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1、第8章 微生物遗传,遗传：,亲代与子代相似,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：,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。,变异(variation):生物体在外因或内因的作用下，遗传物质的结构或数量发生改变。变异的特点：a. 低几率，（一般为10-610-10）；b.形状变化的幅度大； c. 新性状是稳定可遗传。饰变（modification）：指不涉及遗传物质结构
2、改变而只发生在转录、转译水平上的表型变化。特点是：a.几乎整个群体中的每一个个体都发生同样的变化；b.性状变化的幅度小；c. 饰变是不遗传的。,例如：粘质沙雷氏菌：在25下培养，产生深红色的灵杆菌素；在37下培养，不产生色素；如果重新将温度降到25，又恢复产色素的能力。,遗传与变异的概念,微生物是遗传学研究中的明星：,微生物细胞结构简单，营养体一般为单倍体，方便建立纯系。,很多常见微生物都易于人工培养，快速、大量生长繁殖。,对环境因素的作用敏感，易于获得各类突变株，操作性强。,第一节 遗传的物质基础,一、DNA作为遗传物质,二、RNA作为遗传物质,第一节 遗传变异的物质基础,种质连续理论：18
3、831889年间Weissmann提出。认为遗传物质是一种具有特定分子结构的化合物。基因学说：1933年摩尔根发现了染色体，并证明基因在染色体上呈直线排列，提出了基因学说，使得遗传物质基础的范围缩小到染色体上。染色体：核酸（ 4种核苷酸）和蛋白质（ 20多种氨基酸）组成。当时认为决定生物遗传型的染色体和基因，起活性成分是蛋白质。DNA是遗传变异的物质基础的证明：1944年以后，先后有利用微生物为实验对象进行的三个著名实验的论证（肺炎球菌的转化试验、噬菌体感染试验、病毒的拆开与重建试验），才使人们普遍接受核酸才是真正的遗传物质。,一、DNA作为遗传物质,第一节 遗传的物质基础,Avery在四十年
4、代以更精密的实验设计重复了以上实验,分别用降解DNA、RNA、蛋白质的酶作用于有毒的S型菌细胞抽提物,只有DNA被酶降解破坏的抽提物无转化活性,DNA是转化所必需的转化因子,1928年，Griffith进行了以下几组实验：（1）动物实验对小鼠注射活RII菌或死SIII菌 小鼠存活对小鼠注射活SIII菌 小鼠死亡对小鼠注射活RII菌和热死SIII菌 小鼠死亡抽取心血 分离活的SIII菌,一、证明核酸是遗传物质基础的三个经典实验,（一）经典转化实验（transformation）：F.Griffith，研究对象：Streptococcus pneumoniae（肺炎双球菌）菌落表面光滑，有致病性S
5、III型菌株：有荚膜，菌落表面粗糙，无致病性RII型菌株：无荚膜，,Griffith转化试验示意,混合培养,RII型活菌,SIII型活菌,SIII型热死菌,RII型活菌,SIII型活菌,健康,健康,健康,健康,健康,健康,健康,病死,病死,病死,（2）细菌培养实验,（3）S型菌的无细胞抽提液试验,以上实验说明：加热杀死的SIII型细菌细胞内可能存在一种转化物质，它能通过某种方式进入RII型细胞并使RII型细胞获得稳定的遗传性状，转变为SIII型细胞。,热死SIII菌不生长活 RII 菌长出RII菌热死SIII菌长出大量RII菌和10-6SIII菌,活R菌+S菌无细胞抽提液长出大量R菌和少量S菌
6、,+活RII菌,平皿培养,加S菌DNA加S菌DNA及DNA酶以外的酶加S菌的DNA和DNA酶加S菌的RNA加S菌的蛋白质加S菌的荚膜多糖,活R菌,长出S菌,只有R菌,1944年O.T.Avery、C.M.MacLeod和M。McCarty从热死S型S. pneumoniae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：,只有S型细菌的DNA才能将S. pneumoniae的R型转化为S型。且DNA纯度越高，转化效率也越高。说明S型菌株转移给R型菌株的，是遗传因子。,T2噬菌体感染实验（1952年）,（二）噬菌体感染实验,（三）植物病毒的重建实验,为了证明核酸是遗传物质，H.
