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1、1,第六章,微生物的遗传变异和基因工程,2,第一节微生物遗传的物质基础,一、遗传的物质基础,3,二、遗传物质的存在状态,(一)在真核生物中的存在状态1.染色体 A.染色体DNA的分子量真核生物大于原核生物。B.真核生物的染色体为线状结构。C.DNA和组蛋白等蛋白结合。D.DNA中存在大量的不编码DNA序列(如内含子)。,4,2.染色体外的DNA,细胞器中的DNA 真核微生物的染色体外的DNA主要存在细胞器中。细胞器包括叶绿体、线粒体等。其DNA分子结构与原核生物的染色体相同，为环状。具有独立的复制能力。,5,(二)原核生物和病毒中的存在状态,1.染色体DNA细菌的遗传物质 双链环状DNA，无组
2、蛋白与其相结合，与细胞膜结合，只有一个复制启始位点。病毒中则有DNA或RNA，双链或单链，线状或环状。,6,2.原核生物染色体外的DNA,原核生物染色体外DNA被统称为质粒。为双链DNA。多数为环状，也有线状的大分子结构。,7,(1)F因子,又称致育因子或性因子。是E.coli 等细菌中决 定性别的质粒。它是一个94.5kb的小型DNA分子。该质粒赋与寄物多种性能。A.形成性纤毛。B.细菌的结合与质粒DNA的转移。C.整合到寄主的DNA上，在结合过程中带动寄主DNA的转移。,8,(2)R因子,多数R因子是由相连的两个片段组成。其一称R质粒，它含有调节DNA复制和拷贝数的基因及转移基因。其二为抗
3、性决定质粒。其上含有其他抗生素的抗性基因。该质粒赋予寄主对各种抗生素的抗性。能在不同的细菌间转移。造成严重的抗药性问题。,9,(3)Col因子),赋予大肠杆菌产大肠杆菌素的能力。Col l:分子量小，多拷贝，为无接合作用；Col b:与F因子相似，具有通过接 合 转移的功能。,10,(4)Ti质粒,诱癌质粒,根癌为农杆菌特有;Ti质粒长200kb，是一大型质粒。特点:当细菌侵入植物细后，含有复制基因的Ti质粒 的小片段（T-DNA)与植物细胞中的核染色体组发生整合，破坏控制细胞分裂的激素调节系统，从而使它转变成癌细胞。Ti质粒可用于向植物染色体中导入外源DNA。,11,(5)巨大质粒,根瘤菌属
4、中发现的一种质粒，分子量为200300106Da，比一般质粒大几十倍至几百倍，故称巨大质粒，其上有一系列固氮基 因,12,(6)芳香化合物降解质粒,特点:赋予寄主对一些难降解有机物的分解能力。降解性质粒含有能降 解复杂物质酶的基因，从而使寄主能利用一般细菌所难以分解的物质作碳源。作用:可用于环境治理和修复,13,3.转座因子,插入序列(IS):两端为40-1000bp的反向重复序列,中部为与转座有关的基因.能在染色体DNA中移动或复制-移动的DNA序列.转座子:由一或两个IS 和一系列其他基因组成.,14,(三)DNA的复制方式,15,环状DNA的复制策略,16,线型DNA的复制策略,17,第
5、二节 微生物的变异,突变就是遗传物质-核酸顺序突然产生了稳定的可遗传的变化。突变包括基因突变，又称点突变)和染色体畸变两类。,18,基因点突变 基因点突变是由于DNA链上的一对或少数几对碱基发生改变而引起 的。染色体畸变 染色体畸变则是DNA的大段变化(损伤)现象，包括染色体的添加(即插入）、缺失、重复、易位和倒位。,19,一、突变类型(表型变化),1、形态突变型 发生细胞形态变化或引起菌落形态改变的那些突变型。如细菌鞭毛、芽 孢或荚膜的有无，菌落的大小，外形的光滑(型)、粗糙(型)和颜色等的变异；放线菌或真 菌产孢子的多少、外形或颜色的变异等。,20,2、生化突变型,指一类发生代谢途经变异但
6、没有明显的形态变化的突变型。,21,(1)营养缺陷型,由基因突变而引起代谢过程中某酶合成能力丧 失的突变型，它们必须在原有培养基中添加相应的营养成分才能正常生长。,22,(2)抗性突变型,一类能抵抗有害理化因素的突变型。根据其抵抗的对象可分抗药性、抗紫外线或抗噬菌体等突变类型。,23,(3)抗原突变型,指细胞成分尤其是细胞表面成分(细胞壁、荚膜、鞭毛)的细微变异而引起 抗原性变化的突变型。,24,3、致死突变型,造成个体死亡或生活力下降的突变型，后者称为半致死突变型。,25,4、条件致死突变型,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。温度敏感突变型是最典型的条件致死突变型，
