王莹微生物遗传与变异(1)汇总

1、微生物遗传与变异微生物遗传与变异生命科学与技术学院微生物教研室生命科学与技术学院微生物教研室王莹王莹 种瓜得瓜，种豆得豆。种瓜得瓜，种豆得豆。n遗传性（遗传性（heredity）：指生物的亲代特性在子代中重）：指生物的亲代特性在子代中重现的现象。现的现象。遗传和变异是生命的本质特性之一。遗传和变异是生命的本质特性之一。n变异性（变异性（variation）：亲代与子代之间、子代不同个）：亲代与子代之间、子代不同个体之间生物学特性的差异性。体之间生物学特性的差异性。一母生九子，九子各不同。一母生九子，九子各不同。n基因型（基因型（genotype）：生物的全部遗传因子或基因。）：生物的全部遗传因

2、子或基因。n表型（表型（phenotype）：具有一定基因型的个体，在特）：具有一定基因型的个体，在特定环境条件下通过生长发育所表现出来的形态等生物定环境条件下通过生长发育所表现出来的形态等生物学特征的总和。学特征的总和。n（基因）突变（基因）突变（mutation）：指遗传物质（）：指遗传物质（DNA或或RNA）中的核苷酸序列发生了稳定的可遗传的变化，）中的核苷酸序列发生了稳定的可遗传的变化，从而导致了生物性状的改变。从而导致了生物性状的改变。n表型饰变（表型饰变（modification）：是指微生物在生活条件）：是指微生物在生活条件发生改变时，发生暂时的形态、生理等特性的改变。发生改变时

3、，发生暂时的形态、生理等特性的改变。橘生于淮南为橘，生于淮北则为枳。橘生于淮南为橘，生于淮北则为枳。微生物是现代遗传学研究最重要的实验对象微生物是现代遗传学研究最重要的实验对象n1. 微生物细胞结构简单，营养体一般为单倍体，方便微生物细胞结构简单，营养体一般为单倍体，方便建立纯系。建立纯系。n2. 很多常见微生物都易于人工培养，快速、大量生长很多常见微生物都易于人工培养，快速、大量生长繁殖。繁殖。n3. 对环境因素的作用敏感，易于获得各类突变株，操对环境因素的作用敏感，易于获得各类突变株，操作性强。作性强。没有微生物遗传学的发展就没有现代分子生物学！没有微生物遗传学的发展就没有现代分子生物学！

4、第一节第一节 遗传变异的物质基础遗传变异的物质基础q三个经典实验三个经典实验 转化实验转化实验 T2噬菌体感染实验噬菌体感染实验 噬菌体重建实验噬菌体重建实验一、证明核酸是遗传变异物质基础的经典实验一、证明核酸是遗传变异物质基础的经典实验（一）转化实验（一）转化实验（transformation）n1928年，年，F.Griffith首先发现转化现象。首先发现转化现象。n1944年，年，O. Avery等人在离体条件下重复了这一实验。等人在离体条件下重复了这一实验。O. Avery, 18771955肺炎双球菌转化实验肺炎双球菌转化实验肺炎链球菌肺炎链球菌uR R型型uS S型型肺炎双球菌转化

5、实验肺炎双球菌转化实验分析：分析：S S型细菌的型细菌的DNADNA能将肺炎链球菌的能将肺炎链球菌的R R型转型转化为化为S S型。而型。而DNADNA纯度越高，转化效率也越高，纯度越高，转化效率也越高，只取纯只取纯DNADNA的的610610-8-8的量时，仍有转化能力。的量时，仍有转化能力。这说明，这说明，S S型菌株转移给型菌株转移给R R型菌株的是以型菌株的是以DNADNA为基础的遗传因子。为基础的遗传因子。(二二) T2噬菌体感染实验噬菌体感染实验结果说明：只结果说明：只有有DNA才具有才具有T2噬菌体的全噬菌体的全部遗传信息，部遗传信息，是噬菌体的遗是噬菌体的遗传物质。当噬传物质。

6、当噬菌体菌体DNA进入进入宿主细胞后，宿主细胞后，宿主细胞就按宿主细胞就按噬菌体噬菌体DNA提提供的遗传信息，供的遗传信息，在体内合成属在体内合成属于噬菌体的于噬菌体的DNA和外壳蛋和外壳蛋白，并装配成白，并装配成完整的噬菌体。完整的噬菌体。 分别提取获得烟草花叶病毒（分别提取获得烟草花叶病毒（TMVTMV）及）及霍氏车前草花叶病毒（霍氏车前草花叶病毒（HRVHRV）蛋白质外）蛋白质外壳和核酸（壳和核酸（RNARNA）。）。抗血清处理证明杂合病毒的蛋抗血清处理证明杂合病毒的蛋白质外壳来自白质外壳来自TMVTMV，而非，而非HRVHRV杂合病毒的后代的蛋白质外壳表杂合病毒的后代的蛋白质外壳表现为

7、现为HRVHRV，而非，而非TMVTMV。遗传物质是核酸而非蛋白质遗传物质是核酸而非蛋白质植物病毒重建实验植物病毒重建实验（19561956年，年，fraenkel-Conratfraenkel-Conrat）DNA主要的遗传物质主要的遗传物质综上所述综上所述注：注：DNA不是唯一的遗传物质，不是唯一的遗传物质，较少的微生物也靠较少的微生物也靠RNA进行遗进行遗传。传。（一）核物质（一）核物质染色体染色体n染色体（染色体（chromosomechromosome）：）：遗传物质的载体，在细胞分裂遗传物质的载体，在细胞分裂期的存在形式，细胞分裂间期表现为染色质期的存在形式，细胞分裂间期表现为染色

