课件上大chapter8微生物遗传

1第八章微生物遗传马中良上海大学生命科学学院

2第一节微生物遗传学的发展3遗传(inheritance)：亲代与子代相似，稳定性保守性变异(variation)：亲代与子代、子代间不同个体不完全相同遗传型/基因型(genotype)：表型(phenotype)：生物的全部遗传因子，即基因组所携带的遗传信息及基因。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。生命的最本质特性之一遗传型+环境条件表型4第二节遗传的物质基础一、DNA作为遗传物质二、RNA作为遗传物质三、朊病毒的发现51928年，F.Griffith，转化实验经典转化实验（transformation）Streptococcuspneumoniae（肺炎链球菌）两种类型：SIII型菌株：有荚膜，菌落表面光滑，有致病性RII型菌株：无荚膜，菌落表面粗糙，无致病性6细菌培养试验培养皿培养长出大量R菌＋少量S菌S菌的无细胞抽提液＋活R菌热死S菌活R菌热死S菌＋活R菌不生长长出R菌长出大量R菌＋少量S菌加热杀死的SIII型细菌细胞内可能存在一种转化物质，它能通过某种方式进入RII型细胞并使RII型细胞获得稳定的遗传性状，转变为SIII型细胞。7①加S菌DNA②加S菌DNA及DNA酶以外的酶③加S菌的DNA和DNA酶④加S菌的RNA⑤加S菌的蛋白质⑥加S菌的荚膜多糖1944年O.T.Avery

以更精密的实验设计重复了以上实验。从热死S型S.pneumoniae中提纯了可能作为转化因子的各种成分，并在离体条件下进行了转化试验：只有S型细菌的DNA才能将S.pneumoniae的R型转化为S型。且DNA纯度越高，转化效率也越高。说明S型菌株转移给R型菌株的，是遗传因子。长出S菌只有R菌活R菌8（二）噬菌体感染实验A.D.Hershey和M.Chase，1952年910WatsonandCrick-TheDoubleHelixIn1953,JamesWatsonandFrancisCrickpresentedamodelofthestructureofDNA.111956年，H.Fraenkel-Conrat用含RNA的烟草花叶病毒（TMV）和霍氏车前花叶病毒（HRV）进行了著名的植物病毒重建实验。

将TMV和HRV在一定浓度尿素或苯酚溶液中振荡，分别拆分得到各自的RNA和蛋白质，将两种RNA分别与对方的蛋白质外壳重建形成两种杂合病毒：A杂合病毒：RNA（TMV）­蛋白质（HRV）B杂合病毒：RNA（HRV）­蛋白质（TMV）二、植物病毒重建试验12用上述两种杂合病毒感染寄主，发现：A杂合病毒表现TMV的典型症状病，并分离到正常TMV粒子B杂合病毒表现HRV的典型症状病，并分离到正常HRV粒子。结论：在RNA病毒中，遗传的物质基础也是核酸。13疯牛病

牛海绵状脑病（Bovinespongiformencephalopathy,BSE），又称疯牛病，是一种侵犯牛中枢神经系统的慢性的致命性疾病。朊病毒的发现与思考14

共同特征是：生物体的认知和运动功能严重衰退直至死亡。其主要成份是一种蛋白酶抗性蛋白，对蛋白酶具有抗性,无免疫反应。可通过孕妇胎盘垂直传播

15其致病作用是由于动物体内正常的蛋白质PrPc改变折叠状态为PrPsc所致，而这二种蛋白质的一级结构并没有改变。Prusiner(1982)提出羊搔痒病因子是一种蛋白质侵染颗粒（proteinaceousinfectiousparticle），并将之称做Prion。

16三、朊病毒的发现与思考（1）蛋白质是否可以作为遗传物质？

prion是生命的一个特例？还是仅仅为表达调控的一种形式？（2）蛋白质折叠与功能的关系，是否存在折叠密码？DNA→RNA→肽链→蛋白质17第三节微生物的基因组18基因组（genome）：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19微生物基因组结构的特点原核生物大肠杆菌Escherichiacoli

