微生物遗传-6-细菌基因转移课件

1、第二章原核和真核微生物的遗传主要内容细菌基因转移和基因重组放线菌遗传酵母遗传丝状真菌遗传细菌的基因转移和基因重组1.1 细菌基因组1.1.1 概况（大肠杆菌K-12）基因组大小：4.6 Mbp。基因组中87.8%的DNA编码蛋白质，0.8%编码RNA，0.7%是非编码的重复序列，约11%参与调解和其它功能。共有4288个基因，基因的平均长度951 bp，4500-5100 bp：4个，3000-4500 bp：51个，381个基因长度小于300 bp，最大基因7149 bp。1.1.2 编码蛋白质的基因操纵子转录单元是由启动子、结构基因及其终止子组成的一段DNA序列，如果功能上相关的几个结构基

2、因前后相连，利用一个共同的启动子和终止子，这种单元被称为操纵子。E.coli K-12共有2584个转录单元1个基因：2192个（73%）两个基因：16.6%3个基因：4.6% 4个以上基因：6% 1.2 质粒（plasmid）一般指存在于细菌、真菌等微生物细胞中，独立于染色体外、能进行自我复制的遗传因子。通常是共价、闭合、环状双链DNA。大小：1-1000 Kb。也存在线状DNA质粒和RNA质粒。质粒的命名原则一般由三个英文字母及其编号组成第一个字母一律用小写p表示，后两个字母大写，编号是阿拉伯数字质粒的拷贝数一般来说，拷贝数与分子量成反比；严紧性质粒（小于10）和松弛性质粒（10-100）

3、质粒之间的不相容性指亲缘关系相近的两种质粒，在非选择性条件下常不能稳定地存在于同一个细胞中，经过若干代的培养，只含有同一种质粒的细胞越来越多，含两种质粒的细胞相对减少。与质粒复制起始控制密切相关质粒的不稳定性包括分离的不稳定性和结构的不稳定性稳定的遗传至少满足二个条件每个世代至少发生一次复制细胞分裂时要平均分配到两个子细胞中主动分配（par区）一般包括编码反式作用因子的基因和顺式元件的序列（类着丝粒）随机分配（无par区）需保持选择压力1.3.1 F因子（Fertility factor）和转化F因子是一种质粒（plasmid），由共价环状闭合DNA双链构成，全长94.5 Kb，主要分为三个区

4、域：1、重组区；2、自主复制区；3、转移区。这是最早发现的一种质粒。F因子编码在细菌表面产生性菌毛。F因子的特性为可以促进供体菌向受体菌传递染色体DNA或质粒。F因子决定编码的性菌毛可在供体与受体菌间形成交通通连接结构，从而可使两个杂交细菌间形成胞浆内连接桥。 F因子的四种细胞形式a）F-菌株， 不含F因子，没有性菌毛，但可以通过 接合作用接收 F因子而变成雄性菌株（F+）；b）F+菌株， F因子独立存在，细胞表面有性菌毛。c）Hfr菌株，F因子插入到染色体DNA上，细胞表面有性菌毛。d）F菌株，Hfr菌株内的F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F因子，特称为F

5、因子。 细胞表面同样有性菌毛。染色体上越靠近F因子的先导区的基因，进入的机会就越多，在F-中出现重组子的的时间就越早，频率也高。 中断杂交（interrupted mating）技术和基因定位利用HfrF-的接合过程，在不同时间取样，并把样品猛烈搅拌以分散接合中的细菌，然后分析受体细菌基因型，以时间(分钟)为单位绘制遗传图谱，该图谱是细菌染色体上基因顺序的直接反映。 图9.27 不同Hfr菌株的形成方式，以不同的起点不同的顺序转移基因。（a）细菌染色体为环状，可以不同的IS位点打开，F质粒插入进去。（b） Hfr菌株的部分基因顺序。大肠杆菌基因组很大（全部转移需要100分钟），其遗传图谱须用多

6、株F因子整合在不同位置的Hfr菌才能完成三亲结合转移供体基因携带菌辅助质粒携带菌受体菌1.3.2 转导（transduction） 由噬菌体介导的细菌细胞间进行遗传交换的一种方式，一个细胞的DNA通过病毒载体的感染转移到另一个细胞中 由转导作用而获得供体细胞部分遗传性状的重组受体细胞称为转导子 （transductant） 携带供体部分遗传物质（DNA片段）的噬菌体称为转导噬菌体。 细菌转导的二种类型普遍性转导局限性转导普遍性转导（generalized transduction）定义：通过完全缺陷噬菌体对供体基因组上的任何DNA片段进行 “误包”，而将其遗传性状传递给受体细胞的现象。转导噬菌

