工业微生物育种的遗传学基础PPT课件

1、何谓遗传学？遗传学是关于遗传物质的生理生化性质、世代传递方式，以及所携带的信息在个体发育中的表达的一门科学。 早期的遗传学研究亲代与子代之间遗传性状的传递，提出了遗传的染色体理论，对基因进行了作图，故名传递遗传学。第1页/共74页微生物遗传学介绍微生物的遗传物质的结构特点、遗传信息的表达与调控、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的基本策略。 涉及部分真核生物，所有的原核生物，以及病毒的遗传；分子遗传学近代遗传学,分子水平上研究基因的构成、复制、表达、突变和修复等。 第2页/共74页微生物是现代遗传学、分子生物学和其它许多重要的生物学基础研究中最热衷微

2、生物是现代遗传学、分子生物学和其它许多重要的生物学基础研究中最热衷选用的选用的模式生物模式生物。研究微生物遗传学的意研究微生物遗传学的意义义 为什么？ 35亿年前单细胞生物 25亿年进化成多细胞生物 10亿年发展成了植物、哺乳动物、昆虫、鸟类等各种各样的地球物种。 第3页/共74页 Rice大学科学家认为生物进化速度的加快是因为细菌和病毒不断在不同物种之间传递DNA的结果。 对微生物遗传规律的深入研究，不仅促进了和的发展，而且为提供了丰富的理论基础，促使育种工作从不自觉到自觉、从低效到高效、从随机到定向、从近缘杂交到远缘杂交的方向发展。第4页/共74页孟德尔的遗传因子阶段孟德尔的遗传因子阶段摩

3、尔根的基因阶段摩尔根的基因阶段三个经典实验证明三个经典实验证明DNADNA是遗传物质是遗传物质现代基因阶段现代基因阶段:Watson:Watson和和CrickCrick提出提出DNADNA双螺旋结构双螺旋结构第5页/共74页染色体原核生物和病毒染色体结构和数目真核生物染色体结构和数目第6页/共74页一、染色体染色体指携带细胞功能所必备的基因的结构（遗传单元）。 病毒是非细胞生物，它们的全套遗传基因称为基因组，但不足以形成染色体。 原核生物染色体常为一个环状DNA分子。 真核生物的细胞有几条至几十条染色体，各含一个线状的DNA分子。 第7页/共74页 染色体的化学成分主要是蛋白质和 DNA，其

4、中 DNA含量稳定，是主要的遗传物质。 由于细胞中的DNA大部分在染色体上，所以说遗传物质的主要载体是染色体。 为什么染色体能在遗传上起作用？第8页/共74页DNA的分布主要在染色体上细胞质内细胞核遗传细胞质遗传生物的遗传（染色体是DNA的主要载体）例：紫茉莉叶色的遗传第9页/共74页根据着丝粒位置进行的染色体分类图示染色体的形态第10页/共74页 后期染色体形态 1V 形染色体 2L 形染色体 3.棒状染色体 4.粒状染色体中期染色体形态1.长臂 2主缢痕 3.着丝粒 4短臂 5次缢痕 6随体第11页/共74页1、着丝粒与动粒（也称着丝点,kenetoche） 着丝粒和动粒（着丝点）是两个不

5、同的概念，前者指中期染色单体相互联系在一起的特殊部位；后者指主缢痕处两个染色单体外侧表层部位的特殊结构，它与仿锤丝微管相接触。 着丝粒含3个结构域，即：动粒结构域、中央结构域、配对结构域。 第12页/共74页2 2、端粒（、端粒（telomeretelomere） 染色体端部的特化部分，作用是维持染色体的完整性和个体性染色体端部的特化部分，作用是维持染色体的完整性和个体性（用（用X X射线将染色射线将染色体打断，不具端粒的染色体末端有粘性，会与其它片段相连或两端相连而成环体打断，不具端粒的染色体末端有粘性，会与其它片段相连或两端相连而成环状）状）。端粒由。端粒由高度重复的短序列高度重复的短序列

6、串联而成，在进化上串联而成，在进化上高度保守高度保守，不同生物的端，不同生物的端粒序列都很相似，哺乳类的序列为粒序列都很相似，哺乳类的序列为TTAGGGTTAGGG，500-3000500-3000次重复。与端粒酶有次重复。与端粒酶有关。关。第13页/共74页第14页/共74页第15页/共74页荧光原位杂交显示端粒和端粒序列不同生物的端粒序列都很相似四膜虫拟南芥第16页/共74页 二、原核生物和病毒染色体结构(a)大肠杆菌细胞大小和染色体DNA长度的比较；(b)细菌细胞中的拟核；(c)大肠杆菌染色体结构电镜图。细胞宽1.11.5 m、长26 m：双链环状DNA分子的长度达1 mm；第17页/共