染色体为双链环状的DNA分子（单倍体）；

基因组上遗传信息具有连续性；一般不含内含子功能相关的结构基因组成操纵子结构；结构基因的单拷贝及rRNA基因的多拷贝基因组的重复序列少而短基因数基本接近由它的基因组大小所估计的基因数通常以1000bp～1500bp为一个基因；20古生菌

詹氏甲烷球菌methanococcusjannaschii1977woese

threedomain基因组结构类似于细菌转录等信息传递系统同真核基因21一、染色体以外的遗传因子第四节质粒和转座因子线粒体和叶绿体中含有的DNA能够自体复制，并编码执行线粒体和叶绿体功能的蛋白，属于染色体以外的遗传因子。22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。23

转座子（Transposon

,简称Tn）,又称易位子，是指存在于染色体DNA上可以自主复制和位移的一段DNA顺序。

24转座因子的发现和检出

1951年McClintock提出转座（Transposition）和跳跃基因(jumpinggene)的新概念；25转座元件首先是由BarbaraMcClintock于40年代在玉米的遗传学研究中发现的，她称之为控制元件（controllingelement），因为它不仅能够在基因组内转移，而且还能够改变基因的活性并引起功能的改变。现在认为转座子存在于地球上所有的生物。26McClintock：玉米籽粒的颜色很不稳定.

遗传因子可以移动，从染色体的一个位置跳到另一位置，从一个染色体跳到另一染色体。玉米的控制因子可以在基因组内移动，其中有一个叫做解离因子（Ds，dissociation）解离因子Ds经常变动在染色体上的位置，影响邻近基因的作用。27Ds的改变受激活因子(Ac，activator)的影响。Ac可位于基因组中任何其他地方。28转座子的分类1.1插入序列(IS)最简单的转座子称为插入序列(Insertionsequence，IS)。

IS家族有很多成员，它们的结构相似特征：

两端都有短5-9bp的正向重复序列（directrepeats,DR）（靶序列），

略长15-25bp的反向重复序列（invertedrepeats,IR）1kb左右的编码区，它仅编码和转座有关的转座酶。29第五节原核生物的基因转移与重组原核生物的不同水平的基因转移形式

接合(conjugation)

转化(transformation)

转导(transduction)

转染(transfection)

原生质体融合

(protoplastfusion)30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。实验证据1946年，JoshuaLederberg和EdwardL.Taturm细菌的多重营养缺陷型杂交实验31材料：大肠杆菌(Escherichiacoli)K12菌株的两个营养缺陷型A—甲硫氨酸缺陷型met-和生物素缺陷型bio-；B—苏氨酸缺陷型thr-和亮氨酸缺陷型leu-。方法：将A、B混和，在基本培养基(固体)上涂布培养。结果：平板上长出原养型菌落(++++)。?大肠杆菌杂交试验32实验结果的分析

对上述试验结果原养型菌落可能产生于：亲本细菌A或B发生了回复突变？发生细胞融合，形成了异核体或杂合二倍体？33

在Lederbery和Tatum及其它类似试验中，发生了一种不同于转化的遗传重组方式，称之为接合。中间平板上长出的原养型菌落是两菌株之间发生了遗传交换和重组所致！34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。

不含F因子的细胞：“雌性”菌株（F-），细胞表面没有性菌毛含有F因子的细胞：“雄性”菌株（F+），其细胞表面有性菌毛35F因子的四种细胞形式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+）。F+菌株，F因子独立存在，细胞表面有性菌毛。Hfr(highfrequencybination,Hfr)菌株F因子插入到染色体DNA上，细胞表面有性菌毛。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。36F+×F-杂交结果：供体细胞和受体细胞均成为F+细胞理化因子的处理可将F因子消除而使F+菌株变成F-菌株。F+菌株的F因子向F-细胞转移，但含F因子的宿主细胞的染色体DNA一般不被转移。37高频重组菌株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。Hfr×F-杂交F因子的先导区(leadingregion)结合着染色体DNA向受体细胞转移，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(或接合子)大多数仍然是F-。???38F′×F-杂交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。F′×F-与F+×F-的不同：供体的部分染色体基因随F′一起转入受体细胞。39F×F+F+F++F×+FFF×+FHfrHfrF（多数情况下）F×+HfrHfrHfr（少数情况下）雄性菌株与雌性菌株接合结果