8、质（chromatinchromatin）。）。n基因组（基因组（genomegenome）：）：一个物种的单倍体的所有染色体及一个物种的单倍体的所有染色体及其所包含的遗传信息的总称。其所包含的遗传信息的总称。n原核生物染色体：原核生物染色体：一般不具备染色体的真正形态，为叙一般不具备染色体的真正形态，为叙述方便（和真核细胞比较），故名。多为单倍体。述方便（和真核细胞比较），故名。多为单倍体。n真核微生物染色体：真核微生物染色体：多条染色体，例如啤酒酵母有多条染色体，例如啤酒酵母有1616条条染色体。有时为双倍体。染色体。有时为双倍体。二、遗传物质在微生物中的存在形式二、遗传物质在微生物中的存

9、在形式1. 原核生物（细菌、古生菌）的遗传物质原核生物（细菌、古生菌）的遗传物质1. 原核生物（细菌、古生菌）的遗传物质原核生物（细菌、古生菌）的遗传物质染色体为双链环状的染色体为双链环状的DNA分子（单倍体）；分子（单倍体）； 基因数基本接近由它的基因组大小所估计的基因数，基因数基本接近由它的基因组大小所估计的基因数，如大肠杆菌如大肠杆菌DNA长约长约4.1106 bp，长约，长约1100 微米，含有微米，含有5000多个基因。多个基因。基因组上遗传信息具有连续性；基因组上遗传信息具有连续性； 一般不含内含子（一般不含内含子（intron），遗传信息是连续的而不），遗传信息是连续的而不是中断

10、的。是中断的。功能相关的结构基因组成操纵子结构。功能相关的结构基因组成操纵子结构。微生物基因组微生物基因组DNA绝大部分用来编码蛋白质、绝大部分用来编码蛋白质、RNA；用作为复制起点、启动子、终止子和一些由调节蛋白用作为复制起点、启动子、终止子和一些由调节蛋白识别和结合的位点等信号序列。识别和结合的位点等信号序列。结构基因的单拷贝及结构基因的单拷贝及rRNA基因的多拷贝；基因的多拷贝；基因组的重复序列少而短。基因组的重复序列少而短。古生菌的基因组在结构上类似于细菌。但是信息传递系古生菌的基因组在结构上类似于细菌。但是信息传递系统（复制、转录和翻译）则与细菌不同而类似于真核统（复制、转录和翻译）

11、则与细菌不同而类似于真核生物生物2. 真核微生物（如啤酒酵母）的染色体真核微生物（如啤酒酵母）的染色体特点特点典型的真核染色体结构；典型的真核染色体结构；基因组没有明显的操纵子结构；基因组没有明显的操纵子结构； 啤酒酵母基因组大小为啤酒酵母基因组大小为13.5106bp，分布在，分布在16 条染色体中。条染色体中。基因有间隔区（即非编码区）和内含子序列；基因有间隔区（即非编码区）和内含子序列； DNA重复序列多。重复序列多。2. 真核微生物（如啤酒酵母）的染色体真核微生物（如啤酒酵母）的染色体构成方式：构成方式： 真核染色体的基本结构是真核染色体的基本结构是核小体核小体；核小体排列成串珠状染色

12、质纤丝（核小体排列成串珠状染色质纤丝（10nm）；）； 核小体是由约核小体是由约200bp DNA（2nm）和）和5种组蛋白构成种组蛋白构成的。的。染色质纤丝在形成染色质纤丝在形成30nm的螺线管（的螺线管（solennoid）；）；螺线管组成伸展的大环状结构（螺线管组成伸展的大环状结构（300nm）；）；大环状结构构成复杂的染色质形态。大环状结构构成复杂的染色质形态。从核小体到染色体从核小体到染色体DNA被压缩了将近被压缩了将近30万倍。万倍。真核生物细胞中的DNA中只有不到5的DNA用于所需蛋白质的基因表达，其余的DNA起“结构”作用或“调节”作用。DNA被紧密地包装在多条染色体中，每条染

13、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，形成串珠状的染色质，被串在一起的小颗粒称为核小体，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骨架上。真核生物的染色体结构真核生物的染色体结构 From BIOLOGY by Jack C Carey et al., eds（二）核外物质（二）核外物质质粒质粒cccDNAcccDNAocDNAocDNAL DNAL DNA1. 质粒的基本特性质粒的基本特性（2）能自主复制，一般采用滚环复制方式；）能自主复制，一般采用滚环复制方式；根据拷贝数的多少将质粒分为严紧型质粒

14、根据拷贝数的多少将质粒分为严紧型质粒（stringent plasmid）和松弛型质粒（）和松弛型质粒（relaxed plasmid）（3）不相容和相容性；）不相容和相容性；两种不同类型的质粒若能稳定地共存于一个宿主两种不同类型的质粒若能稳定地共存于一个宿主细胞内，这种现象称为质粒的相容性。细胞内，这种现象称为质粒的相容性。（4）质粒携带的基因非细胞生存所必需；）质粒携带的基因非细胞生存所必需；在某些特殊条件下，质粒有时能赋予宿主细胞以在某些特殊条件下，质粒有时能赋予宿主细胞以特殊的机能，从而使宿主得到生长优势。特殊的机能，从而使宿主得到生长优势。（5）可自发消除（）可自发消除（curing

15、）；）；质粒能自从宿主细胞自发消除。某些理化因素，质粒能自从宿主细胞自发消除。某些理化因素，如高温、紫外线及吖啶类物质，可大大提高质粒的消如高温、紫外线及吖啶类物质，可大大提高质粒的消除频率。除频率。（6）质粒可以从一个细菌转移到另一个细菌。）质粒可以从一个细菌转移到另一个细菌。根据其转移方式，一般把质粒分为根据其转移方式，一般把质粒分为2类：一类是类：一类是接合型质粒接合型质粒（conjugative），可通过两个菌细胞的），可通过两个菌细胞的直接接合而主动转移如直接接合而主动转移如F因子。另一类是因子。另一类是非接合型质非接合型质粒粒（nonconjugative），必须通过噬菌体转导才能

