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1、微生物遗传学,授课院系：生物工程学院 授课教师： 黎 明,教材和主要参考书,教材：1.陈三凤.现代微生物遗传学.化学工业出版社，2003,主要参考书1.盛祖嘉. 微生物遗传学（三版）.科学出版社，20072.沈萍、陈向东，微生物学，高等教育出版社，20063.陶文沂. 工业微生物生理与遗传育种学. 中国轻工业出版社，1997,微生物遗传学理论课的要求,掌握基本概念熟悉经典实验领悟科研方法,第一授课单元,第一章 绪论第一节 微生物遗传学发展简史第二节 朊病毒的发现和思考第三节 微生物作为遗传学材料的优越性第四节 微生物遗传控制与发酵工业第二章 微生物遗传物质第一节 DNA结构和复制,第一章 绪论
2、,第一节 微生物遗传学的发展简史,微生物遗传学是一门以病毒、细菌、放线菌、小型真菌及单细胞藻类、原生动物为研究对象的遗传学的分支学科。,40年代以前：微生物遗传学的研究是不系统的、局限的，遗传学基本研究只限于动物和植物。 研究对象：只限于进行有性生殖，特别是产生有性孢子 微生物（酵母菌、草履虫、脉孢菌）；研究内容：只限于形式遗传学分析 （基因重组和定位）,40年代以后，以下五方面的工作促使微生物遗传学发展成为一门独立的学科：,一. 脉孢菌营养缺陷型的发现和基因原初功能的研究,二. 细菌抗药性突变的研究,三. 细菌接合和基因重组的发现,四. 细菌遗传因子化学本质的鉴定 -细菌经典转化实验,五.
3、噬菌体遗传学研究,一. 脉孢菌营养缺陷型的发现和基因原初功能的研究,1941年， G. Beadle 和E. Tatum 用脉孢菌为材料，用X-射线处理脉孢菌的分生孢子得到预期的营养缺陷型，证明了某些代谢途径的阻断与某些突变基因之间的对应关系。对基因功能实质做了进一步的研究，提出一个基因一种酶学说（One Gene - One Enzyme hypothesis）于1958年获得诺贝尔奖,脉孢菌,子囊孢子表面有纵形花纹，形如叶脉，故称脉孢菌。菌丝无色透明，有隔膜多核，具分枝，蔓延迅速 分生孢子梗直立，双叉分枝，分枝上 成串生长分生孢子，分生孢子卵圆形， 一般呈红色、粉红色，常在面包等食 物上生
4、长，俗称红色面包霉。有性过程通过异宗接合产生子囊和子囊孢子，子囊黑色、棒状，内生8枚长圆形子囊孢子，孢子在子囊中顺序排列，一般无性繁殖，很少有性繁殖。 （图：粗糙脉孢菌）,Beadle and Tatum: 一个基因 - 一种酶 One Gene - One Enzyme,用X射线诱导处理红色面包霉，筛选出被诱导的突变体来进行实验。根据遗传分析和大量研究 ，他们认为基因发生突变，就可能导致酶活性的丧失。,利用生长谱法进一步验证哪一种氨基酸缺陷,红色链孢霉实验,突变品系 基本 基本培养基加 培养基 鸟氨酸 瓜氨酸 精氨酸 arg cit orn arg(精氨酸缺陷)，orn(鸟氨酸缺陷), ci
5、t(瓜氨酸缺陷):表示不生长； ：表示生长,1941 Beadle & Tatum 提出： “ one gene one enzyme” hypothesis 乙酰鸟 鸟氨酸精 精氨琥珀 精氨琥珀 氨酸酶 氨甲酰酶 酸合成酶 酸裂解酶 N-乙酰 鸟氨酸 瓜氨酸 精氨 精氨酸 鸟氨酸 琥珀酸 氨甲酰磷酸 天冬氨酸 精氨酸生物合成途径,重要意义,开辟了生化遗传学研究的广阔领域，为基因作用机制的研究确立了基础，为阐明代谢途径提供了有效的方法； 提出一个基因一种酶学说，可认为是分子遗传学的前奏； 利用营养缺陷型探索代谢途径这一思想方法，在微生物遗传学得到广泛的应用，包括基因重组、发育、分化、形态建成等
6、；由于营养缺陷型的发现，使得细菌的基因重组得以发现.,二.细菌抗药性突变的研究,细菌的抗性是基因突变的结果，还是适应的结果？,1943年， Salvador Luria & Max Delbruck用严密的实验证实细菌的抗性是基因突变的结果,重要意义： 使人们认识到，可能所有的生物都有着相同的遗传变异规律； 严密的实验方法，开始被应用到微生物遗传学领域，特别是细菌的变异的研究中去。,变量实验（fluctuation analysis）：波动实验、彷徨实验,对噬菌体T1敏感的E.coli 对数期培养物，稀释至103/mL,分装两试管，各10 mL,与甲管分装的各小管同时保温2436h,甲管,乙管
