环境工程微生物学-微生物的遗传

1、 第第1 1节节 概概 述述 第第2 2节节 遗传变异的物质基础遗传变异的物质基础 第第3 3节节 基因突变及修复基因突变及修复 第第4 4节节 基因转移和重组基因转移和重组 |遗传遗传(heredity或或inhertiance)和和 变异变异(Variation)是生物体最本质是生物体最本质 的属性之一。的属性之一。 与之相关的几个概念与之相关的几个概念 1、遗传遗传( (heredity) ) 生物的上一生物的上一 代将自己的遗传因子传递给下代将自己的遗传因子传递给下 一代的行为或功能，具有极其一代的行为或功能，具有极其 稳定的特性。稳定的特性。 2、遗传型遗传型(genotype) 某

2、一生物某一生物 所含有的遗传信息即所含有的遗传信息即DNA中正确中正确 的核苷酸序列。生物体通过这个的核苷酸序列。生物体通过这个 核苷酸序列控制蛋白质或核苷酸序列控制蛋白质或RNA的的 合成，一旦功能性蛋白质合成，合成，一旦功能性蛋白质合成， 可调控基因表达。可调控基因表达。 |遗传型遗传型是一种内在可能性或潜力，是一种内在可能性或潜力， 其实质是遗传物质上所负载的特其实质是遗传物质上所负载的特 定遗传信息。具有某遗传型的生定遗传信息。具有某遗传型的生 物只有在适当的环境条件下通过物只有在适当的环境条件下通过 自身的代谢和发育，才能将它具自身的代谢和发育，才能将它具 体化，即产生体化，即产生表

3、型表型。 3 表型表型(phenotype) 某一生物体所具有的一切某一生物体所具有的一切 外表特征及内在特性的总和，外表特征及内在特性的总和， 是遗传型在合适环境条件下的是遗传型在合适环境条件下的 具体体现。是一种现实性。具体体现。是一种现实性。 表型 发育 代谢 遗传型环境条件 4 变异（变异（VariationVariation） 是生物体在是生物体在 某种外因或内因作用下引起的遗某种外因或内因作用下引起的遗 传物质结构改变，亦即传物质结构改变，亦即遗传型的遗传型的 改变改变。特点特点：几率极低：几率极低(一般为一般为 10-510-6)；性状变化幅度大；变；性状变化幅度大；变 化后的新

4、性状是稳定的、可遗传化后的新性状是稳定的、可遗传 的。的。 5 5 饰变饰变(modification)(modification) 指不涉及指不涉及 遗传物质结构改变，只发生在转遗传物质结构改变，只发生在转 录、转译水平上的表型变化。录、转译水平上的表型变化。 特点特点：每一个体都发生变化性状：每一个体都发生变化性状 变化的幅度小；因遗传物质不变变化的幅度小；因遗传物质不变 故饰变是不遗传的。故饰变是不遗传的。 例子例子：粘质沙雷氏菌：粘质沙雷氏菌(Serratia marcescens)在在 25下培养时会下培养时会 产生深红色的灵杆菌素，在产生深红色的灵杆菌素，在37 时不产生色素。时不

5、产生色素。 &2.遗传变异的物质基础遗传变异的物质基础 2.1 三个经典实验 2.2 微生物细胞的遗传物质 2.1 三个经典实验三个经典实验 Griffith转化实验 2.1 三个经典实验三个经典实验 T2噬菌体的感染实验 35S蛋白质 32PDNA 2.1 三个经典实验 植物病毒重建实验 TMV-RNA+HRV-衣壳 HRV-RNA+TMV-衣壳 ！核酸是遗传信息的载体。 2.2 微生物细胞的遗传物质 E. coli 2.2.1 遗传信息的传递 2.2.1 遗传信息的传递：DNA复制 2.2.1 遗传信息的传递：DNA转录 2.2.1 遗传信息的传递：翻译 |mRNA is translat