以F质粒来传递供体基因的方式，称为F质粒转导或F因子转导、性导、F质粒媒介的转导。

401951年，JoshuaLederberg和NortonZinder目的（aim）：为了证实大肠杆菌以外的其它菌种是否也存在接合作用。材料（materials）：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。41结果（Result）：在供体和受体细胞不接触的情况下，同样出现原养型细菌。

???讨论（Discussion）：42沙门氏菌LT22A是携带P22噬菌体的溶源性细菌

基因的传递是由可透过“U”型管滤板的P22噬菌体介导的普遍性转导——基因转移途径的发现FU43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。细菌转导的两种类型普遍性转导局限性转导44

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：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。45

完全转导外源性DNA片段与受体菌的染色体整合，并随染色体而传代，称完全转导。

流产转导外源性DNA片段游离在胞质中，既不能与受体菌染色体整合，也不能自身复制，称为流产转导。46局限性转导与普遍性转导的主要区别a）局限性转导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。47转化（transformation）

受体细胞直接吸收了来自供体细胞的DNA片断，并把它整合到自己的基因组中，细胞部分遗传性状发生变化的现象叫转化。通过转化而形成的杂种后代称转化子。

48转化因子转化是游离的DNA片段的转移和重组。游离的DNA片段叫转化因子。转化因子由供体提供，自然情况下可由细菌细胞自行裂解产生，实验室里通过提取获得。双链DNA有转化能力，单链较少，质粒49受体细胞能接受转化的生理状态称为感受态。只有处于感受态的细菌才能接受转化因子，从出现到消失约为40分钟(对数期的中期)感受态感受态细胞（competentcell）：具有摄取外源DNA能力的细胞50感受态的决定因素细胞遗传性决定和菌龄有关环腺苷酸cAMP可提高1000倍Ca2+能促使细胞进入感受态51

当转化因子结合到受体表面结合点上时，DNA一条链被受体细胞膜上的核酸酶分解，另一条链进入受体细胞，通过整合与受体细胞进行基因重组，DNA也可通过双链形式进入受体细胞形成双倍体的转化子。转化过程52转化的特点

不需两个细胞直接接触，供体DNA提取出来，注入受体即可。53转染(transfection)现在把DNA转移至动物细胞的过程也称转染。

提纯的噬菌体DNA以转化的（而非感染）途径进入细胞并表达后产生完整的病毒颗粒。54原生质体融合（protoplastfusion）

通过人为的办法使遗传性状不同的两个细胞的原生质体进行融合，而获得兼有双亲遗传性状的稳定重组子的过程。55Conjugation：细胞与细胞的直接接触（由F因子介导）Transduction：噬菌体介导Transformation：DNA分子+感受态细胞Transfection：噬菌体DNA+感受态细胞Protoplastfusion：原生质体与原生质体的直接接触Summary56基因定位和基因组测序基因定位：通过遗传重组等手段确定不同的基因在染色体上的位置及相对距离，从而获得遗传图谱。细菌基因转移的三种方式（接合、转导、转化）都可以用来进行细菌基因组作图。基因组测序：测定待测生物基因组的所有碱基排列顺序，并在此基础上对遗传信息进行研究和分析。57中断杂交（interruptedmating）技术在不同时间取样，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。58一、菌种的衰退与复壮1）从衰退的菌种群体中把少数个体再找出来，重新获得具有原有典型性状的菌种。2）有意识地利用微生物会发生自发突变的特性，在日常的菌种维护工作中不断筛选“正变”个体。大量群体中的自发突变菌种的复壮：a）纯种分离；b）通过寄主体进行复壮；菌种衰退：59二、防止衰退的措施1）减少传代次数；2）创造良好的培养条件；3）经常进行纯种分离，并对相应的性状指标进行检查；4）采用有效的菌种保藏