遗传学效应 转座因子的转座可引发多种遗传学效应，这些转座因子的转座可引发多种遗传学效应，这些效应不仅在生物进化上有重要意义，而且已成效应不仅在生物进化上有重要意义，而且已成为遗传学研究中的一种重要工具。为遗传学研究中的一种重要工具。1、插入突变、插入突变 引起基因功能丧失，发生突变。引起基因功能丧失，发
23、生突变。2、引起染色体畸变、引起染色体畸变 处于同一染色体上不同位置的两个拷贝之间发处于同一染色体上不同位置的两个拷贝之间发生同源重组，导致生同源重组，导致DNA的缺失或倒位。的缺失或倒位。3、基因的移动和重排、基因的移动和重排 构建成操纵子或表达单元，新基因和蛋白质构建成操纵子或表达单元，新基因和蛋白质第五节第五节 细菌基因转移和重组细菌基因转移和重组细菌的三种水平基因转移（细菌的三种水平基因转移（horizontal gene transfer，HGT）形式）形式接合作用（接合作用（conjugation）转导（转导（transduction）遗传转化（遗传转化（genetic trans
24、formation）一、细菌的接合作用（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和重组过程1、实验证据、实验证据1946年，年，Joshua Lederberg 和和Edward L.Taturm细菌的细菌的多重营养缺陷型杂交实验多重营养缺陷型杂交实验中间平板上长出的原养型中间平板上长出的原养型菌落是两菌株之间发生了菌落是两菌株之间发生了遗传交换和重组所致！遗传交换和重组所致！证实接合过程需要细胞间的直接接触的证实接合过程需要细胞间的直接接触的“U”型管实验型管实验（Bernard Dav
25、is，1950）2、F+F-杂交杂交（大肠杆菌的接合机制）（大肠杆菌的接合机制）接合作用是由一种被称为接合作用是由一种被称为F因子的质粒介导因子的质粒介导F因子的分子量通常为因子的分子量通常为5107，上面有编码细菌产生性，上面有编码细菌产生性菌毛（菌毛（sex pili）及控制接合过程进行的及控制接合过程进行的20多个基因。多个基因。含有含有F因子的细胞：因子的细胞：“雄性雄性”菌株（菌株（F+），），其细胞表面其细胞表面有性菌毛有性菌毛不含不含F因子的细胞：因子的细胞：“雌性雌性”菌株（菌株（F-），），细胞表面没细胞表面没有性菌毛有性菌毛F因子为附加体质粒。既可以脱离染色体在细胞内独立存
26、在，也因子为附加体质粒。既可以脱离染色体在细胞内独立存在，也可插入（整合）到染色体上可插入（整合）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，不含不含F因子，没有性菌毛，但可以通过因子，没有性菌毛，但可以通过 接接合作用接收合作用接收F因子而变成雄性菌株（因子而变成雄性菌株（F+）；）；b）F+菌株，菌株，F因子独立存在，细胞表面有性菌毛。因子独立存在，细胞表面有性菌毛。c）Hfr菌株，菌株，F因子插入到染色体因子插入到染色体DNA上，细胞表面上，细胞表面有性菌毛。有性菌毛。d）F菌株，菌株，Hfr菌株内的菌株内的F因子因不正常切割而脱离因子因不正常切割而脱离染色体
27、时，形成游离的但携带一小段染色体基因的染色体时，形成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因子。因子。细胞表面同样有性菌毛。细胞表面同样有性菌毛。2、F+F-杂交杂交杂交的结果：杂交的结果：给体细胞和受体细胞均成为给体细胞和受体细胞均成为F+细胞细胞理化因子的处理可将理化因子的处理可将F因子消除而使因子消除而使F+菌株变成菌株变成F-菌株菌株F+菌株的菌株的F因子向因子向F-细胞转移，但含细胞转移，但含F因子的宿主细胞因子的宿主细胞的染色体的染色体DNA一般不被转移。一般不被转移。Hfr菌株的菌株的F因子插入到染色体因子插入到染色体DNA上，因此上，因此只要发生只要发生接合