7、 Fraenkel-Conrat（1956）用含RNA的烟草花叶病毒（TMV）进行了著名的植物病毒重建实验。将TMV在一定浓度的苯酚溶液中振荡，就能将其蛋白质外壳与RNA核心相分离。分离后的RNA在没有蛋白质包裹的情况下，也能感染烟草并使其患典型症状，而且在病斑中还能分离出正常病毒粒子。,第一节 遗传的物质基础,（三）植物病毒的重建实验,生化提取分别获得含RNA的烟草花叶病毒蛋白质外壳（病毒1）和核酸（病毒2）,抗血清处理，证明杂种病毒的蛋白质外壳来自病毒1，而非病毒2,杂种病毒的后代的蛋白质外壳表现为病毒2，而非病毒1,遗传物质是核酸（RNA）而非蛋白质,（一）核酸存在的七个水平及质粒细胞水
8、平：存在于细胞核或核质体，单核或多核细胞核水平: 原核与真核生物的细胞核结构不同，核外DNA染色体水平: 倍性(真核)和染色体数核酸水平：在原核中同染色体水平、存在部分二倍体 DNA或RNA，复合或裸露，双链或单链基因水平：具自主复制能力的遗传功能单位，长度与信息量，转录翻译密码子水平：信息单位,起始和终止,核苷酸水平：突变或交换单位，四种碱基,遗传物质在细胞内的存在部位和方式,第二节 基因突变及修复,基因组（genome）：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,基因：能够表达和产生基因产物（蛋白质或RNA）的DNA序列。,原核生物基因系统： 启动子（基因） 操纵子 操纵子（
9、基因）基因调控系统 结构基因 调节基因,第二节 基因突变及修复,一个基因内部遗传结构或DNA序列的任何改变,基因突变：,定义：每一细胞在每一世代中发生某一性状突变的几率。突变率为108是指该细胞在一亿次细胞分裂中，会发生一次突变。突变率也可以用每一单位群体在每一世代中产生突变株（mutant，即突变型）的数目来表示。如一个含108个细胞的群体，当其分裂为2108个细胞时，即可平均发生一次突变的突变率也是108 。突变率=突变细胞数/分裂前群体细胞数突变是独立的。某一基因发生突变不会影响其它基因的突变率。在同一个细胞中同时发生两个基因突变的几率是极低的，因为双重突变型的几率只是各个突变几率的乘积
10、。,（二）突变率,若干细菌某一性状的自发突变率,菌 名 突变性状突变率E. coli抗T1噬菌体3 108E. coli抗T3噬菌体1 107 E. coli不发酵乳糖1 1010E. coli 抗紫外线1 105Staphylococcus aureus 抗青霉素1 107S. aureus 抗链霉素1 109 Salmonella typhi抗25g/L链霉素1 106 Bacillus megaterium 抗异烟肼5 105,第二节 基因突变及修复,一个基因内部遗传结构或DNA序列的任何改变,基因突变：,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、重组一起提供了推
11、动生物进化的遗传多变性。,基因突变,DNA损伤修复机制,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。,前突可以通过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多种因素。,第二节 基因突变及修复,一、基因突变的特点,适用于整个生物界，以细菌的抗药性为例。不对应性：突变的性状与突变原因之间无直接的对应关系。自发性：突变可以在没有人为诱变因素处理下自发地产生。稀有性：突变率低且稳定。独立性：各种突变独立发生，不会互相影响。可诱发
12、性：诱变剂可提高突变率。稳定性：变异性状稳定可遗传。可逆性：从原始的野生型基因到变异株的突变称为正向突变（forward mutation），从突变株回到野生型的过程则称为回复突变或回变（back mutation或reverse mutation）。,基因突变的原因,一种观点认为，突变是通过适应而发生的，即各种抗性是由其环境（指其中所含的抵抗对象）诱发出来的，突变的原因和突变的性状间是相对应的，并认为这就是“定向变异”，也有人称它为“驯化”或“驯养”。另一种看法则认为，基因突变是自发的，且与环境是不相对的。由于其中有自发突变、诱发突变、诱变剂与选择条件等多种因素错综在一起，所以难以探究问题的
