1、遗传遗传: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遗传(inheritance)和变异(variation)是生命的最本质特性之一遗传型遗传型:表型(表现型)表型(表现型):生物的全部遗传因子及基因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形态等生物学特征的总和。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。表型饰变:表型饰变:表型的差异只与环境有关特点:暂时性、不可遗传性、表现为全部个体的行为橘生淮南则为橘,生于淮北则为枳。遗传型变异(基因变异、基因突变)遗传型变异(基因变异、基因突变):遗传物质改变,导致表型改变特点:遗
2、传性、群体中极少数个体的行为 (自发突变频率通常为10-6-10-9)第一节 微生物的遗传一、微生物遗传的物质基础二、细胞中DNA的复制(自学)三、RNA与遗传表达四、微生物基因表达的调控 1.1.遗传物质在微生物中存在的主要形式遗传物质在微生物中存在的主要形式 生物体内的核酸通常都与蛋白质结合形成复合物,以核蛋白(生物体内的核酸通常都与蛋白质结合形成复合物,以核蛋白(nucleoproteinnucleoprotein)的形式存在。的形式存在。DNADNA分子十分巨大,与蛋白质结合分子十分巨大,与蛋白质结合后被组装到有限的空间中。后被组装到有限的空间中。组组蛋蛋白白与与DNA的的结结合合核小
3、体核小体3.微生物中染色体外DNA 存在的另一形式质粒(plasmid):一种独立于染色体外,能进行自主复制的细胞质遗传因子,主要存在于各种微生物细胞中。转座因子(transposable element):位于染色体或质粒上的一段能改变自身位置的DNA序列,广泛分布于原核和真核细胞中。质粒和转座因子是细胞中除染色体以外的另外二类遗传因子2.真核生物中染色体外的遗传物质细胞器DNA质粒的分子结构通常以共价闭合环状(covalently closed circle,简称CCC)的超螺旋双链DNA分子存在于细胞中;也发现有线型双链DNA质粒和RNA质粒;质粒分子的大小范围从1kb左右到1000kb
4、;(细菌质粒多在10kb以内)质粒与染色体的差异质粒与染色体的差异 A 大小不同 B 赖碱性不同 C 储存的遗传信息不同质粒的特性质粒的特性 A 可转移性 B 可整合性 C 可重组性 D可消除性质粒与细胞器质粒与细胞器DNA的区别的区别相同点相同点A 自主复制自主复制B 消失后,后代细胞中不再出现消失后,后代细胞中不再出现C 遗传信息少遗传信息少不同点不同点A 质粒结构简单质粒结构简单B 质粒功能多样质粒功能多样C 质粒可转移质粒可转移质粒的主要类型质粒的主要类型质粒所编码的功能和赋予宿主的表型效应致育因子(致育因子(Fertility factor,F因子)因子)抗性因子(抗性因子(Resi
5、stance factor,R因子)因子)产细菌素的质粒(产细菌素的质粒(Bacteriocin production plasmid)毒性质粒(毒性质粒(virulence plasmid)代谢质粒(代谢质粒(Metabolic plasmid)隐秘质粒(隐秘质粒(cryptic plasmid)致育因子(Fertility factor,F因子)又称F质粒,其大小约100kb,这是最早发现的一种与大肠杆菌的有性生殖现象(接合作用)有关的质粒。携带F质粒的菌株称为F+菌株(相当于雄性),无F质粒的菌株称为F-菌株(相当于雌性)。F因子能以游离状态(F+)和以与染色体相结合的状态(Hfr)存在
6、于细胞中,所以又称之为附加体(episome)。抗性因子(Resistance factor,R因子)包括抗药性和抗重金属二大类,简称R质粒。R100质粒(89kb)可使宿主对下列药物及重金属具有抗性:汞(mercuric ion,mer)四环素(tetracycline,tet)链霉素(Streptomycin,Str)、磺胺(Sulfonamide,Su)、氯霉素(Chlorampenicol,Cm)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。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
7、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产细菌素的质粒(Bacteriocin production plasmid)细菌素结构基因、涉及细菌素运输及发挥作用(processing)的蛋白质的基因、赋予宿主对该细菌素具有“免疫力”的相关产物的基因一般都位于质粒或转座子上,因此,细菌素可以杀死同种但不携带该质粒的菌株。代谢质粒(Metabolic
