【国家级】-浙江大学-《微生物学》-第六章 微生物的遗传与变异

第六章微生物的

遗传与变异

MicrobialGeneticsandVariation微生物学Microbiology微生物的遗传

微生物的变异微生物基因重组

Outline遗传性（inheritance）：生物的亲代传递给其子代一套遗传信息的特性。遗传型（genotype）：生物体所携带的全部基因总称。表型(phenotype)

：具有一定遗传型的个体，在特定的外界环境中，通过生长和发育所表现出来的种种形态和生理特征的总和。饰度（modification)

：同型遗传型的生物，在不同的外界条件下，会呈现不同的表型。变异（variation)

只有遗传性的改变，即生物体遗传物质结构上发生的变化，才称为变异。在群体中，自然发生变异的机率极低，但一旦发生后，却是稳定的和可遗传的。有关概念

微生物不同于其他生物的生物学特性（一）单细胞体制或多细胞而极少分化的体制营养体多数是单倍体多数能在一定成分的培养基上迅速生长繁殖在固体培养基上能从单个细胞通过无性繁殖方式形成菌体微生物不同于其他生物的生物学特性（二）代谢作用旺盛环境因素对于分散的细胞起均匀而直接的作用有性世代在较短时间内完成有最简单的类型，例如病毒第一节遗传的物质基础MatterBaseforGeneticsDNA螺旋体DNA的双螺旋分子结构一般认为DNA的双螺旋分子结构是一律的，是由4种脱氧核糖核酸变化排列组成的大分子。但各种生物DNA的4种碱基（base）含量往往是不均等的，而且在各种生物中这4种碱基的含量之比反映着种的特性。两个单链的相对位置上的碱基有严格的配对关系，一条单链上嘌呤的相对位置上必定是嘧啶，一条单链上嘧啶的相对位置上必定是嘌呤；A对应T，G对应C；DNA链上的碱基对（bp）排列则没有一定规律。DNA分子结构的多样性DNA结构的变化无穷无尽的各种生物DNA分子的四种碱基的含量往往不是均等的，碱基的排列也决不是单调的重复，DNA结构的变化方式是无穷无尽的。DNA两个单链的相对位置上的碱基有严格的配对关系，一条单链的嘌呤的相对位置上必定是嘧啶，嘧啶的相对位置必定是嘌呤。G+C/A+T则随着微生物的种类不同而不同，这数值小到0.45，大到2.73。G+Cmol%inDNA很不相同。微生物名称碱基含量（moles）碱基含量比GACTPu/Py(G+T)/(A+C)(G+C)/(A+T)产气荚膜杆菌15.834.115.135.01.001.030.45金黄色葡萄球菌17.332.317.433.00.981.010.53大肠杆菌26.023.926.223.91.001.001.09摩氏变形杆菌26.323.726.723.31.000.981.13粪产碱杆菌33.916.532.816.81.011.032.00绿脓杆菌33.016.834.016.20.990.972.03灰色链霉菌36.113.437.113.40.980.982.73几种微生物的DNA碱基含量比较

(二)遗传物质的存在状态DNA在真核微生物中的存在状态DNA在原核微生物中的存在状态DNA在真核微生物中的存在状态染色体DNA高等动物和植物>真核微生物>原核微生物染色体外的DNA以细胞器形式存在，常呈环状，数量只占染色体DNA的1%以下。真核微生物细胞模式图组蛋白(H1)DNA在原核微生物中的存在状态染色体DNA即为质粒细菌、古菌和放线菌：双链DNA染色体外DNA非细胞生物的遗传物质病毒和亚病毒：

DNA或RNA，双链或单链，线状或环状亚病毒朊病毒朊病毒蛋白

一些真核生物和原核生物的染色体DNA生物 分子量（Da） 碱基对约数 长度（mm）蛙— 2.3×1010 6700人 — 3×109 870果蝇 — 8×107 24脉孢菌 2.8×1010 4.5×107 —大肠杆菌 2.5×109 3×106 1.0噬菌体T2 1.3×108 3×105 0.056λ噬菌体 3.2×107 5×104 0.016多瘤病毒 3×106 — —细菌的染色体和质粒质粒（plasmid）1质粒（plasmid）是微生物染色体外或附加于染色体的携带有某种特异性遗传信息的DNA分子片段。目前仅发现于原核微生物和真核微生物的酵母菌。微生物质粒DNA与染色体DNA差别在于：