13、实质。从1943年起，经过几个严密而巧妙的实验设计，主要攻克了检出在接触抗性因子前已产生的自发突变株的难题，终于解决了这场纷争。,证明突变的性状与引起突变的原因间无直接对应关系！,如何证明基因突变的非对应性？,三个经典实验,变量实验、涂布实验、影印实验,一、基因突变的特点,2、实验证据,变量试验又称波动试验或彷徨试验 Salvador Luria and Max Delbruck,Salvador Luria,Max Delbruck,The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1969,Newcombe的涂布实验（1949）,涂布试验中突变率的计算,初
14、始接种量：5 104 个/皿培养5小时，繁殖了12.3代，每个微菌落约含5100个细菌这时，每个平皿上的细胞数为：5100 5 104 2.6 108个/皿在6个平板上，比接种时增加的细胞数为：6 （2.6 108 5 104）= 15.6 108在未涂布的平板上共发现28个突变，故突变率 = 28/15.6 108 = 1.8 108,影印实验（replica plating ）Joshua Lederberg and Esther Lederberg（1952）,Joshua Lederberg,J. Lederberg is awarded the Noble Prize in Medi
15、cine and Physiology in 1958,3. 平板影印培养试验（replica plating）,1952年，J. Lederberg夫妇的论文平板影印培养法和细菌突变株的间接选择，更好地证明了微生物的抗药性是在未接触药物前自发地产生的，这一突变与相应药物环境毫不相干。平板影印培养法，是一种能达到在一系列培养皿的相同位置上出现相同遗传型菌落的接种培养方法：把长有许多菌落的母种培养皿倒置于包有灭菌丝绒布的木质圆柱印章上，使其沾上来自平板上的菌落。然后可把这一“印章”上的菌落一一接种到不同的选择性培养基平板上。待这些平板培养后，对各平板相同位置上的菌落作对比后，就可选出适当的突变型
16、菌株。据报道，用此法可把母平板上1020%量的细菌转移到丝绒布上，并可利用这一“印章”接种8个子培养皿。因此，通过影印培养法，就可以从在非选择性条件下生长的细菌群体中，分离出各种类型的突变株。,平板影印培养法,在根本未接触过任何一点链霉素的情况下，就可以筛选到大量抗链霉素的突变株，充分说明了突变是自发产生的，链霉素只是起到了一种检出作用。平板影印培养不仅在微生物遗传理论的研究中有重要应用，而且在育种时间和其它研究中均有应用，值得很好地领会。,第二节 基因突变及修复,突变（ mutation ）：指生物体的表型突然发生的可遗传的变化。 染色体畸变细胞学上可以看到染色体的变化突变 基因突变细胞学上
17、看不到遗传物质的变化突变体（mutant）：发生了突变的微生物细胞或菌株野生型（wild type）：从自然界分离到的任何微生物在其发生突变前的原始菌株,依表型的改变分为：形态突变型营养缺陷型因突变而丧失产生某种生物合成酶的能力，并因而成为必须在培养基中添加某种物质才能生长的突变类型。发酵突变型丧失产生某种生物合成酶能力的突变型抗性突变型因突变而产生了对某种化学药物或致死物理因子的抗性条件致死突变型突变后在某种条件下可正常生长繁殖，而在另一条件下却无法生长繁殖的突变型抗原突变型因突变而引起的抗原结构发生改变产量突变型,（一）基因突变的类型,按是否比较容易、迅速地分离到发生突变的细胞来分：选择性
18、突变株（selective mutant）：具有选择标记（如营养缺陷性、抗性突变型、条件致死突变型），只要选择适当的环境条件，如培养基、温度、pH值等，就比较容易检出和分离到。非选择性突变株（non-selective mutant）：无选择标记（如产量突变型、抗原突变型、形态突变型），能鉴别这种突变体的惟一方法是检查大量菌落并找出差异。,第二节 基因突变及修复,二、常见的微生物突变类型,1）营养缺陷型（auxotroph）,一种缺乏合成其生存所必须的营养物（包括氨基酸、维生素、碱基等）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（precursor）才能生长。,营养缺陷型是微生物