8、 plasmid)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用的简单形式,环境保护方面具有重要的意义。假单胞菌:具有降解一些有毒化合物,如芳香簇化合物(苯)、农药(2,4dichlorophenoxyacetic acid)、辛烷和樟脑等的能力。降解质粒:1.rRNA三三 RNA与遗传表达与遗传表达(一)(一)RNA的结构和功能的结构和功能Eukaryotic mRNAProkaryotic mRNA将将DNA上的遗传信息携带到合成蛋白质的场所上的遗传信息携带到合成蛋白质的场所tRNA折叠
9、为紧凑的折叠为紧凑的L型三级结构型三级结构tRNA is an adaptor起始起始(Initiation)延伸延伸(Elongation)终止终止(Termination)RNA polymerase catalyzes transcription:1)氨基酸活化氨基酸活化2)基本过程基本过程3)蛋白质合成蛋白质合成起始起始4)蛋白质合成)蛋白质合成延伸延伸5)蛋白质合成蛋白质合成终止终止5.2.3 蛋白质合成的三个阶段简介蛋白质合成的三个阶段简介Initiation 30S subunit on mRNA binding site is joined by 50S subunit and
10、 aminoacyl-tRNA bindsElongation Ribosome moves along mRNA,extending protein by transfer from peptidyl-tRNA to aminoacyl-tRNATermination Polypeptide chain is released from tRNA,and ribosome dissociates from mRNA5.2.3 蛋白质合成的三个阶段简介蛋白质合成的三个阶段简介1 营养缺陷型(营养缺陷型(auxotroph)一种缺乏合成其生存所必须的营养物(一种缺乏合成其生存所必须的营养物(包括
11、氨基酸、维生素包括氨基酸、维生素、碱基等、碱基等)的突变型,只有从周围环境或培养基中获得这些)的突变型,只有从周围环境或培养基中获得这些营养或其前体物(营养或其前体物(precursor)才能生长。才能生长。营养缺陷型是微生物遗传学研究中重要的选择标记和营养缺陷型是微生物遗传学研究中重要的选择标记和育种的重要手段育种的重要手段表型判断的标准:在基本培养基上能否生长在基本培养基上能否生长1 1 营养缺陷型(营养缺陷型(auxotrophauxotroph)特点:特点:在选择培养基(一般为基本培养基)上不生长在选择培养基(一般为基本培养基)上不生长负选择标记负选择标记突变株不能通过选择平板直接获得
12、突变株不能通过选择平板直接获得1营养缺陷型(营养缺陷型(auxotroph)影印平板(Replica plating)法是Lederberg夫妇在1952年建立营养缺陷型的表示方法:营养缺陷型的表示方法:1营养缺陷型(营养缺陷型(auxotroph)基因型:基因型:所需营养物的前三个英文小写斜体字母表示:所需营养物的前三个英文小写斜体字母表示:hisC(组氨酸缺陷型,其中的大写字母组氨酸缺陷型,其中的大写字母C同一表型中不同基因的突变同一表型中不同基因的突变)表型:表型:同上,但第一个字母大写,且不用斜体:同上,但第一个字母大写,且不用斜体:HisCHisC在具体使用时多用在具体使用时多用hi
13、sC-和和hisC+,分别表示缺陷型和野生型。分别表示缺陷型和野生型。2 抗药性突变型(抗药性突变型(resistant mutant)基因突变使菌株对某种或某几种药物,特别是抗生素,产生抗性。基因突变使菌株对某种或某几种药物,特别是抗生素,产生抗性。特点:特点:正选择标记正选择标记(突变株可直接从抗性平板上获得(突变株可直接从抗性平板上获得-在加有相应抗生素的在加有相应抗生素的平板上,只有抗性突变能生长。所以很容易分离得到。平板上,只有抗性突变能生长。所以很容易分离得到。)表示方法:表示方法:所抗药物的前三个小写斜体英文字母加上所抗药物的前三个小写斜体英文字母加上“r”表示表示strr 和和
14、 strs 分别表示对链霉素的抗性和敏感性分别表示对链霉素的抗性和敏感性3 条件致死突变型(条件致死突变型(conditional lethal mutant)在某一条件下具有致死效应,而在另一条件下没有致死在某一条件下具有致死效应,而在另一条件下没有致死效应的突变型。效应的突变型。常用的条件致死突变是温度敏感突变,用常用的条件致死突变是温度敏感突变,用ts(temperaturesensitive)表示,这类突变在高温下(如表示,这类突变在高温下(如42)是致死的,但可以在低温(如)是致死的,但可以在低温(如25-30)下得到这种突变。)下得到这种突变。特点:特点:负选择标记负选择标记这类突