6、ed in codons (3nucleotides) |Translation of mRNA begins at the start codon: AUG |Translation ends at a STOP codon: UAA, UAG, UGA 2.2.1 遗传信息的传递：翻译 2.2.2 遗传信息的传递：翻译 2.2.2 遗传信息的传递：翻译 2.2.2 遗传信息的传递：翻译 2.2.2 遗传信息的传递：翻译 2.2.2 遗传信息的传递：翻译 2.2.2 遗传信息的传递：翻译 2.2.2 遗传信息的传递：翻译 2.2.2 遗传信息的传递：翻译 2.2.2 遗传信息的传递：翻译 3

7、.1 基因突变基因突变 3.1.1 突变株的表型突变株的表型 3.1.2 基因突变的特点基因突变的特点 3.1.3 突变株的筛选突变株的筛选 3.2 基因突变的分子基础基因突变的分子基础 3.3 DNA的修复机制的修复机制 &3. 基因突变及修复基因突变及修复 3.1.1 突变株的表型突变株的表型 （1 1）营养缺陷型）营养缺陷型 （2 2）抗性突变）抗性突变 （3 3）条件致死突变型）条件致死突变型 （4 4）形态突变型）形态突变型 （5 5）抗原突变型）抗原突变型 （6 6）产量突变型）产量突变型 3.1.2 3.1.2 基因突变的特点基因突变的特点 |自发性自发性 |不对应性不对应性 |

8、稀有性，突变率稀有性，突变率 |独立性独立性 |可诱变性可诱变性 |稳定性稳定性 可逆性可逆性 3.1.3 突变株的筛选突变株的筛选 3.1.3.1 根据突变株类型分离根据突变株类型分离 | 鉴定和分离鉴定和分离突变株时，根突变株时，根 据突变株基因的特殊性质，据突变株基因的特殊性质， 一般分成一般分成三类三类： 1)有毒化合物抗性突变株有毒化合物抗性突变株 |如如对抗生素或对噬菌体侵染对抗生素或对噬菌体侵染 的抗性的抗性。这些突变株能通过。这些突变株能通过 在有毒药剂或噬菌体存在下在有毒药剂或噬菌体存在下 生长来选择。只有抗性突变生长来选择。只有抗性突变 株才生长。株才生长。 2)营养缺陷型

9、突变株营养缺陷型突变株 |突变株突变株不能合成不能合成生长所必需的基生长所必需的基 本化合物如一个氨基酸或维生素。本化合物如一个氨基酸或维生素。 这些突变株不能直接分离，但能这些突变株不能直接分离，但能 通过通过影印培养法影印培养法(replica plating) 筛选。筛选。 3)不能利用不能利用特殊底物特殊底物如乳糖如乳糖 和麦芽糖生长的突变株，和麦芽糖生长的突变株， 可以通过可以通过影印培养法影印培养法鉴别。鉴别。 3.1.3.2 影印培养法影印培养法 |用于用于筛选大量特殊突变菌落的一个筛选大量特殊突变菌落的一个 方法方法。细菌铺制成平板，在所含营。细菌铺制成平板，在所含营 养成分的

10、培养基上亲本和突变株均养成分的培养基上亲本和突变株均 能生长，采用一个稀释度使单个菌能生长，采用一个稀释度使单个菌 落能在平板上看到；培养后，用一落能在平板上看到；培养后，用一 个个无菌的丝绒布无菌的丝绒布包裹的圆柱章的包裹的圆柱章的圆圆 垫转移垫转移上述菌落至可以检出突变株上述菌落至可以检出突变株 的培养基平板上。的培养基平板上。 3.2 基因突变的分子基础基因突变的分子基础 3.2.1基因突变基因突变(gene mutation) |一个基因内部结构或一个基因内部结构或DNA序列序列 的任何改变，改变一对或少数的任何改变，改变一对或少数 几对碱基的缺失、插入或置换，几对碱基的缺失、插入或置