①

宿主细胞染色体DNA分子量明显大于细胞所含质粒DNA分子量，如大肠杆菌（Escherichiacoli）染色体的DNA分子为4.6×103kb左右，而通常用于基因工程中的载体一般均小于10kb，1~100×106Da。

②

大肠杆菌染色体质粒DNA较宿主细胞染色体DNA更为耐碱性。质粒（plasmid）2③

质粒所携带的遗传信息量较少。由于质粒DNA的分子量较小，因此所携带的遗传信息远较宿主细胞染色体所携带的遗传信息为小，而且各携带的遗传信息所控制的细胞生命代谢活动很不相同。一般来说，细胞染色体所携带的遗传信息控制其关系到生死存亡的初级代谢及某些次级代谢，而质粒所携带的遗传信息，一般只与宿主细胞的某些次要特性有关，而并不关系到细胞的生死存亡。

质粒（plasmid）3质粒还具有下列特性：

①

可转移性。即某些质粒可以细胞间的接合作用或其它途径从供体细胞向受体细胞转移。如具有抗青霉素质粒的细胞可以水平地将抗青霉素质粒转移到其它种类细胞中，而使后者获得抗青霉素特性。

②

可整合性。在某种特定条件下，质粒DNA可以可逆性地整合到宿主细胞染色体上，并可以重新脱离。

③

可重组性。不同来源的质粒之间，质粒与宿主细胞染色体之间的基因可以发生重组，形成新的重组质粒，从而使宿主细胞具有新的表现性状。

④

可消除性。经某些理化因素处理如加热、或加入丫啶橙或丝裂霉素C、溴化乙锭等，质粒可以被消除，但并不影响宿主细胞的生存与生命活动，只是宿主细胞失去由质粒携带的遗传信息所控制的某些表现型性状。质粒（plasmid）存在的形态细菌质粒和真核生物细胞器DNA的共同点自体复制。一旦消失以后，后代细胞中不再出现它们的DNA只占染色体DNA的一小部分。细菌质粒和真核生物细胞器DNA的区别成分和结构简单，一般都是较小的环状DNA分子，并不和其他物质一起构成一些复杂的结构。功能更为多样化，可一般不是必需的。许多细菌质粒能通过细胞接触而自动地从一个细菌转移到另一个细菌，使两个细菌都带有此质粒。几种代表性的细菌质粒(1)F因子(Fertilityfactor）：致育因子，是E.coli等细菌中决定性别的质粒，分子量62×106Da，94.5kb。负责接合转移:编码形成性纤毛的基因和DNA复制的基因

Fplasmidintergration几种代表性的细菌质粒(2)R因子(Resistantfactor)：携带有分解某种抗生素或药物酶系的基因的质粒，可以赋予宿主细胞耐或抗或分解或失活某种抗生素或药物的性能。

RTF质粒，含有调节DNA复制和拷贝数的基因及转移基因，有时还有tet基。抗性决定质粒,大小不固定，其上含其他抗生素的抗性基因。Col因子：产大肠杆菌素因子大肠杆菌素都是由质粒——Col因子编码几种代表性的细菌质粒(3)一种由大肠杆菌的某些菌株所分泌的细菌素，具有通过抑制复制、转录、转移或能量代谢等而专一地杀死其他肠道细菌的功能，其分子量约（4×104D）-（8×104D）。大肠杆菌素（colicin)：几种代表性的细菌质粒(4)Ti质粒（Tumorinducingplasmid)：诱癌质粒，长200kb,是一大型质粒，当前已成为植物遗传工程研究中的重要载体。巨大质粒（mega质粒）：分子量200~300×106D，上有一系列固氮基因，存在于根瘤菌中。降解性质粒（degradingplasmid)：在假单胞菌（Pseudomonas)等中发现。它们的降解性质粒可为一系列能降解复杂物质的酶编码，从而能利用一般细菌所难以分解的物质作碳源。遗传物质上的区别遗传物质是DNA染色体由DNA及蛋白质构成染色体不止一个许多染色体为核膜所包被遗传物质是DNA或RNA染色体是单纯的DNA或RNA染色体往往只有一个染色体外无膜包围真核微生物原核微生物可在染色体上不同部位之间移动的遗传物质