7、74页形态大小：双链环状DNA，4.6106bp位置：拟核内化学组成：80%DNA、RNA和蛋白质；结构：在染色体的中心有一个由DNA结合蛋白和膜组成的骨架，DNA分子附着在骨架上形成50100个超螺旋的环，每个环中含碱基对约50100 kb. 微量DNA酶类组蛋白：染色体环状DNA功能域进一步与DNA结合蛋白原核生物染色体第18页/共74页病毒没有典型的染色体结构。习惯病毒没有典型的染色体结构。习惯上把病毒含有的上把病毒含有的DNA DNA 或或RNARNA也称为也称为染色体。染色体。DNA:DNA:单链、双链或环状、线状单链、双链或环状、线状RNARNA：线状，单链或双链。：线状，单链或双

8、链。第19页/共74页三、真核生物的染色体结构 染色体主轴两侧有侧环，状如灯刷，故名灯刷染色体。由两条同源染色体组成，在交叉处结合，每条同源染色体含2条染色单体。同时两条染色单体向两边伸出许多侧环，一个平均大小的环约含100 bp DNA。第20页/共74页染色体（染色质）：真核生物体内高度有序的DNA-蛋白质复合体构成。核小体：是染色质基本结构亚基，大约由200bp的DNA和一个组蛋白八聚体组成每条染色体中含有一个线状DNA分子，它以左手螺旋方向围着一个个组蛋白八聚体绕圈1.8周，形成串珠状的核小体，染色质进一步卷曲形成每圈6个核小体、直径30 nm的染色质丝，它折叠成许多超螺旋环附着在中央

9、骨架上。链接区的DNA长度为55bp,不同物种变化范围0-100bp.第21页/共74页第22页/共74页第23页/共74页第24页/共74页4、染色体数目一套基本的染色体数目称为一倍体数(x)。带有多个一倍体染色体数的生物称为整倍体(euploid)。整倍体可分为一倍体、二倍体、多倍体。 如:人的染色体数目为23条，那么二倍体细胞为46条染色体。原核生物大多为单倍体生物。大多数真核生物是二倍体(diploid)。第25页/共74页 少数二倍体生物增加或减少了一条或几条完整的染色体，而不发生整套染色体的增减，称为非整倍体。缺对性个体：缺少一对或某几对染色体；单体性个体：某一对或几对中缺少一条染

10、色体；三体性个体：某一对或几对中增加一条染色体；第26页/共74页第二节第二节 核核 酸酸核酸RNADNA第27页/共74页一、一、 核酸的基本化学组成核酸的基本化学组成核酸核苷酸核苷磷酸碱基戊糖元素组成： C H O N P 核酸完全水解产生嘌呤和嘧啶等碱性物质、戊糖（核糖或脱氧核糖）和磷酸的混合物。核酸部分水解则产生核苷和核苷酸。一、核酸第28页/共74页 组成核酸的戊糖有两种。DNA所含的糖为 -D-2-脱氧核糖；RNA所含的糖则为-D-核糖。1 1、戊糖、戊糖OHHOHHOHOHHHOCH2HOCH2OHHOHHHOHHD-核糖D-2-脱氧核糖第29页/共74页NNNHNNH2l腺嘌呤

11、AdenineNHNNHNONH2l鸟嘌呤guanine第30页/共74页尿嘧啶uracilNHNHOONNHNH2O胞嘧啶cytosineNHNHOO胸腺嘧啶thymine第31页/共74页 核酸中也存在一些不常见的稀有碱基。稀有碱基的种类很多，大部分是上述碱基的甲基化产物。第32页/共74页3、核苷（nucleoside）核苷 戊糖+碱基 糖与碱基之间的C-N键，称为C-N糖苷键(OH)(OH)第33页/共74页胞嘧啶核苷尿嘧啶核苷鸟嘌呤核苷腺嘌呤核苷NNOHHONNNH2HONNOHH2NNNNNNNNH2OHHOHHOHHHOCH2HOCH2OHHOHHOHHOHHOHHOHHHOCH