11、换， 而导致的遗传变化称为基因突而导致的遗传变化称为基因突 变。变。 |DNA序列范围的改变从单个碱序列范围的改变从单个碱 基改变通常称为基改变通常称为点突变点突变(point mutations)，到基因组大范围的，到基因组大范围的 重排，有时称为重排，有时称为多位点突变多位点突变(染染 色体畸变色体畸变)，其中包括，其中包括DNA链上链上 短的一段序列或长的一段序列短的一段序列或长的一段序列 改变，从而影响许多基因。改变，从而影响许多基因。 |多位点突变可以是碱基序列的多位点突变可以是碱基序列的 缺失、插入、倒位、置换缺失、插入、倒位、置换( (包括包括 易位易位) )和重复和重复以及在基

12、因组中发以及在基因组中发 生生重组重组或或转座转座的结果。的结果。 2. 点突变点突变 |点突变中由一个嘌呤变为另一个嘌点突变中由一个嘌呤变为另一个嘌 呤呤(AG)或一个嘧啶变为另一个嘧或一个嘧啶变为另一个嘧 啶啶(CT)称为称为转换转换(transition)，嘌，嘌 呤变为嘧啶和嘧啶变为嘌呤称为呤变为嘧啶和嘧啶变为嘌呤称为颠颠 换换(transversions)。遗传型上一个。遗传型上一个 碱基的改变在表型上的效应取决于碱基的改变在表型上的效应取决于 突变的性质和在基因组点突变发生突变的性质和在基因组点突变发生 的位置，有的位置，有四种点突变类型四种点突变类型： 1）同义突变同义突变(sa

13、me-sense mutations) 由于基因密码的冗余由于基因密码的冗余性性；同样的；同样的 氨基酸插入蛋白质，结果表型上没氨基酸插入蛋白质，结果表型上没 有看出变化。有看出变化。 2）错义突变错义突变(mis-sense mutations) 指不同的氨基酸插入蛋白质的多肽指不同的氨基酸插入蛋白质的多肽 链中，多肽链相应氨基酸改变的结链中，多肽链相应氨基酸改变的结 果，视蛋白质的基本部分或非基本果，视蛋白质的基本部分或非基本 部分改变而定。部分改变而定。前者前者蛋白质功能改蛋白质功能改 变或丧失，变或丧失，后者后者表型上没有观察到表型上没有观察到 变化。变化。 3）无义突变无义突变(no

14、nsense mutations) 是指碱基序列改变为氨基酸终是指碱基序列改变为氨基酸终 止密码子止密码子(UAA，UAG，UGA)。 蛋白质合成超前停止，导致一蛋白质合成超前停止，导致一 个截短的蛋白质产生。个截短的蛋白质产生。 4）移码突变移码突变(frameshift mutations)是是 DNA序列上缺失或插入序列上缺失或插入12个核个核 苷酸，引起从该突变点后翻译苷酸，引起从该突变点后翻译 阅读框移位和变成一个完全改阅读框移位和变成一个完全改 变的氨基酸序列。变的氨基酸序列。 2. 自发突变自发突变 （Spontaneous mutation） 2.12.1 不经诱变剂处理而自然

15、发生的突不经诱变剂处理而自然发生的突 变，称为变，称为自发突变自发突变 2.2 自发突变的原因自发突变的原因 突变可因许多原因增加，包括突变可因许多原因增加，包括 DNA复制时复制时DNADNA聚合酶产生的误差，聚合酶产生的误差， DNADNA的物理损伤，重组和转座的物理损伤，重组和转座。然而，。然而， DNA受大量受大量DNA修复系统保护，会修复系统保护，会 使其突变率减至最小程度。使其突变率减至最小程度。 1)1)自发突变的一个主要原因是自发突变的一个主要原因是由由 于碱基存在不同的构型称为互于碱基存在不同的构型称为互 变异构体，变异构体，使其能形成不同的使其能形成不同的 碱基对碱基对。

16、|通常以氨基式出现的腺嘌呤通常以氨基式出现的腺嘌呤(A)与胸与胸 腺嘧啶腺嘧啶(T)配对。当配对。当DNA复制到这一复制到这一 位置瞬间时转变为稀有的亚氨基式位置瞬间时转变为稀有的亚氨基式(A )(互变异构现象 互变异构现象，tautoomerism)， 就会与胞嘧啶就会与胞嘧啶(C)碱基配对，这意味碱基配对，这意味 着一个胞嘧啶着一个胞嘧啶(C)插入插入DNA，代替了，代替了 胸腺密啶胸腺密啶(T)。假如在下一次复制周期。假如在下一次复制周期 前不被修复前不被修复A-T碱基对碱基对将变为将变为C-G碱碱 基对基对。 2)2)自发突变的另一个主要原因是自发突变的另一个主要原因是 转座因子转座因