7、体为什么“错”将宿主的DNA包裹进去?噬菌体的DNA包装酶也能识别染色体DNA上类似pac的位点并进行切割，以“headful”的包装机制包装进P22噬菌体外壳，形成只含宿主DNA的转导噬菌体颗粒（假噬菌体）因为染色体上的pac与P22 DNA的pac序列不完全相同，利用效率较低，这种“错装”机率一般仅约10-6-10-8 形成转导颗粒的噬菌体可以是温和的，也可以是烈性的，但必须具有能偶尔识别宿主DNA的包装机制，并在宿主基因组完全降解以前进行包装。普遍性转导的基本要求局限性转导（specialized transduction）温和噬菌体感染整合到细菌染色体的特定位点上宿主细胞发生溶源化溶源

8、菌因诱导而发生裂解时，在前噬菌体二侧的少数宿主基因因偶尔发生的不正常切割而连在噬菌体DNA上部分缺陷的温和噬菌体把供体菌的少数特定基因转移到受体菌中普遍转导与局限转导的特性比较普遍转导局限转导转导的发生自然发生人工诱导（uv）噬菌体形成误包前噬菌体的“误切”内含DNA只含宿主DNA含噬菌体和宿主DNA转导性状供体的任何性状前噬菌体两端邻近基因转导过程双交换（转导DNA 替换受体DNA 同源区）转导DNA插入，使受体菌为部分二倍体1.3 转化（transformation）定义：受体细胞直接吸收供体细胞的DNA片段, 并与其染色体同源片段进行遗传物质交换，从而使受体细胞获得新的遗传性状的现象。

9、抽提 导入 ssDNA 整合 供体细胞 dsDNA 受体细胞 转化子 感受态 复制 每毫升菌液的转化子数转化频率 = 每毫升菌液的细胞数经转化后出现了供体性状的受体细胞称为转化子（ transformant），即转化成功的菌落。 自然遗传转化（natural genetic transformation）人工转化（artificial transformation）感受态细胞：具有摄取外源DNA能力的细胞（competent cell）自然感受态与人工感受态的不同？ 自然感受态的出现是细胞一定生长阶段的生理特性（如肺炎链球菌的感受态出现在对数生长期）受细菌自身的基因控制 人工感受态则是通过人为

10、诱导的方法，使细胞具有摄取DNA的能力，或人为地将DNA导入细胞内。 （该过程与细菌自身的遗传控制无关！）感受态的机理局部原生质体化假说 处于感受态的细胞局部失去了细胞壁，使外源DNA能顺利经膜进入菌体。酶受体假说 受体细胞表面出现了一种能结合DNA并使之进入细胞的酶。自然转化过程的特点a）对核酸酶敏感；c）转化是否成功及转化效率的高低主要取决于转化（DNA）给体菌株和转化受体菌株之间的亲源关系；d）通常情况下质粒的自然转化效率要低得多；b）不需要活的DNA给体细胞；人工转化用CaCl2处理细胞，电穿孔等是常用的人工转化手段（使细胞膜更易于透过DNA ）。在自然转化的基础上发展和建立的一项细菌

11、基因重组手段，是基因工程的奠基石和基础技术；不是由细菌自身的基因所控制；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DNA的“人工感受态”。质粒的转化效率高（不像线型DNA 那样易于降解，而且还能在宿主中复制。任何来源的DNA 将其连接到质粒上都能进入受体细胞）；人体肠道元基因组该项研究成果收集了124个来自于欧洲人肠道菌群的样本，采用了新一代大规模高通量的测序技术进行深度测序，产出近6千亿的碱基序列。经过序列组装和基因注释分析，从中获得330万个非冗余的人体肠道元基因组的参考基因，约是人自身基因的150倍。这个基因集中包含了绝大部分目前已知的人体肠道微生物基因，但更多的是目前未知微生物的基因。从这个基因集中可以估计人肠道中存在约1000到1150种细菌，平均每个体内约含有160种优势菌种，并且这些细菌是绝大部分个体所共有的。 细菌基因组研究的最新进展2010年5月20日，著名分子生物学家克莱格