12、2OHHOHHOHHHOCH2Adenosine Guanosine Cytidine Uridine第34页/共74页4 4、核苷酸（、核苷酸（nucleotidenucleotide）核苷酸核苷酸 戊糖戊糖+ +碱基碱基+ +磷酸磷酸( (5 5端在左边，端在左边，3 3端在右边端在右边）HHHHHHH H H磷酸酯键三个两个第35页/共74页二、RNA的结构与功能（一）、结构特点1. 碱基组成 A、G、C、U （AU/GC） 稀有碱基较多，稳定性较差，易水解2. 多为单链结构，少数局部形成螺旋3. 分子较小（二）分类lmRNAltRNA lrRNA 第36页/共74页1.rRNA1.rR

13、NA 与蛋白质一起构成核糖体与蛋白质一起构成核糖体蛋白质合成蛋白质合成“工厂工厂”核糖体的基本功能核糖体的基本功能结合结合mRNAmRNA，在，在mRNAmRNA上选择适当的上选择适当的区域开始翻译区域开始翻译密码子（密码子（mRNAmRNA）和反密码子（）和反密码子（tRNAtRNA）的正确配对的正确配对肽键的形成肽键的形成存在：存在：核糖体可游离存在，真核中也可同内质网结合，形成粗糙的内质网。原核核糖体可游离存在，真核中也可同内质网结合，形成粗糙的内质网。原核中与中与mRNAmRNA形成串状形成串状多核糖体多核糖体第37页/共74页原核生物核糖体组成真核生物核糖体组成核糖体结构组成第38页

14、/共74页2、tRNA占RNA总量的15l分子量25000左右，大约由7090个核苷酸组成，沉降系数为4S左右。l一种氨基酸有几种tRNA携带。结合需要ATP供能,氨基酸结合在tRNA3-CCA的位置。l每种tRNA的反密码子，决定了所带氨基酸能准确的在mRNA上对号入座 。第39页/共74页3. mRNA携带着携带着DNADNA的遗传信息，的遗传信息，是多肽链的合成模板，是多肽链的合成模板，在在原核原核细胞内，存在时间细胞内，存在时间短，在转录的同时翻译；短，在转录的同时翻译；在在真核真核细胞内，较稳定。细胞内，较稳定。蛋白质合成时蛋白质合成时，mRNAmRNA结结合于核糖体合于核糖体小亚基

15、小亚基上，大上，大亚亚 基结合带基结合带氨基酸的氨基酸的tRNAtRNA，tRNAtRNA的反密码子的反密码子与与mRNAmRNA密码子配对，密码子配对，ATPATP供能，合成蛋白质供能，合成蛋白质。第40页/共74页经典试验1. 肺炎链球菌的转化试验经典试验2. 噬菌体感染实验经典试验3.病毒重建实验三、DNA（一） DNA是遗传物质的证据第41页/共74页结论1.细胞生物的遗传物质是双链DNA2.病毒的遗传物质可以是单链的或双 链的DNA或RNA， 即：ssDNA，dsDNA，ssRNA或dsRNA。第42页/共74页（二）（二） DNADNA的结构的结构一级结构一级结构第43页/共74页

16、第44页/共74页2、DNA的二级结构DNA的双螺旋模型 两条核苷酸链反向平行盘绕形成的双螺旋结构。分 两类：右手螺旋（A、B、C型）；局部左手（Z型，高盐溶液中，集中在调控区。参与基因表达）。第45页/共74页3 3、DNADNA的三级结构的三级结构 DNA双螺旋进一步扭曲构成三级结构，负超螺旋 原核 双链环状DNA（dcDNA） 病毒 单链环状DNA（scDNA） 单链线性DNA（ssDNA） 第46页/共74页真核 双链线性DNA（dsDNA）第47页/共74页第48页/共74页第三节第三节 基因的组织与结构基因的组织与结构一、基因 (gene) 合成有功能的蛋白质多肽链或RNA所必需的

17、全部核苷酸序列。 一般是DNA序列（或病毒中的RNA）。 基因家族分为两种：操纵子和多基因家族。第49页/共74页1、原核细胞的基因结构、原核细胞的基因结构编码区（编码序列）：能指导有关蛋白质的合成，即能够编码蛋白质 非编码区（调控序列）：位于编码区上游和编码区下游的DNA序列，虽不能指导有关蛋白质的合成，但有调控遗传信息表达的核苷酸序列，如启动子、终止子 第50页/共74页 RNA聚合酶的作用是催化DNA转录为RNA。它能够识别调控序列中的结合位点，并与其结合。转录开始后，RNA聚合酶沿DNA分子移动，并与DNA分子的一条链为模板合成RNA。第51页/共74页2、真核细胞的基因结构、真核细胞