28、转移过程，就可以把部分甚至全部细菌染色体传递接合转移过程，就可以把部分甚至全部细菌染色体传递给给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。3、HfrF-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，并性菌毛，并与与F-细胞进行接合。当细胞进行接合。当Ori T序列被缺刻螺旋酶识别而序列被缺刻螺旋酶识别而产生缺口后，产生缺口后，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，其因子除先导区以外，其余绝大部分是处于转移
29、染色体的末端，由于转移过程常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，因此被中断，因此F因子不易转入受体细胞中，故因子不易转入受体细胞中，故HfrF-杂杂交后的受体细胞（或接合子）大多数仍然是交后的受体细胞（或接合子）大多数仍然是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，进入的机会因子的先导区的基因，进入的机会就越多，在就越多，在F-中出现重组子的的时间就越早，频率也高。中出现重组子的的时间就越早，频率也高。F因子不易转入受体细胞中，因子不易转入受体细胞中，故故HfrF-杂交后的受体细胞杂交后的受体细胞（或称接合子）大多数仍然是（或称接合子）大多数仍然是F-。4、F
30、转导转导Hfr菌株内的菌株内的F因子因不正常切割而脱离染色体时，形因子因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成游离的但携带一小段染色体基因的F因子，称为因子，称为F因因子。子。FF-与与F+F-的不同：的不同：给体的部分染色体基因随给体的部分染色体基因随F一一起转入受体细胞起转入受体细胞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，形成一种部分二倍体因子上，形成一种部分二倍体细胞基因的这种转移过程又常称为性导（细胞基因的这种转移过程又常称为性导（sexduction）二、细菌的转导（二、细菌的转导（transduction）由噬菌体介导的细菌
31、细胞间进行遗传交换的一种方式：由噬菌体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通过病毒载体的感染转移到另一个细胞通过病毒载体的感染转移到另一个细胞中中能将一个细菌宿主的部分染色体或质粒能将一个细菌宿主的部分染色体或质粒DNA带到另一带到另一个细菌的噬菌体称为个细菌的噬菌体称为转导噬菌体转导噬菌体细菌转导的二种类型：细菌转导的二种类型：普遍性转导普遍性转导局限性转导局限性转导1、普遍性转导（、普遍性转导（generalized transduction）噬菌体可以转导噬菌体可以转导给体染色体的任何部分给体染色体的任何部分到受体细胞中的到受体细胞中的转导过程转导过程（1）
32、意外的发现）意外的发现1951年，年，Joshua Lederberg和和Norton Zinder为了证实大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鼠伤寒沙门氏菌进行类似的实不同的多重营养缺陷型的鼠伤寒沙门氏菌进行类似的实验：验：用用“U”型管进行同样的实验时，在给体和受体细胞不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！接触的情况下，同样出现原养型细菌！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，另噬菌体的溶源性细菌，另一一株是非溶源性细菌株是非溶源性细
33、菌一个表面看起来的常规研究却导致一个惊奇和十分重一个表面看起来的常规研究却导致一个惊奇和十分重要发现的重要例证！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噬噬菌体介导的菌体介导的（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）（2）转导模型）转导模型转导噬菌体为什么转导噬菌体为什么“错错”将宿主的将宿主的DNA包包裹进去裹进去?噬菌体的噬菌体的DNA包装酶包装酶也能识别染色体也能识别染色体DNA上类似上类似pac的的位点并进行切割，以位点并进行切割，以“headful”的包装机制包装进的包装机制包
