微生物遗传课件

第四章微生物遗传与变异第四章微生物遗传与变异遗传：亲代与子代相似变异：亲代与子代、子代间不同个体不完全相同遗传（inheritance）和变异（variation）是生命的最本质特性之一遗传型：表型（表现型）：生物的全部遗传因子及基因具有一定遗传型的个体，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学特征的总和。表型是由遗传型所决定，但也和环境有关。遗传：亲代与子代相似变异：亲代与子代、子代间不同个体不完全相表型饰变：表型的差异只与环境有关特点：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。遗传型变异（基因变异、基因突变）：遗传物质改变，导致表型改变特点：遗传性、群体中极少数个体的行为（自发突变频率通常为10-6-10-9）表型饰变：表型的差异只与环境有关橘生淮南则为橘，生于淮北则为第一节微生物的遗传一、微生物遗传的物质基础二、细胞中DNA的复制（自学）三、RNA与遗传表达四、微生物基因表达的调控第一节微生物的遗传一、微生物遗传的物质基础二、细胞中DN（一）遗传物质DNA的分子结构及多样性（自学）（一）遗传物质DNA的分子结构及多样性（自学）（二）遗传物质在微生物中的存在

1.遗传物质在微生物中存在的主要形式生物体内的核酸通常都与蛋白质结合形成复合物，以核蛋白（nucleoprotein）的形式存在。DNA分子十分巨大，与蛋白质结合后被组装到有限的空间中。（二）遗传物质在微生物中的存在1.遗传物质在微生物中存在的1.遗传物质存在的主要形式——染色体

组蛋白与DNA的结合核小体1.遗传物质存在的主要形式——染色体

组蛋白与DNA的结合核3.微生物中染色体外DNA存在的另一形式质粒（plasmid）：一种独立于染色体外，能进行自主复制的细胞质遗传因子，主要存在于各种微生物细胞中。转座因子（transposableelement）：位于染色体或质粒上的一段能改变自身位置的DNA序列，广泛分布于原核和真核细胞中。质粒和转座因子是细胞中除染色体以外的另外二类遗传因子2.真核生物中染色体外的遗传物质——细胞器DNA3.微生物中染色体外DNA存在的另一形式质粒（plasm质粒的分子结构通常以共价闭合环状(covalentlyclosedcircle，简称CCC)的超螺旋双链DNA分子存在于细胞中；也发现有线型双链DNA质粒和RNA质粒；质粒分子的大小范围从1kb左右到1000kb；（细菌质粒多在10kb以内）质粒的分子结构通常以共价闭合环状(covalentlycl质粒与染色体的差异A大小不同B赖碱性不同C储存的遗传信息不同质粒的特性

A可转移性

B可整合性C可重组性

D可消除性质粒与细胞器DNA的区别相同点A自主复制B消失后，后代细胞中不再出现C遗传信息少不同点A质粒结构简单B质粒功能多样C质粒可转移质粒与染色体的差异质粒的特性质粒与细胞器DNA的区别不同点质粒的主要类型质粒所编码的功能和赋予宿主的表型效应致育因子（Fertilityfactor，F因子）抗性因子（Resistancefactor，R因子）产细菌素的质粒（Bacteriocinproductionplasmid）毒性质粒（virulenceplasmid）代谢质粒（Metabolicplasmid）隐秘质粒（crypticplasmid）质粒的主要类型质粒所编码致育因子（Fertilityfac致育因子(Fertilityfactor，F因子)又称F质粒，其大小约100kb，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）有关的质粒。携带F质粒的菌株称为F+菌株（相当于雄性），无F质粒的菌株称为F-菌株（相当于雌性）。F因子能以游离状态(F+)和以与染色体相结合的状态(Hfr)存在于细胞中，所以又称之为附加体(episome)。致育因子(Fertilityfactor，F因子)又称F质抗性因子（Resistancefactor，R因子）包括抗药性和抗重金属二大类，简称R质粒。R100质粒(89kb)可使宿主对下列药物及重金属具有抗性：汞（mercuricion，mer）四环素（tetracycline，tet）链霉素(Streptomycin,Str)、磺胺(Sulfonamide,Su)、氯霉素(Chlorampenicol,Cm)夫西地酸（fusidicacid，fus）并且负责这些抗性的基因是成簇地存在于抗性质粒上。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。抗性因子（Resistancefactor，R因子）包括抗产细菌素的质粒（Bacteriocinproductionplasmid）细菌素结构基因、涉及细菌素运输及发挥作用（processing）的蛋白质的基因、赋予宿主对该细菌素具有“免疫力”的相关产物的基因一般都位于质粒或转座子上，因此，细菌素可以杀死同种但不携带该质粒的菌株。产细菌素的质粒（Bacteriocinproduction代谢质粒（Metabolicplasmid）质粒上携带有有利于微生物生存的基因，如能降解某些基质的酶，进行共生固氮，或产生抗生素（某些放线菌）等。将复杂的有机化合物降解成能被其作为碳源和能源利用的简单形式，环境保护方面具有重要的意义。假单胞菌：具有降解一些有毒化合物，如芳香簇化合物(苯)、农药(2,4dichlorophenoxyaceticacid)、辛烷和樟脑等的能力。降解质粒：代谢质粒（Metabolicplasmid）质粒上携带有有细胞器核糖体：与胞质中的存在明显差异，并具不同形式。有时与细菌核糖体大小相当（70%rRNA），有时仅60S（<30%rRNA）核糖体存在于每个进行蛋白质合成的细胞中。虽然在不同生物内其大小有别，但组织结构基本相同，而且执行的功能也完全相同。1.rRNA三RNA与遗传表达（一）RNA的结构和功能细胞器核糖体：与胞质中的存在明显差异，并具不同形式