18、的基因结构特点 编码区是间隔的、不连续的。 能够编码蛋白质的序列叫做外显子; 一般不能够编码蛋白质的序列叫做内含子。第52页/共74页2、真核细胞的基因结构、真核细胞的基因结构真核细胞基因编码区（间隔、不连续）外显子内含子非编码区：与原核生物具有相似功能的启动子、终止子第53页/共74页启动子与终止子启动子与终止子 启动子是在非编码区内紧靠转录起点，调控遗传信息表达的脱氧核苷酸序列，它能引导RNA聚合酶与正确的基因部位结合，使转录从起点开始，沿编码区进行。 终止子是在非编码区内紧靠转录终点，调控遗传信息表达的脱氧核苷酸序列，它能阻碍RNA聚合酶的移动，并使其从DNA模板链上脱离下来，使转录终止

19、。第54页/共74页3.基因的长度基因的长度 酵母的基因断裂很少，外显子很少，基因平均长1.4kb； 昆虫基因的外显子也比较少，一般不超过10个，5-100kb； 哺乳动物外显子较多，有的有几十个,人27kb。第55页/共74页4、拟基因和转座因子、拟基因和转座因子拟基因：某些基因因DNA序列发生变化，虽然在序列上与活性基因相似，但不具有功能，不编码蛋白质。转座子：基因组内可移动的DNA片段，它能把自身（或自身的拷贝）插入基因组的新座位特点：能够在同一细胞的不同染色体的不同位点之间转移，而同靶座位的序列没有任何关系。第56页/共74页转座会引起多种遗传效应。编码转座酶，促进转座。转座基因包括：

20、插入序列、转座子、转座噬菌体。高等真核生物基因组中，转座子超过基因组的50%。第57页/共74页二、基因组二、基因组(genome)(genome) 是指一种生物体中的整套遗传信息，一般为一个受精卵或一个体细胞的细胞核中所有DNA分子的总和。 特定生物体的整套(单倍体)遗传物质的总和。 基因组的大小用全部DNA的碱基对总数表示。 每种真核生物的单倍体基因组中的全部DNA量称为C值 (C-Value)。第58页/共74页人的23对染色体第59页/共74页C值 (C-Value)第60页/共74页（一）细菌基因组的特点 细菌染色体基因组：通常仅由一条环状双链DNA分子组成 1细菌DNA大部分为编码

21、序列。 2结构基因中没有内含子，也无重复现象。 3具有操纵子结构。 质粒：某些细菌中独立于染色体外的能自主复制的共价环状双链DNA。第61页/共74页1、特点： 1）体细胞内的基因组为二倍体。 2）远大于原核生物基因组，具有多复制起点。 3）基因组中不编码的区域多于编码区域。 4） 基因是不连续的（断裂基因断裂基因）。 5） 基因转录产物为单顺反子。一个结构基因经过转录和翻译生成一个mRNA分子和一条多肽链。6） 单一序列为主，存在大量重复序列。(二)真核生物基因组第62页/共74页2、真核基因组中DNA序列的分类 1)单拷贝序列 只有1个拷贝，包括大多数编码蛋白质的结构基因和基因间间隔序列。

22、2)中度重复序列(重复次数： 1O 几百)3) 高度重复序列(重复次数：1O6)第63页/共74页1)高度重复序列（重复次数lO6） 约占10-60，在人基因组中约占20 u卫星DNA (Satellite DNA) ：有些A:T含量很高的简单重复序列，因A:T浮力较小，在DNA被切断后，在主要的DNA带上面有一个次要的带，这就是卫星DNAu微卫星DNA：长度在100-20000bp,每个重复小于4bp.常见于基因的调控区和特异蛋白结合区。 第64页/共74页 2)2)中度重复序列中度重复序列中度重复序列的特点中度重复序列的特点 重复单位序列相似，但不完全一样，分布于基因组中重复单位序列相似，但不完全一样，分布于基因组中 序列的长度和拷贝数非常不均一，序列的长度和拷贝数非常不均一， 中度重复序列一般具有中度重复序列一般具有种属特异性，可作为种属特异性，可作为DNADNA标记标记 中度重复序列可能是转座元件。中度重复序列可能是转座元件。 第65页/共74页（三）基因组大小（三）基因组大小 细菌基因组：约2106bp； 单细胞真核生物（酵母）1.3107bp 黏菌3107bp； 小杆线虫8106bp。第66页/共74页四、遗传密码四、遗传密码为一个氨基酸编码进入蛋白质多肽链特定线性位置的三个核苷酸单位称为为一个氨基酸编码进入蛋白质多肽链特定线性位置的三个核苷酸单位