插入序列：能在染色体上和质粒的许多位点上插入并改换位点，也称跳跃基因。转座子：能插入染色体或质粒不同位点的一般DNA序列，具有转座功能，本身也可复制。转座后在原来位置仍保留1份拷贝。某些病毒：能自我复制，也可整合到染色体或质粒上，且可在微生物细胞之间进行转移而可看作为一类微生物染色体外的遗传物质。转座子RNA作为遗传物质

Fraenkel-Conrat（1956）利用含RNA的烟草花叶病毒(TMV)所进行的分析与重建实验证明：杂种病毒的感染和蛋白质的特征是由它的RNA决定的，即遗传物质是RNA。关于朊病毒的遗传物质问题1

朊病毒（Virino）：蛋白侵染因子，是一种比病毒更小、仅含具有侵染性的疏水蛋白质分子，是一类能引起哺乳动物的亚急性海绵样脑病的病原因子。关于朊病毒的遗传物质问题2纯化的感染因子称为朊病毒蛋白（PrP）。在正常的人和动物细胞的DNA中都有编码PrP的基因。且无论受感染与否，宿主细胞中PrPmRNA水平保持稳定，即PrP是细胞组成型基因的表达产物，为一种膜糖蛋白，称为PrPc。PrPc与引发羊瘙痒病的PrPsc是同分异构体，一级结构相同，但折叠程度不同，PrPsc的β折叠程度大为增加而导致溶解度降低，对蛋白酶的抗性增强。朊病毒的PrPc与PrPsc结构PrPcPrPsc关于朊病毒的遗传物质问题3有人认为PrPsc进入细胞后与PrPc的结合，形成PrPc-PrPsc复合体，使PrPc构型变化为PrPsc，即形成2个PrPsc分子，2个PrPsc分子再分别与2个PrPc分子结合，进入下一轮循环，PrPsc可呈指数增加。尽管至今仍有人认为朊病毒含有很少量的核酸物质，但尚无确切证据表明PrPsc的增殖是由核酸控制的。朊病毒的复制

PrPc作为许多细胞正常代谢的一部分，被合成和降解，其结构的随机不稳定性能产生极少数部分折叠或构象变化的单体结构PrP·,PrP·是形成PrPsc的中间体，正常情况下，PrP·的形成无意义，在传染了朊病毒时，外源朊病毒进入细胞，促使PrP·转变为PrPsc,因为PrPsc比PrPc的结构稳定，所以加速了PrPc向PrPsc的转变。PrPC与PrPSC的转换PrPC与PrPSC的转换朊病毒的致病机理关于朊病毒的致病机理，有研究报道，朊病毒不仅是使PrPc缺失，影响细胞正常功能，如影响内钙调节、运动系统、昼夜节律等，更重要的是使神经细胞对自由基敏感，并在小胶质细胞的联合作用下放出大量氧化自由基，通过这种破坏杀死神经细胞。（三）染色体基因组的编码功能分配1对大肠杆菌基因功能的研究表明，这些基因可以分为不同的功能组。参与翻译、核糖体结构和生物合成的基因166个，参与转录的基因242个，参与DNA复制、重组和修复的基因213个，参与细胞分裂和染色体分离的基因28个，参与翻译后修饰、蛋白转化及具分子伴侣功能的基因119个，参与细胞膜生物合成及编码外膜组成蛋白的基因199个，参与细胞运动及分泌功能的基因115个，参与无机离子转运及代谢的基因169个，参与信号传导的基因140个，参与能量产生及转换的基因267个，参与糖类转运及代谢的基因328个，参与氨基酸转运及代谢的基因340个，参与核苷酸转运及代谢的基因89个，参与辅酶代谢的基因116个，参与脂类代谢的基因85个，参与次生代谢物生物合成、转运及代谢的基因87个。染色体上编码各种功能的基因比例,%编码的功能大肠杆菌流感嗜血菌生殖道枝原体

(Escherichiacoli)(Haemophilus

influenzae)（Mycoplasma

genitalium代谢 21.0 19.0 14.6结构 5.5 4.7 3.6运输 10.0 7.0 7.3调节 8.5 6.6 6.0翻译 4.5 8.0 21.6转录 1.3 1.5 2.6复制 2.7 4.9 6.8已知的其他 8.5 5.2 5.8未知 38.1 43.0 32.0染色体基因组的编码功能分配与遗传图谱