2mRNAEukaryoticmRNAProkaryoticmRNA将DNA上的遗传信息携带到合成蛋白质的场所2mRNAEukaryoticmRNAProkaryo3tRNAtRNA折叠为紧凑的L型三级结构tRNAisanadaptor3tRNAtRNA折叠为紧凑的L型三级结构tRNAistRNA的分类（1）起始tRNA和延伸tRNA：一类能特异识别mRNA模板上起始密码子的tRNA叫起始tRNA；其它tRNA称为延伸tRNA。（2）同工tRNA:

代表相同氨基酸的tRNA称同工tRNA。（3）校正tRNA：通过tRNA中反密码子改变来校正密码子突变，使其在突变位点引入正确氨基酸。无义突变(nonsensemutation):指DNA上任何代表氨基酸的密码子变为终止密码子的改变。tRNA的分类（1）起始tRNA和延伸tRNA：

1转录转录：从DNA到RNA的过程，基因表达的核心步骤。

翻译：从RNA到蛋白质的过程，基因表达的最终目的。1转录

◆信使RNA(messengerRNA,mRNA)

◆转移RNA(transferRNA,tRNA)

◆核糖体RNA(ribosomalRNA,rRNA)

◆其他一些小RNA（smallRNA,sRNA)转录产物类型◆信使RNA(messengerRNA,mRNA)转起始(Initiation)延伸(Elongation)终止(Termination)转录分三个阶段进行RNApolymerasecatalyzestranscription:起始(Initiation)转录分三个阶段进行RNApo2.翻译过程1）氨基酸活化2）基本过程3）蛋白质合成起始4）蛋白质合成延伸5）蛋白质合成终止2.翻译过程1）氨基酸活化5.2.3蛋白质合成的三个阶段简介Initiation30SsubunitonmRNAbindingsiteisjoinedby50Ssubunitandaminoacyl-tRNAbindsElongationRibosomemovesalongmRNA，extendingproteinbytransferfrompeptidyl-tRNAtoaminoacyl-tRNATerminationPolypeptidechainisreleasedfromtRNA,andribosomedissociatesfrommRNA5.2.3蛋白质合成的三个阶段简介5.2.3蛋白质合成的三个阶段简介Initiation3一、微生物的变异与基因突变微生物变异：微生物子代的表型特征与亲代的表型特征发生较大的差异，这种差异是由于子代的基因发生了突变所引起的稳定的可遗传的变化突变包括：基因突变和染色体畸变第二节微生物的变异一、微生物的变异与基因突变第二节微生物的变异二、突变的类型（一）形态突变型细胞形态或菌落形态的变异（二）生化突变型

1.营养缺陷型2.抗性突变型

3.抗原突变型（三）致死突变型（四）条件致死突变型二、突变的类型（一）形态突变型1营养缺陷型（auxotroph）一种缺乏合成其生存所必须的营养物（包括氨基酸、维生素、碱基等）的突变型，只有从周围环境或培养基中获得这些营养或其前体物（precursor）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记和育种的重要手段表型判断的标准：在基本培养基上能否生长1营养缺陷型（auxotroph）一种缺乏合成其生存所必须1营养缺陷型（auxotroph）特点：在选择培养基（一般为基本培养基）上不生长负选择标记突变株不能通过选择平板直接获得1营养缺陷型（auxotroph）特点：在选择培养基（一般1营养缺陷型（auxotroph）影印平板（Replicaplating）法是Lederberg夫妇在1952年建立1营养缺陷型（auxotroph）影印平板（Replica营养缺陷型的表示方法：1营养缺陷型（auxotroph）基因型：所需营养物的前三个英文小写斜体字母表示：hisC（组氨酸缺陷型，其中的大写字母C同一表型中不同基因的突变）表型：同上，但第一个字母大写，且不用斜体：HisC在具体使用时多用hisC-和hisC+，分别表示缺陷型和野生型。营养缺陷型的表示方法：1营养缺陷型（auxotroph）基因2抗药性突变型（resistantmutant）基因突变使菌株对某种或某几种药物，特别是抗生素，产生抗性。特点：正选择标记（突变株可直接从抗性平板上获得-----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。）表示方法：所抗药物的前三个小写斜体英文字母加上“r”表示strr和strs分别表示对链霉素的抗性和敏感性2抗药性突变型（resistantmutant）基因突变3条件致死突变型（conditionallethalmutant）