17、子，它可以随机插入基，它可以随机插入基 因组，引起突变，而且假如有因组，引起突变，而且假如有 两个或多个拷贝，作为同源重两个或多个拷贝，作为同源重 组的位点，能导致基因组区段组的位点，能导致基因组区段 缺失、重复和倒位。缺失、重复和倒位。 3) DNA复制时自发突变也能复制时自发突变也能 由由DNADNA链在短的重复核苷酸链在短的重复核苷酸 序列处向外环出而引起序列处向外环出而引起。 导致插入或缺失一小段导致插入或缺失一小段 DNA，从而对，从而对DNA分子造分子造 成实际的损伤。成实际的损伤。 3 诱发突变和诱变剂诱发突变和诱变剂 3.13.1诱发突变诱发突变 通过人为利用物理、化通过人为利

18、用物理、化 学或生物因子的方法提高基因突变频学或生物因子的方法提高基因突变频 率的手段。率的手段。 3.23.2诱变剂诱变剂 |碱基类似物碱基类似物(base analogs) 如如5-溴尿溴尿 嘧啶和嘧啶和2-氨基嘌呤，当氨基嘌呤，当DNA复制时掺复制时掺 人人DNA分子，类似自发突变的碱基互分子，类似自发突变的碱基互 变异构移位，但以高频率导致突变。变异构移位，但以高频率导致突变。 |DNA分子嵌入剂分子嵌入剂(插入染料插入染料) 是扁平的是扁平的 三个环的类似于碱基对形状的化合物，三个环的类似于碱基对形状的化合物， 它们能插入它们能插入DNA分子，引起螺旋结构分子，引起螺旋结构 变型，变

19、型，DNA复制时导致环出及插入和复制时导致环出及插入和 缺失碱基。溴化乙啶和丫啶橙是这类缺失碱基。溴化乙啶和丫啶橙是这类 试剂的典型代表。试剂的典型代表。 |修饰修饰DNA的化学药品的化学药品是改变是改变DNA 中碱基的化合物，导致下一次复制中碱基的化合物，导致下一次复制 周期时错误配对。周期时错误配对。 zHNO2引起含引起含NH2基团的碱基基团的碱基(AGC)氧氧 化脱氨，氨基变为酮基，改变配对性化脱氨，氨基变为酮基，改变配对性 质造成转换突变。质造成转换突变。 zNH2OH 与胞嘧啶发生反应，引起与胞嘧啶发生反应，引起 GCAT转换。转换。 zEMS和和NTG 作用于鸟嘌呤的作用于鸟嘌呤

20、的N-7位和位和 腺嘌呤的腺嘌呤的N-3位，造成碱基错误配对。位，造成碱基错误配对。 |电离辐射电离辐射可能引起可能引起DNA损伤。紫损伤。紫 外线引起的主要损伤是形成外线引起的主要损伤是形成嘧啶二嘧啶二 聚体聚体，最普通的是胸腺嘧啶二聚体，最普通的是胸腺嘧啶二聚体， 相邻碱基问引起相邻碱基问引起DNA螺旋的扭曲畸螺旋的扭曲畸 变。它本身不是导致突变的，但突变。它本身不是导致突变的，但突 变发生后，当细胞用倾向错误的修变发生后，当细胞用倾向错误的修 复系统复系统(SOS修复系统修复系统)尽力修复此损尽力修复此损 伤时，会导致高频率的突变。伤时，会导致高频率的突变。 |生物诱变因子生物诱变因子