7、它们的一种重要酶蛋白(例如DNA聚合酶、氨基酸活化酶等)在某种温度下呈现活性，而在另一种温度下却是钝化的。,26,二、基因突变(染色体改变),1、自发突变(1)自发突变特性不对应性 即突变的性状与对微生物所施加的环境压力无关。,27,自发性,各种性状的突变，可以在没有人为诱变因素处理下自发地发生。,28,稀有性,自发突变的频率是较低和稳定的，一般在106-109间。,29,独立性,基因的突变是独立的，某一基因的突变既不提高也不降低其他基因的突变率。A突变率为10-6B突变率为10-8AB突变率为10-14此特点可用于标记微生物,30,诱变性,通过诱变剂的作用，可提高自发突变的频率。不论是 自发
8、突变或诱变突变得到的突变型，它们间并无本质上的差别。,31,稳定性,由于突变的根源是遗传物质结构上发生了稳定的变化，所以产生的新性状也是 稳定的，可遗传的。,32,可逆性,实验证明，任何性状既有正向突变，也可发生回复突变。回复突变率同样是很低的。,33,(2)自发突变机制,背景辐射和环境因素的诱变原因不详的低剂量诱变因素的长期综合诱变效应。例如，宇宙空间的各种短波辐射或高温诱变效应，以及自然界中普遍存在的一些低浓度的诱变物质(的作用等。,34,微生物自身有害代谢产物的诱变效应,许多物质本身无诱变效应，但经过微生物的代谢后会转化成有诱变作用的物质。例如，过氧化氢是普遍存在于微生物体内的一种代谢产
9、物。可能是“自发突变”中的一种内源性诱变剂。,35,互变异构效应,T和G会以酮式或烯醇式两种互变异构的状态出现，A而C和 则会以氨基式或亚氨基式两种互变异构的状态出现。当碱基以烯醇式或亚氨式存在时就会产生碱基间的错配。,36,环出效应,在DNA的复制过程中，模板DNA上偶然产生一个小环，造成环上的序列越过复制而发生遗传缺失，从而造成自发突变。,37,2.诱发突变,(1)碱基的置换 也称点突变。它只涉及一对碱基被另一对碱基所置换。置换 又可分为两个亚类：转换 即DNA链中的一个嘌呤被另一个嘌呤或是一个嘧啶被另一个嘧啶所置换；颠换 即一个嘌呤被一个嘧啶或是一个嘧啶被一嘌呤所置换。,38,能引起置换
10、的诱变剂有：,直接引起置换的诱变剂：它们是一类可直接与核酸的碱基发生化学反应，改变核酸结构的诱变剂，不论在机体内或是在离体条件下均有作用。主要有亚硝酸、羟胺和各种烷化剂(硫酸二乙酯，甲基磺酸乙酯等)。,39,间接引起置换的诱变剂：,这类诱变剂都是一些碱基类似物，如5-溴尿嘧啶。它们的作用是通过活细胞的代谢活动掺入到DNA分子中后而引起的，故是间接的。,40,(2)移码突变,指在基因的DNA序列中插入或缺失一个或几个核苷酸，从而使该部位后面的全部遗传密码发生转录和转译错误的一类突变。吖啶类染料以及一系列称为ICR类的化合 物，都是移码突变的有效诱变剂。,41,(3)染色体畸变,缺失：一段DNA序
11、列的丢失。插入：在有效的基因中插入了一段DNA序列，造成基因的失活。易位：一段DNA序列从A处移至B处。倒位；断裂下来的一段染色体旋转180后，重新插入到原来染色体的位置上,42,引起染色体畸变的主要因素,重组错误：染色体在重组过程中发生错误。转座子的诱变作用：转座子的转座作用可以造成DNA的插入、倒位和缺失。,43,四、DNA损伤及其修复,(一)直接修复能直接修复DNA损伤的碱基。光裂合酶的光复活作用 光裂合酶酶能与由UV产生的嘧啶二聚体结合，在可见光的催化作用下使其复原成两个单独 的嘧啶碱。,44,烷基转移酶 由烷基化试剂引起的DNA损伤可被O6-甲基鸟嘌呤甲基转移酶修复。修复后烷基转移至
12、该酶上。该酶可被烷基化试剂所诱导。,45,(二)切除修复,损伤的DNA序列从染色体上被切除，留下的缺口由DAN聚合酶I和连结酶封闭。切除修复的遗传信息来自DNA双螺旋的互补链。,46,(三)重组修复,从另外相同或相似的DNA分子上取得相应的片段来修复损伤的DNA。这种修复DNA的双链要重新排列组合，所以叫重组修复。,47,(四)SOS反应对DNA修复的诱导,SOS是一组基 因，它是DNA修复最重要最广泛的基因集团，通常称为DNA紧急修复基因，它们为DNA的损伤所诱导。SOS修复系统包括多种修复方式，其中有一些不需要DNA模板，修复后不可能使DNA恢复到损伤前的状。因而可导致DNA的突变。,48
13、,五、突变与育种,(一)自发突变与育种1、从生产中选育 在生产过程中筛选自发突变生成的生产性状改善的菌株。,49,2、定向培养优良菌种,用某一特定环境长期处理某一微生物培养物，同时不断对它们进行移种传代，以达到积累和选择合适的自发突变体的一种古老的育种方法。,50,(二)诱变育种,利用物理或化学诱变剂处理微生物细胞，促进其突变频率大辐度 提高，然后从中挑选少数符合育种目的的突变株。,51,2、诱变育种工作中的几个原则,(1)选择简便有效的诱变剂(2)挑取优良有出发菌株(3)处理单孢子(或单细菌)悬液(4)选用最适剂量(5)利用复合处理的协同效应(6)利用和创造形态、生理与产量间的相关指标(7)
