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1、Environmental Microbiology,洪永聪 青岛农业大学生命科学学院,环 境 微 生 物 学,第六章 微生物的遗传与变异（4学时）,第一节 微生物的遗传第二节 微生物的变异,微生物遗传学,微生物遗传学：研究微生物遗传物质的结构特点、遗传信息的表达与调控以及遗传变异的基本规律通过基因操作改变微生物的遗传信息从而有效地控制或利用微生物,基因型与表型,基因型（genotype）：指某一生物个体所含有的全部基因的总和表型（phenotype）：指生物体所具有的一切外表特征和内在特性的总和；是具一定基因型的生物在一定条件下所表现出的具体性状,第一节 微生物的遗传物质,一、微生物的遗传物
2、质二、微生物遗传信息的表达三、微生物基因表达的调控,一、微生物的遗传物质,（一）证明核酸是遗传物质的经典实验（二）微生物的染色体基因组（三）微生物染色体外的遗传物质,（一）证明核酸是遗传物质的经典实验,1、细菌的转化实验2、噬菌体感染实验3、病毒重建实验,1、细菌的转化实验,细菌的转化实验： 1928年，英国医生Griffith以肺炎链球菌 (Streptococcus pneumoniae) 作为研究对象,1944年，Avery等人从热死的S型菌体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实验,2、噬菌体感染实验,噬菌体感染实验：1952年，Hershey和Chase培养获
3、得含32P-DNA的噬菌体和含35S-蛋白质的噬菌体；他们作了两组对E. coli的感染实验,3、病毒重建实验,病毒重建实验：1956年，Fraenkel用TMV的RNA与HRV的蛋白质外壳重建后的杂合病毒去感染烟草时，烟叶上出现的是典型的 TMV 病斑,核酸是遗传物质,以上三个实验的结论：只有核酸才是贮存遗传信息的真正物质细胞生物的遗传物质：双链DNA病毒的遗传物质：可以是单链的或双链的DNA或RNA,一、微生物的遗传物质,（一）证明核酸是遗传物质的经典实验（二）微生物的染色体基因组（三）微生物染色体外的遗传物质,（二）微生物的染色体基因组,染色体：微生物遗传物质DNA的主要存在形式；不同种
4、类，其DNA的数目、大小、结构差异显著基因组（genome）：微生物单倍体的所有染色体及其所包含遗传基因的总称；包括编码蛋白质的结构基因、调控序列以及目前功能尚不清楚的 DNA序列基因（gene）：是有功能的DNA片段，含有合成有功能的蛋白质多肽链或RNA所必需的全部核苷酸序列，是遗传的结构和功能单位,1、大肠杆菌的基因组,染色体：只有一条，大小为4.7106bp ；双链、环状DNA，与类组蛋白等结合成致密的手脚架形基因的转录与翻译在细胞质耦合发生遗传信息具有连续性，一般不含内含子功能相关的结构基因组成操纵子（operon）结构基因的单拷贝重复序列少而短，一般为440个碱基,2、啤酒酵母的基因
5、组,染色体：16条，总大小为13.5106bp；染色体由核小体组成，其上有着丝粒和端粒；每一条染色体只含有一条线状、双链DNA 基因的转录在细胞核内进行，而翻译则在细胞质的核糖体上发生高度重复：tRNA基因在每条染色体上至少有4个，共约250个拷贝没有明显的操纵子结构，有间隔区或内含子序列,原核微生物与真核生微物基因组的比较,3、 噬菌体的基因组,染色体：包装到二十面体头内，大小为48,502bp；dsDNA，线状许多功能相关的基因聚集成簇排列复制和裂解过程中基因组程序性开启或关闭,一、微生物的遗传物质,（一）证明核酸是遗传物质的经典实验（二）微生物的染色体基因组（三）微生物染色体外的遗传物质
6、,（三）微生物染色体外的遗传物质,细胞器DNA：真核微生物的叶绿体、线粒体等细胞器都有自己的独立于染色体的环状双链DNA；编码自身所需要的与能量转换有关的蛋白质质粒（plasma）：是宿主染色体外决定某些性状（如抗药性、接合作用等）的闭合、环状、双链DNA ；目前仅发现于原核微生物和酵母菌中；能自我复制；不是宿主生长所必需的转座因子：是微生物细胞中可在染色体上改变自身座位的一段DNA序列；在原核微生物和真核微生物中都有存在,二、微生物遗传信息的表达,（一）DNA的复制（二）基因的转录（三）多肽链的翻译,（一）DNA的复制,参与复制（replication）的物质：原料dNTP、模板DNA、DN