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。常用的条件致死突变是温度敏感突变，用ts（temperaturesensitive）表示，这类突变在高温下（如42℃）是致死的，但可以在低温（如25-30℃）下得到这种突变。特点：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3条件致死突变型（conditionallethalm4形态突变型（morphologicalmutant）造成形态改变的突变型特点：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。举例：产蛋白酶缺陷突变株的筛选菌落颜色变化β半乳糖苷酶基因的插入失活，使重组子菌落为白色而与兰色的非重组子分开。细胞水平上的形态突变，突变株的检出更加困难。4形态突变型（morphologicalmutant）造其它突变类型毒力、生产某种代谢产物的发酵能力的变化等在实际应用中具有重要意义突变类型一般都不具有很明显或可直接检测到的表型。其突变株的获得往往需要较大的工作量。其它突变类型毒力、生产某种代谢产物的发酵能力的一个基因内部遗传结构或DNA序列的任何改变基因突变：三、基因突变的机理一个基因内部遗传结构或DNA序列的任何改变基因突变：三、基因基因突变是重要的生物学现象，它是一切生物变化的根源，连同基因转移、重组一起提供了推动生物进化的遗传多变性。基因突变DNA损伤修复机制突变自发突变诱变环境因素的影响，DNA复制过程的偶然错误等而导致，一般频率较低，通常为10-6-10-9。某些物理、化学因素对生物体的DNA进行直接作用，突变以较高的频率产生。可以通过DNA复制而成为真正的突变，也可以重新变为原来的结构，这取决于修复作用和其它多种因素。基因突变是重要的生物学现象，它是一切生物变化的根源，连同基因1）随机性2）稀有性3）规律性4）独立性5）遗传和回复性6）可诱变性（一）自发突变1）随机性（一）自发突变（二）诱发突变诱变剂的作用（1）碱基类似物掺入（2）碱基的化学修饰（3）染料的嵌入（4）物理因素--紫外线和电离辐射诱发突变类型（1）碱基置换（2）移码突变（3）染色体畸变（二）诱发突变诱变剂的作用

DNA突变的类型

-T-C-G-G-C-T-G-T-A-C-G--A-G-C-C-G-A-C-A-T-G-C-转换

-T-C-G-A-G-C-T-G-T-A-C-G--A-G-C-T-C-G-A-C-A-T-G-C-插入A

-T-C-G-C-T-G-T-A-C-G--A-G-C-G-A-C-A-T-G-C-缺失T野生型基因

-T-C-G-A-C-T-G-T-A-C-G--A-G-C-T-G-A-C-A-T-G-C-

-T-C-G-T-C-T-G-T-A-C-G--A-G-C-A-G-A-C-A-T-G-C-颠换碱基对的置换(substitution)移码突变(framesshiftmutation)DNA突变的类型

-T-C-G-G-C-T-G-T-A-

(1)碱基类似物(baseanalog)

如5-溴尿嘧啶（BU）是T碱基的类似物，通常情况下它以酮式结构存在，能与A配对；但它有时以烯醇式结构存在，与G配对。

2-氨基嘌呤（AP）是A的类似物，正常状态下与T配对，但以罕见的亚氨基状态存在时却与C配对。

Adenine

(A)Thymine(T)(1)碱基类似物(baseanalog)Aden(2)碱基修饰剂(basemodifier)

又如亚硝酸能脱去碱基上的氨基。可使C氧化脱氨变成U；G脱氨后成为黄嘌呤（X），但它仍与C配对；A脱氨后成为次黄嘌呤（I），I与C配对，而不能和原来的T配对。Adenine

(A)Guanine(G)Cytosine(C)(2)碱基修饰剂(basemodifier)Adenin(3)嵌入染料(intercalationdye)

一些扁平的稠环分子，例如吖啶橙（acridine)、原黄素（proflavine)、溴化乙锭（ethidiumbromide,EB)等染料，可以插入到DNA的碱基对之间，引起新合成链碱基的插入或缺失。(3)嵌入染料(intercalationdye)

(4)物理因素--紫外线(ultraviolet)和电离辐射(ionizingradiation)

紫外线的高能量可以使相邻嘧啶之间双键打开形成二聚体，包括产生环丁烷结构和6-4光产物。电离辐辐射的作用比较复杂。(4)物理因素--紫外线(ultraviolet)和电离（一）光复活作用

对紫外线引起的DNA损伤进行修复。四、DNA损伤修复（一）光复活作用

对紫外线引起的DNA损伤进行修复。DNA紫外线损伤的光复合酶修复1、形成嘧啶二聚体2、光复合酶结合于损伤部位3、酶被可见光激活4、修复后酶被释放DNA紫外线损伤的光复合酶修复1、形成嘧啶二聚体2、光复合酶（二）切除修复

（excisionrepair）当DNA链上相应位置的核苷酸发生损伤，导致双链之间无法形成氢键，在一系列酶的作用下，将DNA分子中受损伤部分切除掉，并以完整的那一条链为模板，合成出切去的部分，然后使DNA恢复正常结构的过程。（二）切除修复

（excisionrepair）DNA的损伤和切除修复碱基丢失碱基缺陷或错配结构缺陷切开核酸内切酶核酸外切酶切除DNA聚合酶DNA连接酶AP核酸内切酶核酸外切酶切开切除修复连接糖苷酶DNA的损伤和切除修复碱基丢失碱基缺陷或错配结构缺陷切开核酸（三）重组修复

（Recombinationrepair）遗传信息有缺损的子代DNA分子通过遗传重组的方式加以弥补，即从同源DNA的母链上将相应核苷酸序列片段移至子链缺口处，然后用再合成的序列来补上母链的空缺。（三）重组修复

（RecombinationrepaDNA的重组修复胸腺嘧啶二聚体复制核酸酶及重组蛋白修复复制DNA聚合酶DNA连接酶重组DNA的重组修复胸腺嘧啶二聚体复制核酸酶及重组蛋白修复复制D（四）SOS反应诱导的修复