19、遗传学研究中重要的选择标记和育种的重要手段,表型判断的标准：,在基本培养基上能否生长,第二节 基因突变及修复,二、常见的微生物突变类型,1）营养缺陷型（auxotroph）,特点：,在选择培养基（一般为基本培养基）上不生长,负选择标记,突变株不能通过选择平板直接获得,1）营养缺陷型（auxotroph）,影印平板（Replica plating）法是Lederberg夫妇在1952年建立,第二节 基因突变及修复,二、常见的微生物突变类型,营养缺陷型的表示方法：,1）营养缺陷型（auxotroph）,基因型：,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C同一表
20、型中不同基因的突变）,表型：,同上，但第一个字母大写，且不用斜体：HisC,在具体使用时多用hisC-和hisC+，分别表示缺陷型和野生型。,第二节 基因突变及修复,二、常见的微生物突变类型,2）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。,特点：,正选择标记（突变株可直接从抗性平板上获得-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。）,表示方法：,所抗药物的前三个小写斜体英文字母加上“r”表示strr 和 strs 分别表示对链霉素的抗性和敏感性,第二节 基因突变及修复,二、常见的微生物突变类型,3）条件致
21、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效应的突变型。,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42）是致死的，但可以在低温（如25-30）下得到这种突变。,特点：,负选择标记,这类突变型常被用来分离生长繁殖必需的突变基因,第四节 基因突变及修复,二、常见的微生物突变类型,4）形态突变型（morphological 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
22、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。,形成芽孢缺陷菌株,细胞水平上的形态突变，突变株的检出更加困难。,第二节 基因突变及修复,二、常见的微生物突变类型,5）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到的表型。其突变株的获得往往需要较大的工作量。,第二节 基因突变及修复,三、诱变剂与致癌物质Ames试验,a）利用各种诱变剂获得各类遗传突变，进行诱变育种；,c）危害人类自身的健康,b）对有害微生物进行控制；,很多种化学物质，能以各种机制导致DNA的突变,“生物化学统一性”
23、法则：,人和细菌在DNA的结构及特性方面是一致的，能使微生物发生突变的诱变剂必然也会作用于人的DNA，使其发生突变，最后造成癌变或其他不良的后果。,诱变剂的共性原则：化学药剂对细菌的诱变率与其对动物的致癌性成正比,超过95%的致癌物质对微生物有诱变作用90%以上的非致癌物质对微生物没有诱变作用,回复突变(reverse mutation或back mutation)：突变体失去的野生型性状，可以通过第二次突变得到恢复，这种第二次突变称为回复突变,美国加利福尼亚大学的Bruce Ames教授于1966年发明，因此称为Ames试验,具体操作：检测鼠伤寒沙门氏菌(Salmonella typhmurium)组氨酸营养缺陷型菌株(his-)的回复突变率,Ames试验,菌种：鼠伤寒沙门氏菌 his -； 原理： his -在基本培养基上不长；而发生回复突变则长。,证明Ames试验重要性的应用实例：,国外曾开发了一种降低妇女妊娠反应的药物“反应停”，由于其药效显著，在60-70年代十分流行，但随后人们就发现畸形儿的出生率明显增高，而且生产畸形儿的妇女大多曾服用“反应停”，后来采用Ames试验发现这种物质的确具有很强的致突变作用，因此这种药物被禁止使用但如果能在这种药物上市之前就进行Ames试验检测，那么这种大量出生畸形儿的悲剧完全可以避免，,
