微生物遗传细菌基因转移

微生物遗传细菌基因转移第一页，共三十三页，2022年，8月28日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第二页，共三十三页，2022年，8月28日细菌的基因转移和基因重组第三页，共三十三页，2022年，8月28日1.1细菌基因组

1.1.1概况（大肠杆菌K-12）基因组大小：4.6Mbp。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951bp，4500-5100bp：4个，3000-4500bp：51个，381个基因长度小于300bp，最大基因7149bp。第四页，共三十三页，2022年，8月28日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.coliK-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%第五页，共三十三页，2022年，8月28日1.1.3其它序列rRNA基因：一般一个转录单元含有三个rRNA基因（5SrDNA,16SrDNA,23SrDNA）tRNA基因：以基因簇的形式存在，簇集在复制起点附近重复序列：Rhs（5.7-9.6kb,5个）,REP,ERIC,Chi等插入序列和转座子噬菌体第六页，共三十三页，2022年，8月28日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：1-1000Kb。也存在线状DNA质粒和RNA质粒。第七页，共三十三页，2022年，8月28日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，编号是阿拉伯数字第八页，共三十三页，2022年，8月28日质粒编码的遗传表型致育质粒（F因子）抗药性质粒（R质粒）能使宿主微生物对抗生素、化学药物或重金属离子等杀菌剂表现出抗性。产生抗生素（SCP1）和细菌素的质粒（Col）产生毒素的质粒降解质粒致病性质粒、共生固氮质粒隐蔽质粒第九页，共三十三页，2022年，8月28日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）第十页，共三十三页，2022年，8月28日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第十一页，共三十三页，2022年，8月28日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）需保持选择压力第十二页，共三十三页，2022年，8月28日1.3基因转移的种类和特点

4种形式：1）转化

2）转导：由噬菌体介导

3）接合：由F因子介导

4）原生质体融合特点：1）片段性

2）单向性

3）基因转移机制多样第十三页，共三十三页，2022年，8月28日1.3.1F因子（Fertilityfactor）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94.5Kb，主要分为三个区域：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。第十四页，共三十三页，2022年，8月28日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′因子。细胞表面同样有性菌毛。第十五页，共三十三页，2022年，8月28日Hfr菌株的F因子插入到染色体DNA上，因此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F-细胞并发生重组，由此而得名为高频重组菌株（能十分有效地转移细菌基因）。2）Hfr×F-杂交F-

Hfr菌株仍然保持着F+细胞的特征，具有F性菌毛，并象F+一样与F-细胞进行接合。所不同的是，当OriT序列被缺刻螺旋酶识别而产生缺口后，F因子的先导区(leadingregion)结合着染色体DNA向受体细胞转移，F因子除先导区以外，其余绝大部分是处于转移染色体的末端，由于转移过程常被中断，因此F因子不易转入受体细胞中，故Hfr×F-杂交后的受体细胞大多数仍然是F-（即不能使受体菌变成供体）。第十六页，共三十三页，2022年，8月28日染色体上越靠近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。第十七页，共三十三页，2022年，8月28日

中断杂交（interruptedmating）技术和基因定位利用Hfr×F-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。第十八页，共三十三页，2022年，8月28日

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），其遗传图谱须用多株F因子整合在不同位置的Hfr菌才能完成第十九页，共三十三页，2022年，8月28日三亲结合转移供体基因携带菌辅助质粒携带菌受体菌第二十页，共三十三页，2022年，8月28日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第二十一页，共三十三页，2022年，8月28日普遍性转导

（generalizedtransduction）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。第二十二页，共三十三页，2022年，8月28日

转导模型第二十三页，共三十三页，2022年，8月28日转导噬菌体为什么“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P22DNA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第二十四页，共三十三页，2022年，8月28日

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第二十五页，共三十三页，2022年，8月28日普遍性转导的三种后果1、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2、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。3、外源DNA被降解，转导失败。第二十六页，共三十三页，2022年，8月28日局限性转导（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第二十七页，共三十三页，2022年，8月28日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第二十八页，共三十三页，2022年，8月28日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。

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。

第二十九页，共三十三页，2022年，8月28日自然遗传转化（naturalgenetictransformation）人工转化（artificialtransformation）感受态细胞：具有摄取外源DNA能力的细胞（competentcell）第三十页，共三十三页，2022年，8月28日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！）第三十一