SOSresponse&DNArepairSOS反应：是细胞DNA受到损伤或复制系统受到抑制的紧急情况下，为求得生存而出现的应急效应。SOS反应诱导的修复系统包括避免差错修复(errorfreerepair)和易产生差错修复(error-pronerepair)（四）SOS反应诱导的修复

SOSresponse第三节微生物基因重组细菌的三种水平基因转移形式接合转导自然转化一、原核微生物基因重组第三节微生物基因重组细菌的三种水平基因转移形式接合转导自然一、细菌的接合作用(conjugation)通过细胞与细胞的直接接触而产生的遗传信息的转移和重组过程一、细菌的接合作用(conjugation)通过细胞与细胞的2.机制(大肠杆菌的接合机制)接合作用是由一种被称为F因子的质粒介导F因子的分子量通常为5×107，上面有编码细菌产生性菌毛（sexpili）及控制接合过程进行的20多个基因。含有F因子的细胞：“雄性”菌株（F+），其细胞表面有性菌毛

不含F因子的细胞：“雌性”菌株（F-），细胞表面没有性菌毛2.机制(大肠杆菌的接合机制)接合作用是由一种被称为F因子F因子为附加体质粒既可以脱离染色体在细胞内独立存在，也可插入（整合）到染色体上F因子为附加体质粒（二）细菌的转导（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能将一个细菌宿主的部分染色体或质粒DNA带到另一个细菌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（二）细菌的转导（transduction）由噬菌体介导的1、普遍性转导（generalizedtransduction）噬菌体可以转导给体染色体的任何部分到受体细胞中的转导过程(1)意外的发现1951年，JoshuaLederberg和NortonZinder为了证实大肠杆菌以外的其它菌种是否也存在接合作用，用二株具不同的多重营养缺陷型的鼠伤寒沙门氏菌进行类似的实验：用“U”型管进行同样的实验时，在给体和受体细胞不接触的情况下，同样出现原养型细菌！1、普遍性转导（generalizedtransducti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：形成转导颗粒的噬菌体可以是温和的也可以是烈性的，普遍性转导的三种后果：进入受体的外源DNA通过与细胞染色体的重组交换而形成稳定的转导子流产转导（abortivetransduction）转导DNA不能进行重组和复制，但其携带的基因可经过转录而得到表达。外源DNA被降解，转导失败。DNA不能复制，因此群体中仅一个细胞含有DNA，而其它细胞只能得到其基因产物，形成微小菌落。普遍性转导的三种后果：进入受体的外源DNA通过与细胞染色体流2、局限性转导（specializedtransduction）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2、局限性转导（specializedtransducti2、局限性转导（specializedtransduction）温和噬菌体λ裂解时的不正常切割：包含gal或bio基因（几率一般仅有10-6）缺陷噬菌体在宿主细胞内能够象正常的λDNA分子一样进行复制、包装，提供所需要的裂解功能，形成转导颗粒。但没有正常噬菌体的溶源性和增殖能力，感染受体细胞后，通过DNA整合进宿主染色体而形成稳定的转导子。2、局限性转导（specializedtransducti局限性转导与普遍性转导的主要区别：a）被转导的基因共价地与噬菌体DNA连接，与噬菌体DNA一起进行复制、包装以及被导入受体细胞中。而普遍性转导包装的可能全部是宿主菌的基因。b）局限性转导颗粒携带特定的染色体片段并将固定的个别基因导入受体，故称为局限性转导。而普遍性转导携带的宿主基因具有随机性。2、局限性转导（specializedtransduction）（参见P219）局限性转导与普遍性转导的主要区别：a）被转导的基因共价地与噬（三）细菌的遗传转化（genetictransformation）定义：同源或异源的游离DNA分子(质粒和染色体DNA)被自然或人工感受态细胞摄取，并得到表达的水平方向的基因转移过程自然遗传转化（naturalgenetictransformation）人工转化（artificialtransformation）感受态细胞：具有摄取外源DNA能力的细胞（competentcell）（三）细菌的遗传转化（genetictransformat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；提高质粒的自然转化效率的二种方法：1）使质粒形成多聚体，这样进入细胞后重新组合成有活性的质粒的几率大大提高；2）在质粒上插入受体菌染色体的部分片段，或将质粒转化进含有与该质粒具有同源区段的质粒的受体菌-------重组获救b）不需要活的DNA给体细胞；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第四节人工构建新菌株遗传工程是70年代初发展起来的生物技术。定义：对遗传物质进行改造（人工干预下的杂交、转化、接合、转导）的技术。工程：类似工程设计那样有很高的预见性、精确性与严密性。第四节人工构建新菌株遗传工程是70年代初发展起来的生物技术遗传工程方法包括两个水平的研究：一种是细胞水平；另一种是基因水平。所以，又可把它分为细胞工程和基因工程。细胞工程——两个细胞原生质体融合体外切割导入遗传物质基因片段受体细胞基因工程——两个细胞DNA片段剪接拼接狭义的讲，遗传工程就是基因工程。原理：限制性核酸内切酶遗传工程方法包括两个水平的研究：一种是细胞水平；另一种是基因一、育变育种育变育种:利用物理、化学或生物学方法处理均匀而分散的微生物细胞，使遗传物质发生变异，采用简便、快速和高效的筛选方法，从中筛选目的突变株。诱变方法：物理、化学、生物试剂诱变步骤：纯化、诱变、筛选、鉴定注意问题：出发株的选择，诱导方法的采用，剂量的控制，变异株的筛选。一、育变育种育变育种:利用物理、化学或生物学方法处理均匀而分二、原生质体的融合原生质体的融合：通过人为的方法，使遗传性状不同的两个个体细胞的原生质体发生融合，产生重组细胞的过程原生质体的制备原生质体的融合融合细胞的筛选二、原生质体的融合原生质体的融合：通过人为的方法，使遗传性状在特殊培养基上（如含有青霉素）筛选目的细菌质粒载体（具有抗性基因）如抵抗青霉素长出必然是重组成功的细菌外源基因片段在特殊培养基上（如含有青霉素）筛选目的细菌质粒载体（具有抗性Ⅰ.降解石油的工程细菌