16、），必须通过噬菌体转导才能转移质粒转移质粒DNA，如青霉素酶质粒。，如青霉素酶质粒。2. 医药方面的重要质粒医药方面的重要质粒（1）致育因子（）致育因子（Fertility factor，F因子）因子）又称又称F质粒，其大小约质粒，其大小约94.5kb，这是最早发现的，这是最早发现的一种与大肠杆菌的有性生殖现象（接合作用）有关的一种与大肠杆菌的有性生殖现象（接合作用）有关的质粒。质粒。F因子能以游离状态（因子能以游离状态（F）和以与染色体相结合）和以与染色体相结合的状态（的状态（Hfr）存在于细胞中，所以又称之为附加体）存在于细胞中，所以又称之为附加体（episome）。）。携带携带F质粒的菌

17、株称为质粒的菌株称为F菌株菌株（相当于雄性），（相当于雄性），无无F质粒的菌株称为质粒的菌株称为F菌株菌株（相当于雌性）。（相当于雌性）。2. 医药方面的重要质粒医药方面的重要质粒（2）抗性因子（）抗性因子（Resistance factor，R因子）因子）抗性质粒在细菌间的传递是细菌产生抗药性的重要原抗性质粒在细菌间的传递是细菌产生抗药性的重要原因之一。因之一。 R100质粒可使宿主对下列药物及重金属具有抗性：质粒可使宿主对下列药物及重金属具有抗性：汞（汞（mercuric ion, mer）四环素（四环素（tetracycline, tet）链霉素（链霉素（Streptomycin, St

18、r）磺胺（磺胺（Sulfonamide, Su）氯霉素（氯霉素（Chlorampenicol, Cm）2. 医药方面的重要质粒医药方面的重要质粒（三）转座因子（三）转座因子 （transposable element）转座因子：又称跳跃基因（转座因子：又称跳跃基因（jumping gene）,是是位于染色体或质粒上的一段能改变自身位置的位于染色体或质粒上的一段能改变自身位置的DNA序序列，该过程即转座（列，该过程即转座（transposition）。）。转座因子由转座因子由Barbara MiClintock 1957在玉米中发现，在玉米中发现，1983年因此年因此获得获得Nobel奖。奖。1

19、. 原核生物的转座因子原核生物的转座因子（1）插入序列（）插入序列（insertion sequence，IS）最简单的转座单位最简单的转座单位，大小，大小7501600bp左左右，只含编码转座必需的转座酶基因，分布于右，只含编码转座必需的转座酶基因，分布于细菌的染色体细菌的染色体DNA、质粒及噬菌体、质粒及噬菌体DNA上。上。1. 原核生物的转座因子原核生物的转座因子（2）转座子（）转座子（transposon，Tn） 比比IS大，其末端其实往往是两个大，其末端其实往往是两个IS。携带。携带有特定的基因如抗生素抗性基因、重金属抗性有特定的基因如抗生素抗性基因、重金属抗性基因或者其它基因。基因

20、或者其它基因。（3）转座噬菌体（）转座噬菌体（transposonalphage）以大肠杆菌为宿主的温和性噬菌体，其基以大肠杆菌为宿主的温和性噬菌体，其基因组上含有噬菌体生长必需的基因和转座必需因组上含有噬菌体生长必需的基因和转座必需的基因，全长约的基因，全长约39kb。n2. 转座的遗传学效应转座的遗传学效应n引起插入突变；引起插入突变；n插入位置上出现新的基因；插入位置上出现新的基因；n少数核苷酸对的重复；少数核苷酸对的重复；n转座因子的切离（转座因子的切离（excision），造成回复），造成回复突变。突变。n染色体畸变；染色体畸变；三、微生物遗传物质的复制三、微生物遗传物质的复制 原核

21、生物染色体的复制原核生物染色体的复制原核微生物只有一个复制子（原核微生物只有一个复制子（replicon），），采用半保留的方式进行复制，因为复制的中间产采用半保留的方式进行复制，因为复制的中间产物类似希腊字母物类似希腊字母，故名，故名复制。复制。2. 真核生物染色体的复制真核生物染色体的复制真核微生物有多个复制子，以半保留的方式真核微生物有多个复制子，以半保留的方式同时进行复制，复制的中间产物是多个复制叉同时进行复制，复制的中间产物是多个复制叉（replication fork）。）。3、病毒基因组的复制、病毒基因组的复制病毒的复制方式多种多样，除了病毒的复制方式多种多样，除了复制，还复制，

22、还有滚环复制（有滚环复制（rolling cycle，复制）等方复制）等方式。式。第二节基因突变第二节基因突变一、基因和性状一、基因和性状基因是合成有功能的蛋白质多肽链或基因是合成有功能的蛋白质多肽链或RNA所必需的全所必需的全部核苷酸序列。部核苷酸序列。（一）基因的概念和基因符号（一）基因的概念和基因符号基因符号常以该基因功能特性的英文词的前基因符号常以该基因功能特性的英文词的前3个字个字母表示（小写），一般用斜体，该基因的功能特性在右母表示（小写），一般用斜体，该基因的功能特性在右上角以上角以/、r / s表示。表示。如：组氨酸基因用如：组氨酸基因用his（histidine的前的前3个字