34、装进P22噬菌体外壳，形成只含宿主噬菌体外壳，形成只含宿主DNA的转导噬菌体颗粒的转导噬菌体颗粒（假噬菌体）假噬菌体）。因为染色体上的因为染色体上的pac与与P22 DNA的的pac序列不完全相同，序列不完全相同，利用效率较低，这种利用效率较低，这种“错装错装”机率一般仅约机率一般仅约10-6-10-8形成转导颗粒的噬菌体形成转导颗粒的噬菌体可以是温和的也可以是可以是温和的也可以是烈性的，但必须具有能烈性的，但必须具有能偶尔识别宿主偶尔识别宿主DNA的包的包装机制并在宿主基因组装机制并在宿主基因组完全降解以前进行包装。完全降解以前进行包装。普遍性转导的基本要求：普遍性转导的基本要求：2、局限性
35、转导（、局限性转导（specialized transduction）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，在前噬菌体二侧的少数溶源菌因诱导而发生裂解时，在前噬菌体二侧的少数宿主基因因偶尔发生的不正常切割而连在噬菌体宿主基因因偶尔发生的不正常切割而连在噬菌体DNA上上部分缺陷的温和噬菌体部分缺陷的温和噬菌体把供体菌的少数特定基因转移到受体菌中把供体菌的少数特定基因转移到受体菌中2、局限性转导（、局限性转导（specialized transduction）温和噬菌体温和噬菌体裂解时的裂解
36、时的不正常切不正常切割：割：包含包含gal或或bio基因基因（几率（几率一般仅有一般仅有10-6）缺陷噬菌体在宿主细胞内能够缺陷噬菌体在宿主细胞内能够象正常的象正常的DNA分子一样进行分子一样进行复制、包装，提供所需要的裂复制、包装，提供所需要的裂解功能，形成转导颗粒。解功能，形成转导颗粒。但没有正常噬菌体的但没有正常噬菌体的溶源性和溶源性和增殖能力增殖能力，感染受体细胞后，感染受体细胞后，通过通过DNA整合进宿主染色体而整合进宿主染色体而形成稳定的转导子。形成稳定的转导子。局限性转导与普遍性转导的主要区别：局限性转导与普遍性转导的主要区别：a）包装的内容物不同：包装的内容物不同：普遍性转导包
37、装的全部是宿主普遍性转导包装的全部是宿主菌的基因。而局限性转导包装的大部分是噬菌体基因，菌的基因。而局限性转导包装的大部分是噬菌体基因，极少部分是宿主菌的基因极少部分是宿主菌的基因。b）局限性转导携带的宿主基因具有特定性。局限性转导携带的宿主基因具有特定性。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。2、局限性转导（、局限性转导（specialized transduction）三、细菌的遗传转化（三、细菌的遗传转化（genetic transformation）定义：定义：同源或异源的游离同源或异源的游离DNA分子分子(质粒和染色体质粒和染色体DNA)被自然或
38、人工感受态细胞摄取，并得到表达的水平方向被自然或人工感受态细胞摄取，并得到表达的水平方向的基因转移过程的基因转移过程自然转化（自然转化（natural genetic transformation）人工转化（人工转化（artificial transformation）感受态细胞：感受态细胞：具有摄取外源具有摄取外源DNA能力的细胞能力的细胞（competent cell）自然感受态与人工感受态的不同？自然感受态与人工感受态的不同？自然感受态自然感受态的出现是细胞一定生长阶段的生理特性，的出现是细胞一定生长阶段的生理特性，受细菌自身的基因控制；受细菌自身的基因控制；人工感受态人工感受态则是通过