70年代美国生物学家查克巴蒂(Chakrabarty)查氏将能降解脂(含质粒A)的一种假单胞菌作受体细菌，分别将能降解芳烃(质粒B)、芳烃(质粒C)和多环芳烃(质粒D)的质粒，用遗传工程方法人工转入受体细菌，获得多质粒“超级细菌”，可除去原油中2／3的烃。浮油在一般条件下降解需一年以上时间，用“超级细菌”只需几小时即可把浮油去除，速度快效率高。Ⅰ.降解石油的工程细菌Ⅱ.耐汞工程菌

日本水俣事件及瑞典鸟类汞中毒事件后，日本和瑞典对汞在自然界转化做了大量研究工作，提出了汞化合物转化的途径，主要是某些微生物使水体汞元素甲基化形成甲基汞，使人及生物中毒。另一面自然界中存在一些耐汞的微生物，它们的耐汞基因在质粒R因子上。例如，恶臭假单胞菌一般在超过2ug／ml汞浓度中即将中毒死，查克拉巴蒂用质粒转移技术，把嗜油假单胞菌的耐汞质粒(MER质粒)转移到恶臭假单胞菌中去，后者获得MER质粒，可在50~70ug／ml氯化汞中生长。Ⅱ.耐汞工程菌思考题什么是微生物的遗传和变异？遗传变异的物质基础是什么？如何得以证明？微生物的遗传信息如何传递?微生物变异的实质是什么？微生物变异的类型有几种？变异表现在那些方面？DNA损伤修复有几种形式?各自如何修复？什么是转化、转导和接合转移转导有哪几种方式？分别是如何实现的？微生物重组过程中，遗传物质是如何转移的？有何应用价值？什么是质粒？根据其功能可分为哪几种类型？思考题什么是微生物的遗传和变异？遗传变异的物质基础是什么？如第四章微生物遗传与变异第四章微生物遗传与变异遗传：亲代与子代相似变异：亲代与子代、子代间不同个体不完全相同遗传（inheritance）和变异（variation）是生命的最本质特性之一遗传型：表型（表现型）：生物的全部遗传因子及基因具有一定遗传型的个体，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学特征的总和。表型是由遗传型所决定，但也和环境有关。遗传：亲代与子代相似变异：亲代与子代、子代间不同个体不完全相表型饰变：表型的差异只与环境有关特点：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。遗传型变异（基因变异、基因突变）：遗传物质改变，导致表型改变特点：遗传性、群体中极少数个体的行为（自发突变频率通常为10-6-10-9）表型饰变：表型的差异只与环境有关橘生淮南则为橘，生于淮北则为第一节微生物的遗传一、微生物遗传的物质基础二、细胞中DNA的复制（自学）三、RNA与遗传表达四、微生物基因表达的调控第一节微生物的遗传一、微生物遗传的物质基础二、细胞中DN（一）遗传物质DNA的分子结构及多样性（自学）（一）遗传物质DNA的分子结构及多样性（自学）（二）遗传物质在微生物中的存在

1.遗传物质在微生物中存在的主要形式生物体内的核酸通常都与蛋白质结合形成复合物，以核蛋白（nucleoprotein）的形式存在。DNA分子十分巨大，与蛋白质结合后被组装到有限的空间中。（二）遗传物质在微生物中的存在1.遗传物质在微生物中存在的1.遗传物质存在的主要形式——染色体

组蛋白与DNA的结合核小体1.遗传物质存在的主要形式——染色体

组蛋白与DNA的结合核3.微生物中染色体外DNA存在的另一形式质粒（plasmid）：一种独立于染色体外，能进行自主复制的细胞质遗传因子，主要存在于各种微生物细胞中。转座因子（transposableelement）：位于染色体或质粒上的一段能改变自身位置的DNA序列，广泛分布于原核和真核细胞中。质粒和转座因子是细胞中除染色体以外的另外二类遗传因子2.真核生物中染色体外的遗传物质——细胞器DNA3.微生物中染色体外DNA存在的另一形式质粒（plasm质粒的分子结构通常以共价闭合环状(covalentlyclosedcircle，简称CCC)的超螺旋双链DNA分子存在于细胞中；也发现有线型双链DNA质粒和RNA质粒；质粒分子的大小范围从1kb左右到1000kb；（细菌质粒多在10kb以内）质粒的分子结构通常以共价闭合环状(covalentlycl质粒与染色体的差异A大小不同B赖碱性不同C储存的遗传信息不同质粒的特性