21、实验室中常用转座因实验室中常用转座因 子作为诱变因子，例子作为诱变因子，例Tn, MuTn, Mu具有抗具有抗 生素抗性标记，可容易分离到所需生素抗性标记，可容易分离到所需 的突变基因的突变基因。 |当当DNA序列已知时，现在经常采用序列已知时，现在经常采用 的体外诱变办法是的体外诱变办法是精确改变精确改变DNA序序 列列(定位诱变定位诱变)。以化学合成的一个。以化学合成的一个 突变序列的拷贝代替野生型基因组突变序列的拷贝代替野生型基因组 的序列。的序列。 3. DNA的修复机制的修复机制 M DNA的损伤对细胞可能是致的损伤对细胞可能是致 死的，因此在细胞内存在大量死的，因此在细胞内存在大量

22、 的的DNA修复系统去修复诱变剂修复系统去修复诱变剂 引起的损伤。引起的损伤。 1、光复活、光复活 |在光照下光解酶转变紫外线诱导的在光照下光解酶转变紫外线诱导的 胸腺嘧啶二聚体胸腺嘧啶二聚体返回单聚体。在依返回单聚体。在依 赖于光的修复机制中，光解酶与黄赖于光的修复机制中，光解酶与黄 素腺嘌呤二核苷酸素腺嘌呤二核苷酸(FAD)能切割相邻能切割相邻 嘧啶间的环丁烷环恢复为原来的单嘧啶间的环丁烷环恢复为原来的单 聚体。这是对付紫外线损伤的第聚体。这是对付紫外线损伤的第 一线防御。一线防御。 2、切补修复、切补修复暗修复暗修复 |切补修复常称为切补修复常称为暗修复暗修复。它作为许。它作为许 多不同

23、类型的多不同类型的DNA损伤修复的普遍损伤修复的普遍 系统，如嘧啶二聚体和错误碱基配系统，如嘧啶二聚体和错误碱基配 对引起的对引起的DNA损伤。损伤。 3、重组修复、重组修复(复制后修复复制后修复) |这是一种越过损伤而进行的修复，这是一种越过损伤而进行的修复， 不将损伤碱基除去，通过复制后不将损伤碱基除去，通过复制后 经染色体交换，使子链上的空位经染色体交换，使子链上的空位 不再面对嘧啶二聚体，对着单链，不再面对嘧啶二聚体，对着单链， 由由DNA聚合酶和连接酶对空隙部聚合酶和连接酶对空隙部 分进行修复。分进行修复。 4、SOS修复系统修复系统 细胞中有许多基因和操纵子受细胞中有许多基因和操纵

24、子受 RecA蛋白协同调控和蛋白协同调控和LexA蛋白阻遏蛋白阻遏 转录。它涉及处理转录。它涉及处理DNA损伤和称为损伤和称为 SOS修复系统。修复系统。 &微生物基因的转移和重组微生物基因的转移和重组 一、一、转转 化化 二、转二、转 导导 三、三、F质粒与接合质粒与接合 四、真核生物基因重组四、真核生物基因重组 五、微生物的育种五、微生物的育种 F转转 化（化（Transformation） 1、转化转化 转化是从周围培养基吸收游离的转化是从周围培养基吸收游离的 DNA片段，整合到自己染色体基因片段，整合到自己染色体基因 组的结果。许多细菌如芽孢杆菌属、组的结果。许多细菌如芽孢杆菌属、 链

25、球菌属、奈瑟氏球菌属和嗜血菌链球菌属、奈瑟氏球菌属和嗜血菌 属属(嗜血杆菌属嗜血杆菌属Haemophilus)能够自能够自 然发生转化作用。然发生转化作用。 Transformation Recombination Legitimate, homologous or general recA, recB and recC genes Significance Phase variation in Neiseseria Recombinant DNA technology Steps Uptake of DNA Gram + Gram - 2、感受态、感受态 (compentence) |细胞吸

26、收细胞吸收DNA进行转化的能力进行转化的能力取决取决 于细胞所处的特殊生理状态，即细于细胞所处的特殊生理状态，即细 菌细胞的感受态。菌细胞的感受态。 |感受态与细胞表面存在感受态与细胞表面存在DNA的受体的受体 有关。其它细菌，如大肠杆菌，在有关。其它细菌，如大肠杆菌，在 冷的条件下通过冷的条件下通过化学方法处理化学方法处理，可，可 以诱导建立感受态。以诱导建立感受态。 3、DNA的吸收和命运的吸收和命运 |结合和转移进入受体细胞的结合和转移进入受体细胞的DNA片片 段可以是段可以是特异的序列或者非特异特异的序列或者非特异 的序列的序列，其差异取决于种。在大多，其差异取决于种。在大多 数情况下