39、人为诱导的方法，使细胞具有则是通过人为诱导的方法，使细胞具有 摄取摄取DNA的能力，或人为地将的能力，或人为地将DNA导入细胞内。导入细胞内。（该过程与细菌自身的遗传控制无关）（该过程与细菌自身的遗传控制无关）1、自然遗传转化、自然遗传转化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目前已知有20多个种的细菌具有自然转化的能力多个种的细菌具有自然转化的能力进行自然转化，需要二方面必要的条件：进行自然转化，需要二方面必要的条件：建立了感受态的受体细胞建立了感受态的受体细胞外源游离外源游离DNA分子
40、分子（1）转化模型）转化模型枯草芽孢杆菌的自然转化过程（枯草芽孢杆菌的自然转化过程（G+的转化模型）的转化模型）自然转化过程的特点：自然转化过程的特点：a）对核酸酶敏感；对核酸酶敏感；c）转化是否成功及转化效率的高低主要取决于转化转化是否成功及转化效率的高低主要取决于转化（DNA）给体菌株和转化受体菌株之间的亲源关系；给体菌株和转化受体菌株之间的亲源关系；d）通常情况下质粒的自然转化效率要低得多；通常情况下质粒的自然转化效率要低得多；提高质粒的自然转化效率的二种方法：提高质粒的自然转化效率的二种方法：1）使质粒形成多聚体，这样进入细胞后重新组合成有）使质粒形成多聚体，这样进入细胞后重新组合成有
41、活性的质粒的几率大大提高；活性的质粒的几率大大提高；2）在质粒上插入受体菌染色体的部分片段，或将质粒）在质粒上插入受体菌染色体的部分片段，或将质粒转化进含有与该质粒具有同源区段的质粒的受体菌转化进含有与该质粒具有同源区段的质粒的受体菌b）不需要活的不需要活的DNA给体细胞；给体细胞；2、人工转化、人工转化用用CaCl2处理细胞，电穿孔等是常用的人工转化处理细胞，电穿孔等是常用的人工转化手段。手段。在自然转化的基础上发展和建立的一项细菌基在自然转化的基础上发展和建立的一项细菌基因重组手段，是基因工程的奠基石和基础技术。因重组手段，是基因工程的奠基石和基础技术。不是由细菌自身的基因所控制；不是由细
42、菌自身的基因所控制；用多种不同的技术处理受体细胞，使其人为地用多种不同的技术处理受体细胞，使其人为地处于一种可以摄取外源处于一种可以摄取外源DNA的的“人工感受态人工感受态”。质粒的转化效率高；质粒的转化效率高；四、四、基因定位和基因组测序基因定位和基因组测序基因定位：基因定位：通过遗传重组等手段确定不同的基因在染色通过遗传重组等手段确定不同的基因在染色 体上的位置及相对距离，从而获得遗传图谱。体上的位置及相对距离，从而获得遗传图谱。细菌基因转移的三种方式（接合、转导、转化）都可以细菌基因转移的三种方式（接合、转导、转化）都可以用来进行细菌基因组作图。用来进行细菌基因组作图。基因组测序：基因组
43、测序：测定待测生物基因组的所有碱基排列顺序，测定待测生物基因组的所有碱基排列顺序，并在此基础上对遗传信息进行研究和分析。并在此基础上对遗传信息进行研究和分析。四、四、基因定位和基因组测序基因定位和基因组测序1、中断杂交（、中断杂交（interrupted mating）技术技术利用利用HfrF-的接合过程，的接合过程，在不同时间取样，并把样品在不同时间取样，并把样品猛烈搅拌以分散接合中的细菌，然后分析受体细菌基因猛烈搅拌以分散接合中的细菌，然后分析受体细菌基因型，以时间型，以时间(分钟分钟)为单位绘制遗传图谱，该图谱是细菌为单位绘制遗传图谱，该图谱是细菌染色体上基因顺序的直接反映。染色体上基因
44、顺序的直接反映。四、四、基因定位和基因组测序基因定位和基因组测序1、中断杂交技术、中断杂交技术大肠杆菌基因组很大大肠杆菌基因组很大（全部转移需要全部转移需要100分分钟钟），其遗传图谱须用），其遗传图谱须用多株多株F因子整合在不同因子整合在不同位置的位置的Hfr菌才能完成菌才能完成四、四、基因定位和基因组测序基因定位和基因组测序2、基因连锁、基因连锁连锁的二基因间的距离与其共转化，或共转导的频率连锁的二基因间的距离与其共转化，或共转导的频率成反比，因此，可根据二个基因被成反比，因此，可根据二个基因被共转化或共转导共转化或共转导的的频率判断它们在染色体上的相对距离。频率判断它们在染色体上的相对距