A可转移性

B可整合性C可重组性

D可消除性质粒与细胞器DNA的区别相同点A自主复制B消失后，后代细胞中不再出现C遗传信息少不同点A质粒结构简单B质粒功能多样C质粒可转移质粒与染色体的差异质粒的特性质粒与细胞器DNA的区别不同点质粒的主要类型质粒所编码的功能和赋予宿主的表型效应致育因子（Fertilityfactor，F因子）抗性因子（Resistancefactor，R因子）产细菌素的质粒（Bacteriocinproductionplasmid）毒性质粒（virulenceplasmid）代谢质粒（Metabolicplasmid）隐秘质粒（crypticplasmid）质粒的主要类型质粒所编码致育因子（Fertilityfac致育因子(Fertilityfactor，F因子)又称F质粒，其大小约100kb，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）有关的质粒。携带F质粒的菌株称为F+菌株（相当于雄性），无F质粒的菌株称为F-菌株（相当于雌性）。F因子能以游离状态(F+)和以与染色体相结合的状态(Hfr)存在于细胞中，所以又称之为附加体(episome)。致育因子(Fertilityfactor，F因子)又称F质抗性因子（Resistancefactor，R因子）包括抗药性和抗重金属二大类，简称R质粒。R100质粒(89kb)可使宿主对下列药物及重金属具有抗性：汞（mercuricion，mer）四环素（tetracycline，tet）链霉素(Streptomycin,Str)、磺胺(Sulfonamide,Su)、氯霉素(Chlorampenicol,Cm)夫西地酸（fusidicacid，fus）并且负责这些抗性的基因是成簇地存在于抗性质粒上。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。抗性因子（Resistancefactor，R因子）包括抗产细菌素的质粒（Bacteriocinproductionplasmid）细菌素结构基因、涉及细菌素运输及发挥作用（processing）的蛋白质的基因、赋予宿主对该细菌素具有“免疫力”的相关产物的基因一般都位于质粒或转座子上，因此，细菌素可以杀死同种但不携带该质粒的菌株。产细菌素的质粒（Bacteriocinproduction代谢质粒（Metabolicplasmid）质粒上携带有有利于微生物生存的基因，如能降解某些基质的酶，进行共生固氮，或产生抗生素（某些放线菌）等。将复杂的有机化合物降解成能被其作为碳源和能源利用的简单形式，环境保护方面具有重要的意义。假单胞菌：具有降解一些有毒化合物，如芳香簇化合物(苯)、农药(2,4dichlorophenoxyaceticacid)、辛烷和樟脑等的能力。降解质粒：代谢质粒（Metabolicplasmid）质粒上携带有有细胞器核糖体：与胞质中的存在明显差异，并具不同形式。有时与细菌核糖体大小相当（70%rRNA），有时仅60S（<30%rRNA）核糖体存在于每个进行蛋白质合成的细胞中。虽然在不同生物内其大小有别，但组织结构基本相同，而且执行的功能也完全相同。1.rRNA三RNA与遗传表达（一）RNA的结构和功能细胞器核糖体：与胞质中的存在明显差异，并具不同形式

2mRNAEukaryoticmRNAProkaryoticmRNA将DNA上的遗传信息携带到合成蛋白质的场所2mRNAEukaryoticmRNAProkaryo3tRNAtRNA折叠为紧凑的L型三级结构tRNAisanadaptor3tRNAtRNA折叠为紧凑的L型三级结构tRNAistRNA的分类（1）起始tRNA和延伸tRNA：一类能特异识别mRNA模板上起始密码子的tRNA叫起始tRNA；其它tRNA称为延伸tRNA。（2）同工tRNA:

代表相同氨基酸的tRNA称同工tRNA。（3）校正tRNA：通过tRNA中反密码子改变来校正密码子突变，使其在突变位点引入正确氨基酸。无义突变(nonsensemutation):指DNA上任何代表氨基酸的密码子变为终止密码子的改变。tRNA的分类（1）起始tRNA和延伸tRNA：

1转录转录：从DNA到RNA的过程，基因表达的核心步骤。

翻译：从RNA到蛋白质的过程，基因表达的最终目的。1转录

◆信使RNA(messengerRNA,mRNA)

◆转移RNA(transferRNA,tRNA)

◆核糖体RNA(ribosomalRNA,rRNA)

◆其他一些小RNA（smallRNA,sRNA)转录产物类型◆信使RNA(messengerRNA,mRNA)转起始(Initiation)延伸(Elongation)终止(Termination)转录分三个阶段进行RNApolymerasecatalyzestranscription:起始(Initiation)转录分三个阶段进行RNApo2.翻译过程1）氨基酸活化2）基本过程3）蛋白质合成起始4）蛋白质合成延伸5）蛋白质合成终止2.翻译过程1）氨基酸活化5.2.3蛋白质合成的三个阶段简介Initiation30SsubunitonmRNAbindingsiteisjoinedby50Ssubunitandaminoacyl-tRNAbindsElongationRibosomemovesalongmRNA，extendingproteinbytransferfrompeptidyl-tRNAtoaminoacyl-tRNATerminationPolypeptidechainisreleasedfromtRNA,andribosomedissociatesfrommRNA5.2.3蛋白质合成的三个阶段简介5.2.3蛋白质合成的三个阶段简介Initiation3一、微生物的变异与基因突变微生物变异：微生物子代的表型特征与亲代的表型特征发生较大的差异，这种差异是由于子代的基因发生了突变所引起的稳定的可遗传的变化突变包括：基因突变和染色体畸变第二节微生物的变异一、微生物的变异与基因突变第二节微生物的变异二、突变的类型（一）形态突变型细胞形态或菌落形态的变异（二）生化突变型