7、,变量实验（fluctuation analysis）Salvador Luria & Max Delbruck(1943),Salvador Luria,Max Delbruck,The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1969,三. 细菌接合和基因重组的发现,1946年，Joshua Lederberg 和Edward L.Taturm报道了大肠杆菌中的基因重组接合 (conjugation),重要意义：,1）使人们更为明确地认识到微生物和高等动物和植物遗传规律上的一致性；即细菌中也有类似于性过程的现象，以及基因连锁和重组。如有两个不同遗传型的细
8、菌突变株在一起混合培养，可分离到具有双亲基因的新个体，从而认为细菌也存在性别；,2）通过基本相同的方法，为在霉菌、放线菌等各种微生物中发现基因重组奠定了实验方法；3）促使50年代发现了转导。,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和重组所致！,为了减少所培养的结果是回复突变的机会，采用了双重或三重营养缺陷型。该实验是建立在不大可能同时发生两种或三种回复突变的设想上的。,证实接合过程需要细胞间的直接接触的“U”型管实验（ Bernard Davis，1950 ）,U型管实验的原理,接合：即去除细胞壁的细菌的原生质体的融合转导：即借助病毒（一般用噬菌体）将一种细胞中的遗传物质转到另一
9、种细胞中并发生重组，使后者细胞能表达前者细胞的性状。转化：遗传物质能自由进入细胞中并使该细胞表达相应的性状。U型管原理：使U型管中的膜的孔径只能让DNA和营养物质通过，而噬菌体和其他物质均不能通过，发现膜两侧的菌均能在基本培养基上生长，证明是转化。,四. 细菌遗传因子化学本质的鉴定 -细菌经典转化实验,1928年 F.Griffith在肺炎链球菌中发现转化现象1944年 Avery 在离体条件下完成转化过程 确定遗传物质为DNA（第一个实验证据）,它的发现，是1953年DNA分子双螺旋模型提出和分子遗传学发展的前奏。,1928年，Griffith 肺炎双球菌的转化,1944年，Avery在离体
10、条件下完成转化。,五. 噬菌体遗传学研究,1946年， Delbruck证实了噬菌体也存在遗传重组现象； 1955年， Benzer研究了E.coliT4噬菌体遗传物质的精细 结构，提出了“顺反子”的概念； 1961年， Benzer发表了T4r突变位点的经典研究表明： 所有位点不是有同等的突变频率， 提出了基因突变的热点的理论。,1）把遗传规律推广到最简单的生物噬菌体；,2）温和噬菌体以及转导作用的发现，成为微生物遗传学、分子遗传学研究的有效手段。,第二节 朊病毒的发现和思考,一、证明遗传物质是DNA或RNA的三个经典实验：细菌经典转化实验噬菌体的感染实验烟草花叶病毒的拆开和重建实验二、中心
11、法则DNA到mRNA，通过密码子合成蛋白质反转录现象的发现对中心法则的补充,三、朊病毒是一种既不含DNA也不含RNA的蛋白质颗粒；具有传染性和致病性的病毒（引起疯牛病）。朊病毒的发现是否违背了“遗传物质是核酸”和“中心法则”呢？四、朊病毒的致病机理致病性的朊病毒蛋白（以PrPsc表示）是由于正常的蛋白PrPc改变其折叠状态所致；而PrPc仍是基因编码产生的一种糖蛋白， PrPsc并不是遗传信息的携带者。因此，由引起的疾病又被称为构象病。,第三节 微生物作为遗传学材料的优越性,果蝇复眼色素的合成复杂，每一步都需要一种酶。当某一基因发生了突变，相应的一个酶促反应便不能进行。 怎样进一步研究基因的作
12、用呢？要得到足够量的复眼色素，必须饲养成百万头果蝇。能否用别的便于大量培养的生物来代替果蝇？ 复眼色素是十分复杂的物质，能否采用便于分析的性状进行基因作用的研究呢？如氨基酸、维生素等。 二倍体中，生物有显性关系，使隐性突变掩盖（微生物一般是单倍体，便于建立纯系，便于观察基因分离）,微生物的优越性： 独特的生物学特性： 单细胞，单倍体，易培养，无性系，繁殖迅速； 便于获得营养缺陷型：脉孢菌VB6缺陷型； 能被用作研究复杂体制生物的简单的遗传学模型,第四节 微生物遗传控制与发酵工业,育种：通过 系统选择、 诱变、 杂交、 原生质体融合 体外基因重组 等技术培育具有人们所需要遗传性质的生物的过程,应