7、A聚合酶、其他蛋白质因子复制方式：半保留复制，不连续复制复制起点：大多数细菌及病毒只有一个复制起点 ，一个复制子 ；真核生物是多起点的，多个复制子 复制方向：大多数双向进行，方向为53复制的三个阶段：复制的起始、复制的延伸和复制的终止,DNA聚合酶III,细菌DNA的形复制,真核生物DNA的多点复制,二、微生物遗传信息的表达,（一）DNA的复制（二）基因的转录（三）多肽链的翻译,（二）基因的转录,参与转录（transcription）的物质：原料NTP、模板DNA、RNA聚合酶、其他蛋白质因子转录的不对称性：指导mRNA合成的DNA链称为模板链，DNA仅有一条链可作为转录的模板启动子：指能被R
8、NA聚合酶识别、结合并启动基因转录的一段DNA序列转录的三个阶段：转录起始、RNA链延伸、转录终止，方向为53转录后加工：内含子的切除、外显子的连接,RNA聚合酶,编码链,AACTGT,ATATTA,模板链,TTGACA,TATAAT,3,5,转录起始点,Probnow盒子,启动子,35 10 +1,转录区,二、微生物遗传信息的表达,（一）DNA的复制（二）基因的转录（三）多肽链的翻译,（三）多肽链的翻译,参与翻译（translation）的物质：氨酰tRNA、成熟mRNA、核糖体（A位点、P位点）、其他蛋白质因子翻译的三个阶段：翻译起始、肽链延长和翻译终止，方向为53起始密码子：AUG终止密
9、码子：UAA、UAG和UGA翻译后加工：形成的肽链在蛋白伴侣（chaperone）的作用下形成大分子蛋白,三、微生物基因表达的调控,（一）转录水平调控（二）翻译水平调控,（一）转录水平调控,转录水平调控（transcriptional level）：控制从DNA模板上转录特异的RNA的速度；这是一种最经济的办法，可以免去浪费从mRNA合成蛋白质的各种元件和材料；大多数基因表达都属于这种调控负调控（negative regulation）：调节蛋白与DNA的特定位点相作用，关闭或降低操纵子转录活性的调控方式正调控（positive regulation）：调节蛋白与DNA的特定位点相结合，启动或
10、增强操纵子转录活性的调控方式,三、微生物基因表达的调控,（一）转录水平调控（二）翻译水平调控,（二）翻译水平调控,翻译水平调控（translational level）：在mRNA合成后，通过调节与核糖体的结合速度等控制从mRNA翻译成多肽链的速度；这种调控比较少见SD序列与翻译效率：在mRNA上起始密码子上游有一段富含嘌呤的与SD序列，它与16SrRNA的互补程度以及从起始密码子AUG 到SD序列的距离都强烈影响翻译起始的效率反义RNA的调控作用：反义RNA可与mRNA相结合，使核糖体不能翻译或提前终止；或形成RNA-RNA二聚，增加了核酸内切酶的作用特异性从而使mRNA变得不稳定,第六章
11、微生物的遗传与变异（4学时）,第一节 微生物的遗传第二节 微生物的变异,第二节 微生物的变异,一、微生物的基因突变二、微生物的基因重组三、微生物的基因工程,一、微生物的基因突变,（一）基因突变的概念（二）基因突变的类型（三）基因的诱发突变（四）DNA的损伤修复,（一）基因突变的概念,基因突变（mutation）：遗传物质核酸中的核苷酸顺序突然发生了可遗传的变化点突变：由于DNA链上的一对或少数几对碱基发生改变而引起染色体畸变：DNA的大段变化现象，表现为插入、缺失、重复、易位、倒位,突变的特性,非对应性：突变的发生与环境因子无对应性稀有性：自发突变率很低，一般在10-610-9规律性：特定性状
12、的突变具有一定的规律性独立性：引起各种性状改变的突变彼此是独立的遗传性：突变是可以稳定遗传的回复性：有时突变可以回复可诱变性：通过理化因子等诱变剂的诱变可提高突变率，但不改变突变的本质,一、微生物的基因突变,（一）基因突变的概念（二）基因突变的类型（三）基因的诱发突变（四）DNA的损伤修复,（二）基因突变的类型,1、根据结构改变2、根据表型改变,1、根据结构改变,同义突变：是指某个碱基的变化没有改变产物氨基酸序列（简并密码子）的变化错义突变：是指某个碱基的变化引起了产物氨基酸的改变；有时影响到蛋白质活性甚至使之失活无义突变：是指某个碱基的改变，使蛋白质合成提前终止 (UAA，UAG，UGA)，
13、产生截短的蛋白质移码突变：由于DNA序列中发生1-2个核苷酸的缺失或插入，使翻译的阅读框发生改变，从而导致之后氨基酸序列的完全变化,2、根据表型改变,形态突变型：是指造成形态改变的突变型，包括细胞形态和菌落形态以及噬菌斑形态等 生化突变型：是指造成代谢途径变异的突变型，如营养缺陷型、抗性突变型等致死突变型：是指导致个体死亡的突变型条件致死突变型：是指在某一条件下具有致死效应的突变型 ，如温度敏感突变型,一、微生物的基因突变,（一）基因突变的概念（二）基因突变的类型（三）基因的诱发突变（四）DNA的损伤修复,（三）基因的诱发突变,诱变剂：是指能够提高基因突变频率的物理、化学和生物因子；包括碱基类