23、母）表示，个字母）表示，his表表示组氨酸缺陷型。链霉素（示组氨酸缺陷型。链霉素（streptomycin）有抗药性或敏感性分）有抗药性或敏感性分别写作别写作strr或或strs。（二）性状和表型、基因组和基因型（二）性状和表型、基因组和基因型性状性状是构成生物个体所有方面的特征的总称，侧是构成生物个体所有方面的特征的总称，侧重重“全部全部”。表型表型是指生物的某个基因在特定条件下表现出的是指生物的某个基因在特定条件下表现出的特性，侧重特性，侧重“单个单个”。基因组基因组是生物单倍体细胞所有基因的总称。侧重是生物单倍体细胞所有基因的总称。侧重“全部碱基对序列的组成全部碱基对序列的组成”；基因型

24、基因型是生物基因体现的功能、特性。侧重是生物基因体现的功能、特性。侧重“某某个基因个基因”。基本概念：基本概念：生物体遗传物质的核苷酸序列发生了稳定生物体遗传物质的核苷酸序列发生了稳定的可遗传的变化。的可遗传的变化。突变（突变（mutation）、点突变（）、点突变（point mutation ）（一对或几对置换、缺失或插入）（一对或几对置换、缺失或插入）；自发突变（自发突变（spontaneous mutation ）、）、诱变（诱变（induced mutation ）；）；突变率（突变率（mutation rate）；）；正向突变（正向突变（mutation）、）、回复突变（回复突变（

25、back mutation ）；）；野生型（野生型（wild type）、原养型（）、原养型（prototroph）；）；突变株（突变株（mutant ）、回复突变株（）、回复突变株（reverant）。）。二、基因突变二、基因突变表型饰变表型饰变环境的改变，导致表型的差异。环境的改变，导致表型的差异。特点特点：暂时性、不可遗传性、表现为全部个体的行为。：暂时性、不可遗传性、表现为全部个体的行为。橘生淮南则为橘，生于淮北则为枳。橘生淮南则为橘，生于淮北则为枳。基因突变基因突变遗传物质的改变，导致表型的改变遗传物质的改变，导致表型的改变特点特点：遗传性、群体中极少数个体的行为。自发：遗传性、群体

26、中极少数个体的行为。自发突变频率通常为突变频率通常为106109。内因是决定因素，外因是条件。内因是决定因素，外因是条件。1. 自发性和不对应性；自发性和不对应性；2. 稀有性：稀有性：环境因素的影响，环境因素的影响，DNA复制过程的偶然错复制过程的偶然错误等而导致，一般频率较低，通常为误等而导致，一般频率较低，通常为10-6 10-9 ；3. 诱发性：诱发性：某些物理、化学因素对生物体的某些物理、化学因素对生物体的DNA进行进行直接作用，突变以较高的频率产生；直接作用，突变以较高的频率产生；4. 独立性：独立性：某个基因的突变是一独立事件，对其他基某个基因的突变是一独立事件，对其他基因的突变

27、几率没有影响；因的突变几率没有影响；5. 稳定性和可遗传性；稳定性和可遗传性；6. 回复性。回复性。（一）基因突变的规律（一）基因突变的规律（二）突变自发性的实验证明（二）突变自发性的实验证明三个经典实验三个经典实验1. 变量实验变量实验（fluctuation analysis）（细菌遗传）（细菌遗传学的诞生）学的诞生）Salvador Luria& Max Delbrck（1943）2. 涂布实验涂布实验（NewcombeExperiment）Newcombe （1949）3. 影印平板实验影印平板实验（replica plating）Joshua Lederberg& Esther Le

28、derberg（1952）变量实验（变量实验（fluctuation analysis）Salvador Luria & Max Delbrck（1943）噬菌体噬菌体T1在这里仅起着淘汰原始在这里仅起着淘汰原始的未突变菌株和甄别抗噬菌体突的未突变菌株和甄别抗噬菌体突变型的作用。变型的作用。变量试验变量试验(fluctuation test)(fluctuation test) l实验要点实验要点u用用E.coli E.coli T1T1噬菌体设计了试验噬菌体设计了试验l实验结果实验结果u来自甲管的来自甲管的5050皿中皿中, ,各皿间抗性菌落数相差极大各皿间抗性菌落数相差极大u而来自乙管的则

29、各皿数目基本相同而来自乙管的则各皿数目基本相同l实验说明实验说明uE.coliE.coli 抗噬菌体性状的产生，并非由噬菌体抗噬菌体性状的产生，并非由噬菌体T1T1诱导诱导出来的，而是在它接触出来的，而是在它接触T1T1前，在某次分裂过程中自前，在某次分裂过程中自发产生的发产生的. .涂布试验（涂布试验（Newcombe experiment)Newcombe experiment) l实验要点实验要点u噬菌体对固体平板上的噬菌体对固体平板上的E.coli E.coli 的影响的影响l实验结果实验结果u组共有抗性菌落组共有抗性菌落2828个个uB B组共有抗性菌落组共有抗性菌落353353个个

30、l实验说明实验说明u突变与噬菌体无关突变与噬菌体无关u涂布使抗性菌株均匀分布涂布使抗性菌株均匀分布u抗性突变可在任何时间发生抗性突变可在任何时间发生影印实验（影印实验（replica plating)replica plating) l实验要点实验要点u使在一系列培养皿的相同位置上能出现相同菌使在一系列培养皿的相同位置上能出现相同菌落的一种接种培养方法落的一种接种培养方法l实验结果实验结果u可在根本未接触链霉素的情况下可在根本未接触链霉素的情况下, ,筛选出大量的筛选出大量的抗链霉素的菌株抗链霉素的菌株l实验说明实验说明u微生物的抗药性突变是自发产生微生物的抗药性突变是自发产生, ,与相应的环