E.coligeneticmapDNA的自体复制定义：复制不是依靠细胞中酶的作用，而是指其分子结构的特异性由它本身所决定的。经典实验：

利用同位素标记方法在大肠杆菌中进行试验。密度梯度离心试验结果以及半保留复制模型DNA复制的一般过程冈崎片段的连接DNAmoleculealwaysgrowsfrom5’toward3’endRNA与遗传表达

RNA结构与功能

rRNA（ribosomalRNA）mRNA（messengerRNA）

tRNA（transferRNA）

“DNA→RNA→蛋白质”的遗传信息流

tRNArRNA占细胞总RNA的80%以上或核糖体的65%左右。核糖体是细胞合成蛋白质的场所。在蛋白质合成过程中起将氨基酸运输转移到核糖体上的作用。tRNA链通过互补碱基之间的氢键折叠成三叶草形特异结构，那些非互补的碱基片段形成3个小环状。原核微生物中的核糖体为70S，由50S和30S的2个亚单位组成。真核微生物细胞中的核糖体为80S。细胞器中的核糖体大小与原核微生物中一样，是70S的。80S的核糖体由分别为60S和40S的2个亚单位构成。原核细胞mRNA与真核细胞mRNA的结构转录过程

翻译过程

“DNA→RNA→蛋白质”的遗传信息流

举例：转录过程将DNA链携带的遗传信息（基因）按碱基配对原则转录于mRNA上，使mRNA链上携带有DNA链携带的遗传基因信息。蛋白质翻译微生物基因表达的调控

酶量的转录水平调控酶量的翻译及翻译后调控微生物基因的表达是其遗传信息转化为生物学性状与功能的必需过程。微生物生物学性状与功能是基因主要表达产物所有酶类综合作用的结果。因此酶活性的调节和酶量的调节是基因表达调控的两种主要方式。

酶量的转录水平调控编码酶蛋白与RNA聚合酶和CAP蛋白相结合并控制转录起始正转录调控如果效应物（诱导物）的存在使激活蛋白具有激活作用，称为正控诱导系统；如果效应物（有阻遏作用的代谢产物或抑制物）的存在使激活蛋白不具有激活作用则称为正控阻遏系统。其激活蛋白的作用位点在离启动区较近的激活结合位点，对于启动区起正调控作用。负转录调控如果调节基因产物阻遏蛋白不和效应物结合时可以阻止结构基因的转录，称为负控诱导系统；如果调节基因产物阻遏蛋白和效应物（有阻遏作用的代谢产物等）结合时可以阻止结构基因的转录，称为质控系统。与激活蛋白作用位点不同，阻遏蛋白的作用位点是在操纵区。酶量的翻译及翻译后调控

转录后的翻译及翻译后调控只是转录调控的一种补充，以使微生物的基因表达能更适应环境的变化和本身的需要。核糖体结合位点（ribosome-bindingsite）

在RBS上除有起始密码子AUG外，还有一个富含G和A的、长为5个核苷酸的SD序列。原核微生物的mRNA结合核糖体的序列最初是由夏英（Shine）和达尔加诺（Dalgarmo）发现的，因此称为SD序列。功能：与核糖体16SrRNA的3’端互补配对，使核糖体结合到mRNA上，为开始翻译作准备。SD序列对翻译效率有明显影响，SD序列与起始密码子之间的序列和距离对翻译效率也有影响。mRNA的二级结构可调控翻译的起始和蛋白质合成的效率，而mRNA的稳定性即半衰期影响遗传信息的翻译时间，也即影响翻译量。翻译过程中，微生物也可利用稀有密码子(rarecodons)的方式来控制同一操纵子中不同基因的表达量。反义RNA（antisenseRNA）信号肽在分泌蛋白跨越细胞膜的过程中起有特殊功能。