14、似物、强氧化剂、插入染料、辐射、噬菌体等诱变育种：利用诱变剂处理微生物以提高突变频率，从中挑选突变株供生产实践或科学实验之用,诱变育种步骤,选择好的出发菌株：产量高、遗传性单一、对诱变剂的敏感性大、变异幅度广等使用复合诱变因素：利用复合因素来扩大诱变幅度、提高诱变效果选择适宜的剂量：对不同微生物使用不同的剂量，可以用致死率作为选择适宜剂量的依据变异菌株的筛选：一般从菌落形态变异类型着手，去发现与产量有关的特性,一、微生物的基因突变,（一）基因突变的概念（二）基因突变的类型（三）基因的诱发突变（四）DNA的损伤修复,（四）DNA的损伤修复,光修复：在光环境下，光解酶识别由紫外线引起的嘧啶二聚体将
15、其恢复成两个单独的嘧啶碱切除修复：在暗环境下，特异性酶识别DNA链中的损伤部位，将其分别切离，在DNA聚合酶和连接酶的作用下完成修复重组修复：必须在DNA进行复制的情况下进行，RceA蛋白结合在有缺口的单链DNA上，与完整双链发生重组，由DNA聚合酶和连接酶进行修复SOS修复： SOS是一组修复基因，包括recA、lexA、uvrA等，它们为DNA的损伤所诱导；是DNA受到重大损伤时的一种应急反应,二、微生物的基因重组,（一）原核微生物的基因重组（二）真核微生物的基因重组,基因重组,基因重组（gene recombination）：是指两个不同来源的遗传物质进行交换，经过基因的重新组合，形成新
16、基因型的过程自然发生：原核微生物主要包括转化、转导、接合等方式；真核微生物主要包括有性杂交、准性杂交等人工操作：主要包括诱变育种、原生质体融合、基因工程等手段,（一）原核微生物的基因重组,转化(transformation)：受体菌直接吸收供体菌的DNA片段，并组合到其基因组中，从而获得供体菌部分遗传性状的现象；可分为自然转化和人工转化转导(transduction)：通过缺陷噬菌体的媒介，把供体细胞的DNA片段携带到受体细胞中，从而使后者获得前者部分遗传性状的现象；可分为普遍性转导和局限性转导接合(conjugation)：通过供体菌和受体菌完整细胞间的直接接触而传递大段DNA的过程，也称杂
17、交；接合菌株包括F+菌株、F-菌株、Hfr菌株和F菌株等,二、微生物的基因重组,（一）原核微生物的基因重组（二）真核微生物的基因重组,（二）真核微生物的基因重组,有性杂交：是指微生物性细胞间的接合和随之发生的染色体重组，并产生新遗传后代的一种育种技术；凡能产生有性孢子的酵母菌和霉菌都可采用此法准性生殖（parasexuality）：类似于有性生殖；是指同种微生物两个不同菌株的体细胞发生融合，且不经过减数分裂而导致低频率基因重组并产生重组子的一种原始生殖方式；常见于某些丝状真菌,三、 微生物的基因工程,基因工程：是用人工方法将所需要的某一供体生物的DNA提取出来，在体外进行切割后，将其载体DNA
18、分子连接起来，然后导入受体细胞中使之复制、表达，从而获得新的性状基因工程的基本操作如下图所示：,1、目的基因的克隆,提取总DNA，设计引物，PCR扩增通过反转录酶的作用由mRNA合成cDNA(互补DNA) ，RT-PCR扩增根据蛋白质肽链中氨基酸序列来设计特定的DNA序列，PCR扩增用化学方法合成特定功能的基因,2、克隆载体的选择,载体的要求：有自我复制能力，有较高的复制率；有限制性内切酶的切口；有选择性遗传标记，如具有四环素、氨苄青霉素等的抗性基因载体的种类：细菌质粒(松弛型)、噬菌体、酵母YAC等,3、目的基因与载体的体外重组,酶切：对目的基因与载体均采用同一种限制性内切酶处理，从而获得互
19、补粘性末端或人工合成粘性末端连接：然后把两者放在较低的温度(56)下混合“退火”，粘性末端上碱 基互补的片段重新配对，形成双链，在DNA连接酶的作用下，目的基因与载体形成一个完整的有复制能力的环状重组体嵌合体,4、重组载体引入受体细胞,受体细胞：可以是微生物细胞，也可以是动物或植物细胞；目前使用最广泛的是E. coli，其次为枯草杆菌和酿酒酵母引入方法：若以重组质粒作载体时，可以用转化的手段；若以病毒DNA作重组载体时,则用转染的方法,5、转化子的筛选与鉴定,小结,名词解释：基因型、表型、基因组、基因、质粒、转座因子、操纵子、基因突变、准性生殖微生物的遗传物质基础是什么？有什么直接的实验证据？ 简述微生物基因表达转录水平的调控方式？ 简述微生物基因突变的机理和类型？ 请设计一个实验来决定在一种特定的细菌中发生的遗传转移过程是转化、转导还是接合？基因工程的基本步骤是怎样的？其中哪些需涉及到微生物的参与？,