1.营养缺陷型2.抗性突变型

3.抗原突变型（三）致死突变型（四）条件致死突变型二、突变的类型（一）形态突变型1营养缺陷型（auxotroph）一种缺乏合成其生存所必须的营养物（包括氨基酸、维生素、碱基等）的突变型，只有从周围环境或培养基中获得这些营养或其前体物（precursor）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记和育种的重要手段表型判断的标准：在基本培养基上能否生长1营养缺陷型（auxotroph）一种缺乏合成其生存所必须1营养缺陷型（auxotroph）特点：在选择培养基（一般为基本培养基）上不生长负选择标记突变株不能通过选择平板直接获得1营养缺陷型（auxotroph）特点：在选择培养基（一般1营养缺陷型（auxotroph）影印平板（Replicaplating）法是Lederberg夫妇在1952年建立1营养缺陷型（auxotroph）影印平板（Replica营养缺陷型的表示方法：1营养缺陷型（auxotroph）基因型：所需营养物的前三个英文小写斜体字母表示：hisC（组氨酸缺陷型，其中的大写字母C同一表型中不同基因的突变）表型：同上，但第一个字母大写，且不用斜体：HisC在具体使用时多用hisC-和hisC+，分别表示缺陷型和野生型。营养缺陷型的表示方法：1营养缺陷型（auxotroph）基因2抗药性突变型（resistantmutant）基因突变使菌株对某种或某几种药物，特别是抗生素，产生抗性。特点：正选择标记（突变株可直接从抗性平板上获得-----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。）表示方法：所抗药物的前三个小写斜体英文字母加上“r”表示strr和strs分别表示对链霉素的抗性和敏感性2抗药性突变型（resistantmutant）基因突变3条件致死突变型（conditionallethalmutant）

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。常用的条件致死突变是温度敏感突变，用ts（temperaturesensitive）表示，这类突变在高温下（如42℃）是致死的，但可以在低温（如25-30℃）下得到这种突变。特点：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3条件致死突变型（conditionallethalm4形态突变型（morphologicalmutant）造成形态改变的突变型特点：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。举例：产蛋白酶缺陷突变株的筛选菌落颜色变化β半乳糖苷酶基因的插入失活，使重组子菌落为白色而与兰色的非重组子分开。细胞水平上的形态突变，突变株的检出更加困难。4形态突变型（morphologicalmutant）造其它突变类型毒力、生产某种代谢产物的发酵能力的变化等在实际应用中具有重要意义突变类型一般都不具有很明显或可直接检测到的表型。其突变株的获得往往需要较大的工作量。其它突变类型毒力、生产某种代谢产物的发酵能力的一个基因内部遗传结构或DNA序列的任何改变基因突变：三、基因突变的机理一个基因内部遗传结构或DNA序列的任何改变基因突变：三、基因基因突变是重要的生物学现象，它是一切生物变化的根源，连同基因转移、重组一起提供了推动生物进化的遗传多变性。基因突变DNA损伤修复机制突变自发突变诱变环境因素的影响，DNA复制过程的偶然错误等而导致，一般频率较低，通常为10-6-10-9。某些物理、化学因素对生物体的DNA进行直接作用，突变以较高的频率产生。可以通过DNA复制而成为真正的突变，也可以重新变为原来的结构，这取决于修复作用和其它多种因素。基因突变是重要的生物学现象，它是一切生物变化的根源，连同基因1）随机性2）稀有性3）规律性4）独立性5）遗传和回复性6）可诱变性（一）自发突变1）随机性（一）自发突变（二）诱发突变诱变剂的作用（1）碱基类似物掺入（2）碱基的化学修饰（3）染料的嵌入（4）物理因素--紫外线和电离辐射诱发突变类型（1）碱基置换（2）移码突变（3）染色体畸变（二）诱发突变诱变剂的作用

DNA突变的类型

-T-C-G-G-C-T-G-T-A-C-G--A-G-C-C-G-A-C-A-T-G-C-转换

-T-C-G-A-G-C-T-G-T-A-C-G--A-G-C-T-C-G-A-C-A-T-G-C-插入A

-T-C-G-C-T-G-T-A-C-G--A-G-C-G-A-C-A-T-G-C-缺失T野生型基因

-T-C-G-A-C-T-G-T-A-C-G--A-G-C-T-G-A-C-A-T-G-C-

-T-C-G-T-C-T-G-T-A-C-G--A-G-C-A-G-A-C-A-T-G-C-颠换碱基对的置换(substitution)移码突变(framesshiftmutation)DNA突变的类型

-T-C-G-G-C-T-G-T-A-

(1)碱基类似物(baseanalog)

如5-溴尿嘧啶（BU）是T碱基的类似物，通常情况下它以酮式结构存在，能与A配对；但它有时以烯醇式结构存在，与G配对。

2-氨基嘌呤（AP）是A的类似物，正常状态下与T配对，但以罕见的亚氨基状态存在时却与C配对。

Adenine

(A)Thymine(T)(1)碱基类似物(baseanalog)Aden(2)碱基修饰剂(basemodifier)