第二节微生物的变异variation

变异：微生物子代的表型特征与其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，即遗传物质DNA或RNA病毒和噬菌体中的RNA中的核苷酸序列发生了一种稳定的和可遗传的变化。基因突变或称点突变：由于DNA（RNA病毒和噬菌体的RNA）链上的一对或少数几对碱基被另一个或少数几个碱基对取代发生改变的突变类型。染色体畸变：是DNA链上大段发生变化或损伤所引起的突变类型。这里包括染色体DNA链上的插入（insertion）、缺失（deletion）、重复（duplication）、易位（translocation）、倒位（inversion）等。突变类型依据表型改变分为：形态突变型：发生细胞形态变化或引起菌落形态改变的突变型。生化突变型：一类发生代谢途径变异但无明显形态变化的突变型。致死突变型：造成个体死亡或生活力下降的突变型，后者称为半致死突变型。条件致死突变型：在某一条件下具致死效应，而在另一条件下无致死效应的突变型。生化突变型分类营养突变型：由基因突变而引起代谢过程中某酶合成能力丧失的突变型，它们必须在培养基中添加相应的营养成分才能正常生长。抗性突变型：一类能抵抗有害理化因素的突变型。根据其抵抗对象可分为抗药性、抗紫外线或抗噬菌体等突变类型。抗原突变型：指细胞成分尤其是细胞表面成分（细胞壁、荚膜、鞭毛）的细微变异而引起抗原性变化的突变型。突变的其他分类类型

依遗传物质的结构改变分为：碱基置换、移码、DNA片段的缺失和插入

依突变引起的遗传信息的改变分为：

同义突变、错义突变和无义突变基因突变

自发突变自发突变的频率很低。引发自发突变的分子基础是DNA分子某种程度上的改变，如在DNA复制过程中DNA聚合酶产生错误，DNA分子物理性质的损伤、重组、转座等等。诱发突变

凡能提高突变率的任何理化因子都可称为诱变剂。包括碱基类似物，在分子形态上类似于碱基对的具有3个苯环结构的扁平染料分子，可与DNA碱基直接起化学反应的亚硝酸、羟胺和烷化剂等，紫外线、X射线、γ射线、快中子等射线，热处理等，还有一些来自于其他微生物的DNA片段、转座子等生物因子等都可诱发突变。自发突变的特性

不对应性：突变性状与引起突变的原因间无直接对应关系。自发性：频率较低、稳定。独立性诱变性：通过诱变剂的作用，可提高自发突变的频率稳定性：所产生的新性状稳定且可遗传。可逆性：任何性状既有正向突变，也可发生回复突变。诱发突变

碱基置换：对DNA来说，碱基置换属于一种染色体的微小损伤，一般也称点突变。它只涉及一对碱基被另一对碱基所置换。

移码突变（frame-shiftmutation）

染色体畸变（chromosomalaberration）

Transitionmutations:Transversionmutations:YYTCGGACTYAR碱基置换（substitution）

移码突变：指诱变剂使DNA分子中的一个或少数几个核苷酸的增添（插入）或缺失，从而使该部位后面的全部遗传密码发生转录和转译错误的一类突变。由移码突变所产生的突变株，为移码突变株。与染色体畸变相比，移码突变也只是DNA分子的微小损伤。DNA损伤的修复

光复活（Photoreactivation)切除修复(Excisionrepair)重组修复(Recombinationrepair)SOS修复UVlightdestroysbacteria,virusesandmanyothermicro-organismsbyinterferingwiththeDNAandRNAintheorganisms'reproductiveprocesses.光修复机理切除修复作用示意图重组修复(recombinationrepair)某些损伤不能用模板作为信息来源。还有如互补双方的DNA片断都丢失了，更无可能互相参照修复。在这种情况下，就只有从另外相同和相似的DNA分子上取得相应片断来修复，这种修复DNA的双链需要排列组合，称为重组修复。

SOS修复（SOSrepair）

SOS是一组基因，是DNA修复最重要最广泛的基因集团，为DNA的损伤所诱导。修复基因包括recA、lexA、uvrA、uvrB、uvrC等。它们在DNA未受重大损伤时受LexA阻遏蛋白抑制，使mRNA和蛋白质合成都保持在低水平状态，只合成少量Uvr修复蛋白。

突变与育种自发突变育种诱变育种：利用物理和化学诱变剂处理均匀分散的微生物细胞群，大幅度提高突变频率，然后设法采用简便、快速和高效的筛选方法，从中挑选少数符合育种目的的突变株。从生产中选育定向培养优良菌种

诱变剂处理目前在实践上常用的诱变剂主要有：紫