14、设计和采用高效筛选方案和方法,52,3、营养缺陷型的筛选,诱变剂处理：淘汰野生型：检出缺陷型：,53,第三节 微生物基因重组,凡把两个不同性状个体内的遗传基因转移在一起重新组合，形成新遗传型个体的 方式，称基因重组(gene recombination)。,54,转化:受体菌接受外源DNA片段，经过交换将它组合到自己的基因组中，从而获得了供体菌的部分遗传性状的现象，称为转化。转化后的受体菌，称为转化子(transformant)。,55,1.转化的过程,吸附：双链DNA通过可逆不可逆吸附作用结合至受体细胞的细胞上。酶解DNA：在位点上的DNA发生酶促分解，形成适当大小的DNA片段；DNA进入细
15、胞：DNA双链中的一条单链逐步降解，同时，另一条单链逐步 进入细胞。,56,整合：转化DNA单链与受体菌染色体组上的同源区段配对，通过重组结合到受体细胞DAN上。分离：受体菌染色体组进行复制，杂合区段分离成两个其中之一类似供体菌，另一类似受体菌。，,57,(二)转导,通过噬菌体的媒介，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，称为转导。转导又分为普遍性和局限性两类。,58,1、普遍性转导,噬菌体可误包供体菌中的任何基因，并使受 体菌实现各种性状的转导，称为普遍性转导，(1)完全转导 供体DNA片段与受体染色体组上的同源区段配对，再通过双交换而重组到受体菌染
16、色体上，形成遗传性稳定的转导子。,59,(2)流产转导,供体DNA片段不能重组到受体菌染色体上，但也不被受体细胞所降解，仅在一个细胞中保持其基因功能。,60,2、局限性转导,温和噬菌体将其在寄主DNA插入位点处的少数特定基因和噬菌体基因共同包装入噬菌体中并转入受体菌中中的转导现象。,61,(三)接合,通过含有质粒的供体菌和受体菌完整细胞间的直接接触，在质粒DNA的带动下而传递大段的DNA过程，称为接合。,62,(四)原生质体融合,通过人为方法，使遗传性状不同的两个细胞的原生质体发生融合，并产生重组子的过程，称为原生质体融合或细胞融合。,63,二、真核微生物的基因重组,(一)有性杂交 杂交是在细
17、胞水平上发生的一种遗传重组方式。有性杂交，一般指性细胞间的接合和随 之发生的染色体重组，并产生新遗传型后代的一种育种技术。,64,(二)准性杂交,是一种类似于 有性生殖，但比它更为原始的一种生殖方式，它可使同种生物两个不同菌株的体细胞发生融 合，且不以减数分裂的方式而导致低频率的基因重组并产生重组子。,65,(1)菌丝联结(amastomosis),它发生于一些形态上没有区别的，但在遗传性上却有差别的同 一菌种的两个不同菌株的体细胞(单倍体)间。发生联结的频率极低。,66,(2)形成异核体(heterocaryon),两个体细胞经联结后，使原有的两个单倍体核集中到同一 个细胞中，于是就形成了双
18、相的异核体。,67,(3)核融合(nuclear fusion),在异核体中的双核，偶尔可以发生核融合，产生双倍体杂合子核。,68,(4)体细胞交换和单倍体化,在其进行有丝分裂过程中，其中极少数核的染色体发生交换和单倍体化，从而形成了极个别的具有新性状的单倍体杂合子。,69,第四节 微生物基因工程,一、基因工程的基本操作(1)目的基因的取得(2)载体的选择(3)目的基因与载体DNA的体外重组(4)重组载体引入受体细胞,70,二、基因工程的载体,71,二、基因工程的主要工具酶,1.限制性内切酶（1）限制性内切酶的生物学功能噬菌体侵染的限制现象限制性内切酶和甲基化酶的作用,72,（2）限制性内切酶
19、的种类I型限制性内切酶II型限制性内切酶,73,三、基因工程的应用,微生物发酵各种酶制Taq酶限制性内切酶 肌氨酸氧化酶抗生素生产,74,2.病毒疫苗基因工程疫苗的优点安全副作用小生产周期短生产成本低基因工程疫苗的种类用酵母菌表达病毒表面抗原利用缺失突变的病毒利用痘菌病毒,75,4.转基因植物（利用根癌农杆菌）,原理：根癌农杆菌含有Ti质粒，在它的作用下能将质粒中的一段DNA（T-DNA)转入植物。方法：改造Ti质粒，使它失去致病能力。合成一穿梭质粒，使它带有T-NA和外源DNA，将其转入根癌农杆菌中。在Ti质粒的作用下，可将穿梭质粒转入植物细胞。,76,转基因植物,抗除草剂作物抗虫作物生产干扰素、抗体和疫苗5.环境生物技术,