31、境与相应的环境因素毫不相关因素毫不相关 （三）基因突变的类型（三）基因突变的类型突变的类型很多，从实用的目的出发，突变的类型很多，从实用的目的出发，按突变后极少数突变株的按突变后极少数突变株的表型是否能在选择表型是否能在选择性培养基上加以鉴别性培养基上加以鉴别来区分。来区分。选择性突变株选择性突变株（selective mutant）：具有选）：具有选择标记（如营养缺陷性、抗性突变型、条件致死突择标记（如营养缺陷性、抗性突变型、条件致死突变型），只要选择适当的环境条件，如培养基、温变型），只要选择适当的环境条件，如培养基、温度、度、pH值等，就比较容易检出和分离到。值等，就比较容易检出和分离到

32、。非选择性突变株非选择性突变株（non-selective mutant）：）：无选择标记（如产量突变型、抗原突变型、形态突无选择标记（如产量突变型、抗原突变型、形态突变型），能鉴别这种突变体的唯一方法是检查大量变型），能鉴别这种突变体的唯一方法是检查大量菌落并找出差异。菌落并找出差异。（三）基因突变的类型（三）基因突变的类型 营养缺陷型（营养缺陷型（auxotroph）微生物经突变后，失去对某种生长因子（包括氨微生物经突变后，失去对某种生长因子（包括氨基酸、维生素、碱基等）的合成能力，只有从周围环基酸、维生素、碱基等）的合成能力，只有从周围环境或培养基中获得这些营养或其前体物（境或培养基中获

33、得这些营养或其前体物（precursor）才能生长。才能生长。营养缺陷型是微生物遗传学研究中重要的选择标营养缺陷型是微生物遗传学研究中重要的选择标记和育种的重要手段。记和育种的重要手段。判断的标准判断的标准 在基本培养基（在基本培养基（minimal medium，MM）上不能生长，在完全培养基（上不能生长，在完全培养基（complete medium，CM）上能够生长。）上能够生长。（三）基因突变的类型（三）基因突变的类型营养缺陷型（营养缺陷型（auxotrophauxotroph）影印平板法是影印平板法是LederbergLederberg夫妇在夫妇在19521952年建立，常用于营养缺陷

34、年建立，常用于营养缺陷型的鉴别、分离。型的鉴别、分离。生物化学统一性法则生物化学统一性法则人和细菌在人和细菌在DNA的结构及特性方面是一致的，能使微生物的结构及特性方面是一致的，能使微生物发生突变的诱变剂必然也会作用于人的发生突变的诱变剂必然也会作用于人的DNA，使其发生突，使其发生突变，最后造成癌变或其他不良的后果。变，最后造成癌变或其他不良的后果。化学药剂对细菌的诱变率与其对动物的致癌性成正比。超化学药剂对细菌的诱变率与其对动物的致癌性成正比。超过过95的致癌物质对微生物有诱变作用的致癌物质对微生物有诱变作用 ，90以上的非致以上的非致癌物质对微生物没有诱变作用。癌物质对微生物没有诱变作用

35、。诱变剂的共性原则诱变剂的共性原则突变株的应用突变株的应用AmesAmes试验试验美国加利福尼亚大学的美国加利福尼亚大学的Bruce AmesBruce Ames教授于教授于19661966年发明，因年发明，因此称为此称为AmesAmes试验。试验。具体方法：具体方法：检测鼠伤寒沙门氏菌（检测鼠伤寒沙门氏菌（Salmonella typhmuriumSalmonella typhmurium）组氨酸营）组氨酸营养缺陷型菌株（养缺陷型菌株（hishis- -）的）的回复突变率回复突变率。 作为菌株的遗传标记：进行基因工程、诱作为菌株的遗传标记：进行基因工程、诱变育种、研究代谢过程时用作亲本标记；

36、变育种、研究代谢过程时用作亲本标记；作为生产菌种：作为生产菌种：aa、核苷酸等生产菌种；、核苷酸等生产菌种；作为作为aa、维生素、碱基的测定菌株。、维生素、碱基的测定菌株。营养缺陷型的其他应用营养缺陷型的其他应用证明证明AmesAmes试验重要性的应用实例：试验重要性的应用实例： 国外曾开发了一种降低妇女妊国外曾开发了一种降低妇女妊娠反应的药物娠反应的药物“反应停反应停”，在，在60-60-7070年代十分流行。年代十分流行。 但随后人们就发现畸形儿的出但随后人们就发现畸形儿的出生率明显增高，采用生率明显增高，采用AmesAmes试验发现试验发现这种物质具有很强的致突变作用，这种物质具有很强的

37、致突变作用，因此这种药物被禁止使用。因此这种药物被禁止使用。 如果能在药物上市之前就进行如果能在药物上市之前就进行AmesAmes试验检测，那么这种大量出生试验检测，那么这种大量出生畸形儿的悲剧完全可以避免。畸形儿的悲剧完全可以避免。 药品开发过程中，必须有三致药品开发过程中，必须有三致实验的数据，才能够获得批准。实验的数据，才能够获得批准。http:/ 正选择标记。突变株可直接从抗性平板正选择标记。突变株可直接从抗性平板上获得上获得在加有相应抗生素的平板上，只有抗性在加有相应抗生素的平板上，只有抗性突变能生长，所以很容易分离得到。突变能生长，所以很容易分离得到。表示方法表示方法 所抗药物的前

38、三个小写斜体英文字母所抗药物的前三个小写斜体英文字母加上加上“r”表示表示strr 和和strs分别表示对链霉素的抗性分别表示对链霉素的抗性和敏感性。和敏感性。2. 抗性突变型（抗性突变型（resistant mutant）在某一条件下具有致死效应，而在另一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。条件下没有致死效应的突变型。常用的条件致死突变是温度敏感突变常用的条件致死突变是温度敏感突变（temperature sensitive，Ts），这类突），这类突变在高温下（如变在高温下（如42）是致死的，但可以）是致死的，但可以在低温（如在低温（如2530）下得到这种突变。）下