13、根据代谢调节理论，改变微生物的遗传特性： 营养缺陷型突变株： 某种酶的合成缺陷，途径被切断，使代谢流 汇向目的产物， 同时也能解除反馈调节作用； 抗代谢类似物突变株： 某些受反馈调节的酶的结构改变，不再受相 应的代谢产物的反馈调节； 渗漏突变型：改变细胞膜的通透性；,也能通过引入不同菌株的特定结构基因、启动基因、或增加基因的数量和转录翻译活性等，以改变微生物的遗传特性。,第二章 微生物遗传物质,第一节 DNA的结构和复制一、DNA的结构1. DNA的一级结构DNA的一级结构即指碱基顺序。2. DNA的二级结构包括B-DNA、A-DNA和Z-DNA三种。3. DNA的三级结构有多种形式，其中以超
14、螺旋最常见。当超螺旋旋转方向和双螺旋方向相反时，即为左手螺旋，或负超螺旋。反之为右手螺旋或正超螺旋。,二、DNA的复制特点和几种主要复制方式1. DNA的复制是以半保留方式进行复制。2. 复制起点、复制方向和复制单位(1)复制起点(origin of replication)：DNA复制开始时在DNA分子上的特定部位。通常原核生物和质粒的复制起点以ori表示。原核生物的DNA一般只有一个复制起点。真核生物染色体上有多个复制起点，真核生物的复制起点通常称为自主复制序列(autonomously replicatory sequence,简称ARS)。,(2)复制子(replicon)：每一个复制
15、起点及其复制区则为一个复制单位，称为复制子。真核生物染色体含有多个复制子，原核细胞的一个染色体上只有一个复制子。(3)复制方向：主要有双向和单向复制两种方式。单向复制从一个起点开始，以同一方向合成两条链，形成一个复制叉。双向复制从一个起点开始，沿两个相反的方向各合成两条链，形成两个复制叉。大多数生物染色体DNA的复制是双向的，并且是对称的。,3. 复制的几种主要方式线性双链DNA的复制一般是双向复制，根据复制起点的多少又可分为：(1)双向单点复制(2)双向多点复制环状双链DNA的复制，可分为：(1) 型复制、(2)滚环型复制、(3)D型复制三种类型,(1)型复制 型复制也有双向和单向，大多数为
16、双向而且等速复制，也存在少数双向不等速复制。原核生物DNA复制一般按 型方式进行双向等速复制。如：E.coli例外：枯草杆菌，有固定的起始点，双向不对称复制（两个复制叉移动是不对称）,双向复制不久后的图象。两个复制叉距离较近，中间形成一个较小的“眼”。,这“眼”逐渐扩大，直到复制结束时，两个复制叉在复制起始点的对面位置上汇合,(2)滚环复制这种复制方式存在于噬菌体(如X174)、细菌质粒等DNA的复制中。滚环复制包括以下几个步骤：,(1)亲代双链DNA的一条链发生断裂，产生一个自由的3-OH末端。(2)以含自由3-OH末端的DNA为引物，以没有断裂的完好DNA链为模板，合成新的DNA链，产生滚
17、环结构。(3)3末端不断延长，断裂链的5末端不断被置换而甩出一条单链，单链可以合成其互补链而成为双链(下图左)，也可以以单链的形式存在(下图右)。(4)随着反应的循环进行，甩出的单链中就包含着多个拷贝的原始复制子。该尾巴按照单位长度断裂就可原始环状复制子。,对于单链环状DNA分子的X174噬菌体，该链为正链，在复制时首先合成其互补的负链，形成共价闭合的双链超螺旋分子；然后再通过滚环复制合成大量正链。正链可以包装到噬菌体的蛋白质颗粒中以产生子代噬菌体，又可作为模板合成互补的负链，形成的环状双链DNA，重新参加滚环复制。,(3)D环复制D环复制的双链中其中一条链称为重链(H链)，另一条称为轻链(L链)。两条链的复制起点不在一起。复制步骤如下：,(1)复制开始时，首先从H链的复制起点开始，以L链为模板合成H链，原来的H链被置换，形成的结构类似D字母的形状，该取代环就被称为D环。(2)当H链合成进行到一半时，L链的复制起点暴露出来。(3) L链以被置换的原来H链为模板合成新的L链，合成方向和H链的合成方向相反；而H链继续沿原来滚环方向合成并置换旧的H链，直到H链被完全置换。(4) L链合成继续进行，直到完成。,总结：以板书形式,第一授课单元结束,