又如亚硝酸能脱去碱基上的氨基。可使C氧化脱氨变成U；G脱氨后成为黄嘌呤（X），但它仍与C配对；A脱氨后成为次黄嘌呤（I），I与C配对，而不能和原来的T配对。Adenine

(A)Guanine(G)Cytosine(C)(2)碱基修饰剂(basemodifier)Adenin(3)嵌入染料(intercalationdye)

一些扁平的稠环分子，例如吖啶橙（acridine)、原黄素（proflavine)、溴化乙锭（ethidiumbromide,EB)等染料，可以插入到DNA的碱基对之间，引起新合成链碱基的插入或缺失。(3)嵌入染料(intercalationdye)

(4)物理因素--紫外线(ultraviolet)和电离辐射(ionizingradiation)

紫外线的高能量可以使相邻嘧啶之间双键打开形成二聚体，包括产生环丁烷结构和6-4光产物。电离辐辐射的作用比较复杂。(4)物理因素--紫外线(ultraviolet)和电离（一）光复活作用

对紫外线引起的DNA损伤进行修复。四、DNA损伤修复（一）光复活作用

对紫外线引起的DNA损伤进行修复。DNA紫外线损伤的光复合酶修复1、形成嘧啶二聚体2、光复合酶结合于损伤部位3、酶被可见光激活4、修复后酶被释放DNA紫外线损伤的光复合酶修复1、形成嘧啶二聚体2、光复合酶（二）切除修复

（excisionrepair）当DNA链上相应位置的核苷酸发生损伤，导致双链之间无法形成氢键，在一系列酶的作用下，将DNA分子中受损伤部分切除掉，并以完整的那一条链为模板，合成出切去的部分，然后使DNA恢复正常结构的过程。（二）切除修复

（excisionrepair）DNA的损伤和切除修复碱基丢失碱基缺陷或错配结构缺陷切开核酸内切酶核酸外切酶切除DNA聚合酶DNA连接酶AP核酸内切酶核酸外切酶切开切除修复连接糖苷酶DNA的损伤和切除修复碱基丢失碱基缺陷或错配结构缺陷切开核酸（三）重组修复

（Recombinationrepair）遗传信息有缺损的子代DNA分子通过遗传重组的方式加以弥补，即从同源DNA的母链上将相应核苷酸序列片段移至子链缺口处，然后用再合成的序列来补上母链的空缺。（三）重组修复

（RecombinationrepaDNA的重组修复胸腺嘧啶二聚体复制核酸酶及重组蛋白修复复制DNA聚合酶DNA连接酶重组DNA的重组修复胸腺嘧啶二聚体复制核酸酶及重组蛋白修复复制D（四）SOS反应诱导的修复

SOSresponse&DNArepairSOS反应：是细胞DNA受到损伤或复制系统受到抑制的紧急情况下，为求得生存而出现的应急效应。SOS反应诱导的修复系统包括避免差错修复(errorfreerepair)和易产生差错修复(error-pronerepair)（四）SOS反应诱导的修复

SOSresponse第三节微生物基因重组细菌的三种水平基因转移形式接合转导自然转化一、原核微生物基因重组第三节微生物基因重组细菌的三种水平基因转移形式接合转导自然一、细菌的接合作用(conjugation)通过细胞与细胞的直接接触而产生的遗传信息的转移和重组过程一、细菌的接合作用(conjugation)通过细胞与细胞的2.机制(大肠杆菌的接合机制)接合作用是由一种被称为F因子的质粒介导F因子的分子量通常为5×107，上面有编码细菌产生性菌毛（sexpili）及控制接合过程进行的20多个基因。含有F因子的细胞：“雄性”菌株（F+），其细胞表面有性菌毛

不含F因子的细胞：“雌性”菌株（F-），细胞表面没有性菌毛2.机制(大肠杆菌的接合机制)接合作用是由一种被称为F因子F因子为附加体质粒既可以脱离染色体在细胞内独立存在，也可插入（整合）到染色体上F因子为附加体质粒（二）细菌的转导（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能将一个细菌宿主的部分染色体或质粒DNA带到另一个细菌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（二）细菌的转导（transduction）由噬菌体介导的1、普遍性转导（generalizedtransduction）噬菌体可以转导给体染色体的任何部分到受体细胞中的转导过程(1)意外的发现1951年，JoshuaLederberg和NortonZinder为了证实大肠杆菌以外的其它菌种是否也存在接合作用，用二株具不同的多重营养缺陷型的鼠伤寒沙门氏菌进行类似的实验：用“U”型管进行同样的实验时，在给体和受体细胞不接触的情况下，同样出现原养型细菌！1、普遍性转导（generalizedtransducti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：形成转导颗粒的噬菌体可以是温和的也可以是烈性的，普遍性转导的三种后果：进入受体的外源DNA通过与细胞染色体的重组交换而形成稳定的转导子流产转导（abortivetransduction）转导DNA不能进行重组和复制，但其携带的基因可经过转录而得到表达。外源DNA被降解，转导失败。DNA不能复制，因此群体中仅一个细胞含有DNA，而其它细胞只能得到其基因产物，形成微小菌落。普遍性转导的三种后果：进入受体的外源DNA通过与细胞染色体流2、局限性转导（specializedtransduction）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2、局限性转导（specializedtransducti2、局限性转导（specializedtransducti