39、得到这种突变。特点特点 负选择标记。这类突变型常被用来负选择标记。这类突变型常被用来分离生长繁殖必需的突变基因。分离生长繁殖必需的突变基因。3. 条件致死突变型（条件致死突变型（conditional lethal mutant）造成形态（个体、菌落形态）改变的突造成形态（个体、菌落形态）改变的突变型。变型。特点特点 非选择性突变。突变株和野生型菌株非选择性突变。突变株和野生型菌株均可生长，但可从形态特征上进行区分。均可生长，但可从形态特征上进行区分。4. 形态突变型（形态突变型（morphological mutant）抗原突变型（抗原突变型（antigenic mutant）由于基因突变而

40、引起的抗原结构发生突变由于基因突变而引起的抗原结构发生突变的变异类型，如细胞壁缺陷变异、荚膜变异等。的变异类型，如细胞壁缺陷变异、荚膜变异等。产量突变型产量突变型通过基因突变而获得的在有用代谢产物产通过基因突变而获得的在有用代谢产物产量上高于原始菌株的变异株，也称高产突变株量上高于原始菌株的变异株，也称高产突变株（high producing mutant）。产量性状是多）。产量性状是多因子决定，突变机制较复杂。产量突变株又可因子决定，突变机制较复杂。产量突变株又可分为正变株和负变株。分为正变株和负变株。（一）自发突变的机制（一）自发突变的机制1. 低剂量诱变因素的长期综合效应低剂量诱变因素的

41、长期综合效应三、突变的分子机制三、突变的分子机制2. 碱基结构的变化碱基结构的变化一般情况下：一般情况下：AT；GC但但 T（酮式）变为（酮式）变为T（烯醇式），则（烯醇式），则TGC H3. 环出效应（环出效应（looping-out errors）n1 1、化学诱变剂引起的突变、化学诱变剂引起的突变（1 1）碱基置换）碱基置换亚硝酸的诱变机制是使碱基发生亚硝酸的诱变机制是使碱基发生氧化脱氨氧化脱氨，使腺，使腺嘌呤嘌呤A A变成次黄嘌呤变成次黄嘌呤H H，胞嘧啶，胞嘧啶C C变成尿嘧啶变成尿嘧啶U U。HNOHNO2 2互变互变异构异构复制复制（二）诱变机制（二）诱变机制n腺嘌呤经氧化脱氨后

42、变成酮式次黄嘌呤腺嘌呤经氧化脱氨后变成酮式次黄嘌呤（H H）。）。nDNADNA双链第一次复制，结果双链第一次复制，结果H H因在因在6 6位上含有位上含有酮基，故只能与酮基，故只能与6 6位上含有氨基的胞嘧啶位上含有氨基的胞嘧啶C C配对。配对。nDNADNA双链第二次复制，其中胞嘧啶（双链第二次复制，其中胞嘧啶（C C）正常）正常与鸟嘌呤（与鸟嘌呤（G G）配对，使）配对，使A-T G-C A-T G-C ，从而实，从而实现转换。现转换。n当胞嘧啶被氧化成尿嘧啶（当胞嘧啶被氧化成尿嘧啶（U U）时，也可实）时，也可实现现G-C A-T G-C A-T 。碱基类似物引起的间接置换（碱基类似物

43、引起的间接置换（5-BU5-BU，5-AU5-AU，8-NG8-NG）5-BU5-BU是是T T的结构类似物，一般以酮式状态存在于的结构类似物，一般以酮式状态存在于DNADNA中，可正常的与中，可正常的与A A配对，有时以烯醇式状态存在于配对，有时以烯醇式状态存在于DNADNA中，当中，当DNADNA进行复制时，就只进行复制时，就只能与能与G G配对，配对，G G再正常的与再正常的与C C配对，就完成配对，就完成A-TA-T转换成转换成G-CG-C。（2 2）移码突变（）移码突变（frame-shift mutationframe-shift mutation） 一种诱变剂引起一种诱变剂引起D

44、NADNA分子中一个或几个核苷酸的分子中一个或几个核苷酸的增增加加或或缺失缺失，从而造成突变点以后的全部遗传密码的转录，从而造成突变点以后的全部遗传密码的转录和翻译都发生错误，如原黄素、吖啶黄等吖啶类染料。和翻译都发生错误，如原黄素、吖啶黄等吖啶类染料。吖叮吖叮类类染料染料的的诱变诱变机制机制2. 物理诱变剂引起的诱变物理诱变剂引起的诱变诱变因素（紫外线、诱变因素（紫外线、X X射线、射线、射线等）射线等）诱变机制（以紫外线为例）诱变机制（以紫外线为例）链间或者单链上相邻的链间或者单链上相邻的2 2个个T T分子之间胸腺嘧啶二分子之间胸腺嘧啶二聚体。二聚体的出现会减弱双链间氢键的作用，引起聚体

45、。二聚体的出现会减弱双链间氢键的作用，引起双链结构扭曲变形，阻碍碱基的正常配对，从而引起双链结构扭曲变形，阻碍碱基的正常配对，从而引起突变或死亡。突变或死亡。3. 生物诱变剂生物诱变剂 插入序列（插入序列（IS）、转座子（）、转座子（Tn）、）、 Mu-噬菌体噬菌体四、损伤的修复四、损伤的修复(p197)：酶的作用酶的作用（一）光复活作用（一）光复活作用（photoreactivation）（二）切除修复（二）切除修复（excision repair）（三）重组修复（三）重组修复（recombination repair）（四）（四）SOS修复（修复（SOS repair）第三节基因的转移和重