15、变型常被用来分离生长繁殖必需的突变基因4 4 形态突变型(形态突变型(morphological mutantmorphological mutant)造成形态改变的突变型特点:非选择性突变突变株和野生型菌株均可生长,但可从形态特征上进行区分。举例:产蛋白酶缺陷突变株的筛选菌落颜色变化半乳糖苷酶基因的插入失活,使重组子菌落为白色而与兰色的非重组子分开。细胞水平上的形态突变,突变株的检出更加困难。其它突变类型其它突变类型 毒力、生产某种代谢产物的发酵能力的变化等在实际应用毒力、生产某种代谢产物的发酵能力的变化等在实际应用中具有重要意义突变类型一般都不具有很明显或可直接检测中具有重要意义突变类型一
16、般都不具有很明显或可直接检测到的表型。其突变株的获得往往需要较大的工作量。到的表型。其突变株的获得往往需要较大的工作量。一个基因内部遗传结构或DNA序列的任何改变基因突变:三、基因突变的机理基因突变是重要的生物学现象,它是一切生物变化的根源,连同基因转移、重组基因转移、重组一起提供了推动生物进化的遗传多变性。基因突变DNA损伤修复机制突变突变自发突变诱变环境因素的影响,DNA复制过程的偶然错误等而导致,一般频率较低,通常为10-6-10-9。某些物理、化学因素对生物体的DNA进行直接作用,突变以较高的频率产生。可以通过DNA复制而成为真正的突变,也可以重新变为原来的结构,这取决于修复作用和其它
17、多种因素。1)随机性2)稀有性3)规律性4)独立性5)遗传和回复性6)可诱变性(一)自发突变(一)自发突变-T-C-G-G-C-T-G-T-A-C-G-A-G-C-C-G-A-C-A-T-G-C-转换转换-T-C-G-A-G-C-T-G-T-A-C-G-A-G-C-T-C-G-A-C-A-T-G-C-插入插入A-T-C-G-C-T-G-T-A-C-G-A-G-C-G-A-C-A-T-G-C-缺失缺失T野生型基因野生型基因-T-C-G-A-C-T-G-T-A-C-G-A-G-C-T-G-A-C-A-T-G-C-T-C-G-T-C-T-G-T-A-C-G-A-G-C-A-G-A-C-A-T-G-C
18、-颠换颠换碱基对的置换碱基对的置换(substitution)移码突变移码突变(framesshift mutation)Adenine (A)Thymine (T)Adenine (A)Guanine (G)Cytosine (C)对紫外线引起的对紫外线引起的DNADNA损伤进行修复。损伤进行修复。1、形成嘧啶二聚体、形成嘧啶二聚体2、光复合酶结合于、光复合酶结合于损伤部位损伤部位3、酶被可见光激活、酶被可见光激活4、修复后酶被释放、修复后酶被释放 当当DNADNA链上相应位置的核苷酸发生损伤,导致链上相应位置的核苷酸发生损伤,导致双链之间无法形成氢键,在一系列酶的作用下,双链之间无法形成氢
19、键,在一系列酶的作用下,将将DNADNA分子中受损伤部分切除掉,并以完整的那分子中受损伤部分切除掉,并以完整的那一条链为模板,合成出切去的部分,然后使一条链为模板,合成出切去的部分,然后使DNADNA恢复正常结构的过程。恢复正常结构的过程。碱基丢失碱基丢失碱基缺陷或错配碱基缺陷或错配结构缺陷结构缺陷切开切开 核酸内切酶核酸内切酶核酸外切酶核酸外切酶切除切除DNA聚合酶聚合酶DNA连接连接酶酶AP核酸内切酶核酸内切酶核酸外切酶核酸外切酶切开切开切除切除修复修复连接连接糖苷酶糖苷酶胸腺嘧啶胸腺嘧啶二聚体二聚体复制复制核酸酶及核酸酶及重组蛋白重组蛋白修复复制修复复制DNA聚合酶聚合酶DNA连接酶连接
20、酶重组重组第三节第三节 微生物基因重组微生物基因重组细菌的三种水平基因转移形式接合转导自然转化一、原核一、原核 微生物基因重组微生物基因重组一、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过程2.机制(大肠杆菌的接合机制)接合作用是由一种被称为F因子的质粒介导F因子的分子量通常为5107,上面有编码细菌产生性菌毛(sex pili)及控制接合过程进行的20多个基因。含有F因子的细胞:“雄性”菌株(F+),其细胞表面有性菌毛 不含F因子的细胞:“雌性”菌株(F-),细胞表面没有性菌毛F因子为附加体质粒既可以脱离染色体在细胞内独立存在,也可插入(整合