45、离。接合作用（中断杂交）作图只能判断相距较远的基因间接合作用（中断杂交）作图只能判断相距较远的基因间的相对位置；转导、转化则可用于对相隔很近的基因进的相对位置；转导、转化则可用于对相隔很近的基因进行定位；行定位；四、四、基因定位和基因组测序基因定位和基因组测序3、遗传图谱、遗传图谱目前对大肠杆菌的染目前对大肠杆菌的染色体已定位了色体已定位了1000多多个基因个基因四、四、基因定位和基因组测序基因定位和基因组测序4、基因组测序、基因组测序“全基因组鸟枪测序全基因组鸟枪测序”（whole genome shotgun sequencing）借助计算机对基因组序列进借助计算机对基因组序列进行分析行分
46、析第七节第七节 微生物育种微生物育种 微生物育种的目的是人为地使某种代谢产物过微生物育种的目的是人为地使某种代谢产物过量积累，把生物合成的代谢途径朝人们所希望量积累，把生物合成的代谢途径朝人们所希望的方向引导，实现人为控制微生物，获得所需的方向引导，实现人为控制微生物，获得所需要的高产、优质和低耗的菌种。要的高产、优质和低耗的菌种。为了实现这一目的必须设法解除或突破微生物为了实现这一目的必须设法解除或突破微生物的代谢调节机制，进行优良性状的组合，或者的代谢调节机制，进行优良性状的组合，或者利用基因工程的方法人为改造或构建所需要的利用基因工程的方法人为改造或构建所需要的菌株。菌株。一、诱变育种一
47、、诱变育种 利用各种诱变剂处理微生物细胞，提高基因的利用各种诱变剂处理微生物细胞，提高基因的随机突变频率，通过一定的筛选方法获得所需随机突变频率，通过一定的筛选方法获得所需要的高产优质菌株。要的高产优质菌株。1、常用诱变剂的使用方法、常用诱变剂的使用方法（1）紫外线）紫外线 这是一种使用方便、诱变效果很好的常用诱变这是一种使用方便、诱变效果很好的常用诱变剂。在诱变处理前，先开紫外灯预热剂。在诱变处理前，先开紫外灯预热 20 min，使光波稳定；表面杀菌；诱变照射；在红光灯使光波稳定；表面杀菌；诱变照射；在红光灯下，涂平板，或暗培养一段时间后再涂平板下，涂平板，或暗培养一段时间后再涂平板。（2）
48、5-溴尿嘧啶（溴尿嘧啶（5-BU）称取称取 5-BU，加入无菌生理盐水微热溶解；将，加入无菌生理盐水微热溶解；将细胞培养至对数期并重悬浮于缓冲液或生理盐细胞培养至对数期并重悬浮于缓冲液或生理盐水中；将水中；将 5-BU 加入培养基内；混匀后倒平板加入培养基内；混匀后倒平板；挑单菌落进行测定。；挑单菌落进行测定。其它化学诱变剂的处理方式大体相同，但在浓其它化学诱变剂的处理方式大体相同，但在浓度、时间、缓冲液等方面随不同的诱变剂有所度、时间、缓冲液等方面随不同的诱变剂有所不同。不同。为了提高诱变效率，常用物理、化学二种诱变为了提高诱变效率，常用物理、化学二种诱变剂交替使用，待诱变的菌株或孢子悬液一
49、定要剂交替使用，待诱变的菌株或孢子悬液一定要混匀，使其能均匀接触诱变剂。此外菌株的生混匀，使其能均匀接触诱变剂。此外菌株的生长状态及对诱变剂的敏感性也是重要的参数。长状态及对诱变剂的敏感性也是重要的参数。一般选用菌株的对数生长期效果较好。一般选用菌株的对数生长期效果较好。2、筛选策略、筛选策略（1）营养缺陷型突变株）营养缺陷型突变株 利用营养缺陷型突变株来生产氨基酸和核苷酸利用营养缺陷型突变株来生产氨基酸和核苷酸。由于在营养缺陷型中，生物合成途径中某一。由于在营养缺陷型中，生物合成途径中某一步发生酶缺陷，合成反应不能完成。通过外加步发生酶缺陷，合成反应不能完成。通过外加限量的所要求的营养物，克
50、服生长的障碍，而限量的所要求的营养物，克服生长的障碍，而又使最终产物不致于积累到引起反馈调节的浓又使最终产物不致于积累到引起反馈调节的浓度，从而有利于中间产物或某种最终产物的积度，从而有利于中间产物或某种最终产物的积累。累。（2）抗阻遏和抗反馈突变型）抗阻遏和抗反馈突变型 抗阻遏和抗反馈突变型都是由于代谢失调所造抗阻遏和抗反馈突变型都是由于代谢失调所造成的，它们都有共同的表型，即在细胞中已经成的，它们都有共同的表型，即在细胞中已经有大量最终代谢产物时仍然继续不断地合成这有大量最终代谢产物时仍然继续不断地合成这一产物。如果这一终产物是我们所需要的某种一产物。如果这一终产物是我们所需要的某种氨基酸