46、组第三节基因的转移和重组基因重组基因重组（gene recombination）：凡把两）：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，个不同性状个体内的遗传基因转移在一起重新组合，形成新的遗传个体方式。形成新的遗传个体方式。微生物细胞或作为基因供体向其他微生物细胞微生物细胞或作为基因供体向其他微生物细胞提供基因，或作为基因受体接受其他微生物细胞提提供基因，或作为基因受体接受其他微生物细胞提供的基因。整合到受体细胞的染色体或质粒上并表供的基因。整合到受体细胞的染色体或质粒上并表达，使受体细胞具有新的性状。这种基因的转移、达，使受体细胞具有新的性状。这种基因的转移、交换、重组是生物得以进

47、化的动力。交换、重组是生物得以进化的动力。1. 转化（转化（transformation）：）：游离游离DNA分子分子 + 感受态细胞感受态细胞2. 接合（接合（conjugation）：）：细胞与细胞的直接接触（由细胞与细胞的直接接触（由F因子介导）因子介导）3. 转导（转导（transduction）：）：由噬菌体介导由噬菌体介导4.原生质体融合原生质体融合 两种菌除去细胞壁、细胞膜，人工融合两种菌除去细胞壁、细胞膜，人工融合细菌的三种水平基因转移形式细菌的三种水平基因转移形式转化转化受体菌（受体菌（recipient, receptorrecipient, receptor）接受供体菌）

48、接受供体菌（donordonor）裸露的裸露的DNADNA片段片段，从而获得供体菌部分遗传性，从而获得供体菌部分遗传性状的现象。状的现象。u转化子转化子v转化成功的菌株成为转化子（转化成功的菌株成为转化子（transformanttransformant）u受体菌受体菌v转化基因的接受者转化基因的接受者 recipient/receptorrecipient/receptoru供体菌供体菌v转化基因的提供者转化基因的提供者donordonoru转化因子转化因子v起转化作用的起转化作用的DNADNA片段片段一、转化（一、转化（transformation）1.对于供体菌：外源对于供体菌：外源DN

49、A为双链为双链DNA；有相对高的分；有相对高的分子量，一般在子量，一般在106108。2.供体菌和受体菌间有一定的亲缘关系：供体菌和受体菌间有一定的亲缘关系：同源性同源性。 3.对于受体菌：必须处于感受态对于受体菌：必须处于感受态(competence)。 感受态是受体菌最易接受外源感受态是受体菌最易接受外源DNA片断并进行片断并进行转化的生理状态；转化的生理状态； 处于感受态的细胞，其吸收处于感受态的细胞，其吸收DNA的能力，有时的能力，有时可比一般细胞大可比一般细胞大100倍；倍； 感受态的出现受该菌的遗传性、菌龄、生理状态感受态的出现受该菌的遗传性、菌龄、生理状态和培养条件等的影响。和培

50、养条件等的影响。（一）转化的条件（一）转化的条件感受态细胞的制备感受态细胞的制备从大肠杆菌从大肠杆菌DH5DH5的培养平板上挑取一个单菌落接于的培养平板上挑取一个单菌落接于2mLLB2mLLB液体培养基的试管中，液体培养基的试管中，3737振荡培养过夜。振荡培养过夜。以以1%1%的接种量将以上过夜培养物接种于液体培养基中的接种量将以上过夜培养物接种于液体培养基中3737振荡培养振荡培养2 23h3h将菌液转移到将菌液转移到1.5mL1.5mL离心管中，冰上放置离心管中，冰上放置10min10min4000rpm4000rpm，离心，离心10min10min回收细胞回收细胞倒出培养液，将管倒置倒

51、出培养液，将管倒置1min1min以便培养液流尽以便培养液流尽用冰冷的用冰冷的0.1mol/L CaCl 21mL0.1mol/L CaCl 21mL，悬浮沉淀，悬浮沉淀立即放在冰上保温立即放在冰上保温30min30min44，4000rpm4000rpm，离心，离心10min10min，回收细胞，回收细胞用冰冷的用冰冷的0.1mol/L CaCl 2 0.1mL0.1mol/L CaCl 2 0.1mL悬浮细胞（务必放冰上）悬浮细胞（务必放冰上）分装细胞，每分装细胞，每100l100l一份。此细胞为感受态细胞。一份。此细胞为感受态细胞。 自然遗传转化自然遗传转化（natural geneti

52、c transformation）：自然感受态的出现是细胞一）：自然感受态的出现是细胞一定生长阶段的生理特性，受细菌自身的基因控制。定生长阶段的生理特性，受细菌自身的基因控制。2. 人工转化人工转化（artificial transformation）：人工）：人工感受态则是通过人为诱导的方法，使细胞具有摄感受态则是通过人为诱导的方法，使细胞具有摄取取DNA的能力，或人为地将的能力，或人为地将DNA导入细胞内。导入细胞内。3. 原生质体转化原生质体转化：将：将DNA和聚乙二醇（和聚乙二醇（PEG）一同）一同加入原生质体，或用电穿孔等方法将加入原生质体，或用电穿孔等方法将DNA导入原导入原生质体

53、。生质体。根据细菌出现感受态的形式，可以将转化分为三种类型：根据细菌出现感受态的形式，可以将转化分为三种类型：用多种不同的技术处理受体细胞，使其人为地用多种不同的技术处理受体细胞，使其人为地处于一种可以摄取外源处于一种可以摄取外源DNA的的“人工感受态人工感受态”。人工转化人工转化用用CaCl2处理细胞，电穿孔处理细胞，电穿孔（electroporation）等是常用的）等是常用的人工转化手段。人工转化手段。每一个转化因子的分子量一般在每一个转化因子的分子量一般在106108 Da，平均约含，平均约含15个基因。每个感受态细胞约可个基因。每个感受态细胞约可掺入掺入10个转化因子。转化的频率一般