21、)到染色体上(二)细菌的转导(transduction)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DNA通过病毒载体的感染转移到另一个细胞中能将一个细菌宿主的部分染色体或质粒DNA带到另一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: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(generalized transduction)噬菌体可以转导给体染色体的任何部分到受体细胞中的转导过程(1)意外的发现1951年,Joshua Lederberg和Norton Zinder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鼠伤寒沙
22、门氏菌进行类似的实验:用“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,同样出现原养型细菌!形成转导颗粒的噬菌体可以是温和的也可以是烈性的,形成转导颗粒的噬菌体可以是温和的也可以是烈性的,但必须具有能偶尔识别宿主但必须具有能偶尔识别宿主DNA的包装机制并在宿主基的包装机制并在宿主基因组完全降解以前进行包装。因组完全降解以前进行包装。普遍性转导的基本要求:普遍性转导的三种后果:进入受体的外源进入受体的外源DNA通过与细胞染色体通过与细胞染色体的重组交换而形成稳定的转导子的重组交换而形成稳定的转导子流产转导(流产转导(abortive transduction)转导转导DNA不能进行重
23、组和复制,但其不能进行重组和复制,但其携带的基因可经过转录而得到表达。携带的基因可经过转录而得到表达。外源外源DNA被降解,转导失败。被降解,转导失败。DNA不能复制,因此群体中仅一个细胞含有不能复制,因此群体中仅一个细胞含有DNA,而其它细胞只能得到其基因产物,形成微小菌落。而其它细胞只能得到其基因产物,形成微小菌落。2、局限性转导(、局限性转导(specialized transduction)温和噬菌体感染整合到细菌染色体的特定位点上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宿主基因因偶尔发生的不正常切割而连在噬菌体DNA上部分缺陷的温和噬菌体把供体菌的少数特定基因
24、转移到受体菌中2、局限性转导(specialized transduction)温和噬菌体裂解时的不正常切割:包含gal或bio基因(几率一般仅有10-6)缺陷噬菌体在宿主细胞内能够象正常的缺陷噬菌体在宿主细胞内能够象正常的DNADNA分子一样进行复制、分子一样进行复制、包装,提供所需要的裂解功能,形成转导颗粒。包装,提供所需要的裂解功能,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增殖能力溶源性和增殖能力,感染受体细胞后,通过,感染受体细胞后,通过DNADNA整合进宿主染色体而形成稳定的转导子。整合进宿主染色体而形成稳定的转导子。局限性转导与普遍性转导的主要区别:a)被转导的基
25、因共价地与噬菌体DNA连接,与噬菌体DNA一起 进行复制、包装以及被导入受体细胞中。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的个别基因 导入受体,故称为局限性转导。而普遍性转导携带的宿主基 因具有随机性。2、局限性转导(specialized transduction)(参见P219)(三)细菌的遗传转化(三)细菌的遗传转化(genetic transformation)定义:同源或异源的游离DNA分子(质粒和染色体DNA)被自然或人工感受态细胞摄取,并得到表达的水平方向水平方向的基因转移过程自然遗传转化(自然遗传转化(natural gene
26、tic transformation)人工转化(人工转化(artificial transformation)感受态细胞:具有摄取外源DNA能力的细胞(competent cell)自然转化过程的特点:a)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(DNA)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;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 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,或将质粒转化进含有与该质粒具有同源区段的质粒的受体菌-重组获救b)不需要活的DNA给体细胞;体体 外外 切切 割割 导导 入入遗遗 传传 物物 质质 基基 因因 片片 段段 受受 体体 细细 胞胞在特殊培养基上在特殊培养基上(如含有青霉素如含有青霉素)筛选目的细菌筛选目的细菌质粒载质粒载体(具体(具有有抗性抗性基因基因)抵抗青霉素抵抗青霉素长出必然是长出必然是重组成功的重组成功的细菌细菌n 接接合合接接合合接接合合