27、，数情况下，双链双链DNADNA转变成单链转变成单链DNADNA 进入受体细胞。亦发现流感嗜血菌进入受体细胞。亦发现流感嗜血菌 (流感杆菌或流感嗜血杆菌流感杆菌或流感嗜血杆菌 Haemophilus influenzae)吸收完整的吸收完整的 双链双链DNA。进入的。进入的DNA通过重组整通过重组整 合至受体菌染色体上。合至受体菌染色体上。 Release of phage Phage replication and degradation of host DNA Assembly of phages particles Infection of recipient Legitimate re

28、combination Infection of Donor 2. 局限性转导局限性转导 (Specialized Transduction) |某些某些溶源性噬菌体溶源性噬菌体可可整合至宿主染色体整合至宿主染色体 上。通常当一个噬菌体被诱导后，以非上。通常当一个噬菌体被诱导后，以非 常常精确精确的方式从染色体上切离形成一个的方式从染色体上切离形成一个 完全的噬菌体基因组。极少数的原噬菌完全的噬菌体基因组。极少数的原噬菌 体发生体发生不精确不精确的切离的切离(误切误切)，邻近噬菌邻近噬菌 体位点体位点上的一小段染色体被切离，而一上的一小段染色体被切离，而一 小段噬菌体的小段噬菌体的DNA遗留在

29、染色体上。遗留在染色体上。 |切离的噬菌体可被正常复制、包切离的噬菌体可被正常复制、包 装进噬菌体头部和释放去感染其装进噬菌体头部和释放去感染其 它的细胞。它的细胞。 |含有这段染色体含有这段染色体DNA的噬菌体颗的噬菌体颗 粒感染受体细胞后，整个噬菌体粒感染受体细胞后，整个噬菌体 DNA可可整合在染色体上形成溶源整合在染色体上形成溶源 化化，或通过，或通过重组作用与染色体重组作用与染色体 DNA整合整合。 Excision of the prophage gal bio galbio galbio gal bio bio gal Replication and release of phag

30、e Infection of the recipient Lysogenization of the recipient Legitimate recombination also possible FF质粒与接合质粒与接合 1、接合、接合 (conjugation) 接合是同通过接合是同通过质粒质粒使遗传物质在使遗传物质在 两个细菌细胞间转移的机制。两个细菌细胞间转移的机制。 |一个含有接合质粒一个含有接合质粒(F+，致育性，致育性)的细的细 胞与不含有接合质粒胞与不含有接合质粒(F-)的细胞借助的细胞借助 于细胞表面的性菌毛形成交配个体。于细胞表面的性菌毛形成交配个体。 性菌毛收缩，拉两个

31、细胞接触，从含性菌毛收缩，拉两个细胞接触，从含 有质粒的细胞有质粒的细胞(供体供体)DNA转移到受体。转移到受体。 Electron Micrograph of Escherichia coli with a Conjugation Pilus 2、DNA转移转移 |转移的起始点在质粒转移的起始点在质粒DNADNA一条链的一一条链的一 个缺口位点称作个缺口位点称作oriT上，上，DNADNA以单链以单链 形式转移，通过滚环模型形式复制。形式转移，通过滚环模型形式复制。 完整链作为完整链作为DNADNA合成的模板，而缺口合成的模板，而缺口 链被替代和转移进入受体细胞，一链被替代和转移进入受体细胞，一 旦在受体细胞中与之互补的旦在受体细胞中与之互补的DNADNA链合链合 成，形成新的成，形成新的F F因子。因子。 F+F- F+F- F+F+F+F+ 3、F 因子因子 |F因子从染色体上切离是与整合相因子从染色体上切离是与整合相 反的过程，通常为精确切离，但偶反的过