54、只有个转化因子。转化的频率一般只有0.1%1。质粒形式的转化因子的转化率最高。质粒形式的转化因子的转化率最高。（1 1）吸附吸附双链双链DNADNA与感受态细胞与感受态细胞表面受体结合（数分钟）。表面受体结合（数分钟）。（2 2）吸收吸收转化转化DNADNA双链的一条链双链的一条链被核酸酶降解，另一条链进入细被核酸酶降解，另一条链进入细胞。低浓度溶菌酶可提高细胞壁胞。低浓度溶菌酶可提高细胞壁的通透性，从而提高转化率。的通透性，从而提高转化率。（3 3）重组重组供体菌单链供体菌单链DNADNA片段片段 受体菌染色体组的同源区段配对受体菌染色体组的同源区段配对 受体菌原相应单链被切除受体菌原相应单

55、链被切除 整合、取代、连链（整合、取代、连链（DNADNA连接酶）连接酶）杂合杂合DNADNA区段区段复制复制重组子重组子（4 4）DNADNA复制与细胞分裂复制与细胞分裂 供体供体菌部分遗传性状延续。菌部分遗传性状延续。同源区段配对同源区段配对复制与分离复制与分离（三）转化的过程（三）转化的过程通过供体菌的性菌毛与受体菌细胞直接接触，通过供体菌的性菌毛与受体菌细胞直接接触，遗传物质自供体菌转移入受体菌（原核微生物遗传物质自供体菌转移入受体菌（原核微生物遗传物质转移方式，较广泛）。遗传物质转移方式，较广泛）。二、接合（二、接合（conjugation）（一）接合现象（一）接合现象1946年，年

56、，J.Lederberg和和Edward L.Taturm细菌的多重细菌的多重营养缺陷型杂交实验。很幸运，营养缺陷型杂交实验。很幸运，他们选择了大肠杆菌他们选择了大肠杆菌K12，选择，选择了位于染色体同一个区域的遗传了位于染色体同一个区域的遗传标记。标记。 回复突变回复突变； 转化的结果转化的结果； 互养互养，即营养缺陷型菌株相互交换营养而均得，即营养缺陷型菌株相互交换营养而均得到生长；到生长； 形成了异核体形成了异核体即细胞融合后，两种染色体共存即细胞融合后，两种染色体共存在一个细菌细胞中。在一个细菌细胞中。“U”型管实验可以解释为细菌之间接合后发生的型管实验可以解释为细菌之间接合后发生的遗

57、传交换和重组，但必须排出以下几种可能：遗传交换和重组，但必须排出以下几种可能：F F因子（因子（F F质粒质粒/ /致育因子）致育因子）（1 1）性状）性状凡凡F F+ +菌株，有菌株，有1-41-4根性菌毛；根性菌毛；（2 2）特点）特点FF因子可游离于细胞内，也可插入或整合到因子可游离于细胞内，也可插入或整合到染色体上；染色体上；（3 3）F F因子的分子量通常为因子的分子量通常为5 510107 7，上面有编码细菌产，上面有编码细菌产生性菌毛（生性菌毛（sex pilisex pili）及控制接合过程进行的）及控制接合过程进行的2020多个多个基因。基因。F F因子的四种细胞形式因子的四

58、种细胞形式根据细胞中是否存在根据细胞中是否存在F F因子以及其存在方式的不因子以及其存在方式的不同，把同，把E.coliE.coli分成四种结合型的菌株。分成四种结合型的菌株。F F菌株菌株：不含：不含F F因子，没有性菌毛，但可以通过因子，没有性菌毛，但可以通过 接合作用接收接合作用接收F F因子而变成雄性菌株（因子而变成雄性菌株（F F+ +）；）；F F菌株菌株： F F因子独立存在，细胞表面有性菌毛。因子独立存在，细胞表面有性菌毛。HfrHfr（高频重组）菌株（高频重组）菌株：F F因子插入到染色体因子插入到染色体DNADNA上，上，细胞表面有性菌毛。细胞表面有性菌毛。F F菌株菌株：

59、HfrHfr菌株内的菌株内的F F因子因不正常切割而脱离染因子因不正常切割而脱离染色体时，形成游离的但携带一小段染色体基因的色体时，形成游离的但携带一小段染色体基因的F F因因子，特称为子，特称为FF因子。细胞表面同样有性菌毛。因子。细胞表面同样有性菌毛。接合机制接合机制性菌毛使性菌毛使F F+ +、F F- -菌株细胞靠近，接触，形成菌株细胞靠近，接触，形成聚集体；聚集体；F F因子的一条因子的一条DNADNA链在特定位点断裂；链在特定位点断裂；断裂后单链逐步解开，断裂后单链逐步解开，55端延伸入端延伸入F F- -细胞，细胞，复制成环状双链复制成环状双链DNADNA； 供体菌内环状供体菌内

60、环状DNADNA单链进行单链进行“滚环复制滚环复制”成成双链。双链。1、 FF杂交杂交杂交的结果：给体细胞和受体细胞均成为杂交的结果：给体细胞和受体细胞均成为F F细胞，细胞，即：即：F FF F F FF FF F菌株的菌株的F F因子向因子向F F- -细胞转移，但含细胞转移，但含F F因子的因子的宿主细胞的染色体宿主细胞的染色体DNADNA一般不被转移。一般不被转移。HfrHfr菌株的菌株的F F因子插入到染色体因子插入到染色体DNADNA上，因此上，因此只要发生接合转移过程，就可以把部分甚至全部只要发生接合转移过程，就可以把部分甚至全部细菌染色体传递给细菌染色体传递给F F- -细胞并