天津工業(yè)大學(xué)考研微生物課件19.ppt

第八章 微生物遺傳學(xué) (1),遺傳（heredity ）:,上一代生物將自身的一整套遺傳基因穩(wěn)定地傳遞給下一代的特性 。,變異（variation）：,生物體在某種外因或內(nèi)因的作用下，發(fā)生遺傳物質(zhì)結(jié)構(gòu)或數(shù)量的改變，而且這種改變穩(wěn)定，具有可遺傳性 。,引言,1. 遺傳與變異,遺傳保證了微生物種的相對穩(wěn)定性、種的存在和延續(xù)， 而變異則推動了種的進(jìn)化和發(fā)展。,2. 遺傳型和表型,遺傳型（genotype）,表型( phenotype ),某一生物體個體所含有的全部遺傳因子，即基因的總和 ，又稱為基因型。,某一生物體所具有的一切外表特征及內(nèi)在特性的總和。,表型的實現(xiàn)是由生物體的遺傳型和環(huán)境條件共同作用的結(jié)果。,飾變（modification）,表型的差異只與環(huán)境有關(guān)。不涉及遺傳物質(zhì)結(jié)構(gòu)改變而只發(fā)生在轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)譯水平上的表型改變。,谷氨酸發(fā)酵的溫度敏感菌株在30時菌體生長而不產(chǎn)生氨基酸，但是當(dāng)溫度提高到37時，菌體大量合成谷氨酸。,變異,遺傳物質(zhì)改變，導(dǎo)致表型改變,3. 飾變與變異,（遺傳型變異, 基因突變）,特點：遺傳性、群體中極少數(shù)個體的行為 （自發(fā)突變頻率通常為10-6-10-9）,特點：暫時性、不可遺傳性、表現(xiàn)為全部個體的行為。,微生物是遺傳學(xué)研究中的明星:,微生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)簡單，營養(yǎng)體一般為單倍體，方便建立純系。,很多常見微生物都易于人工培養(yǎng)，快速、大量生長繁殖。,對環(huán)境因素的作用敏感，易于獲得各類突變株，操作性強。,第一節(jié) 遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ),一、證明核酸是遺傳物質(zhì)基礎(chǔ)的三個經(jīng)典實驗,二、遺傳物質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)存在部位和方式,經(jīng)典轉(zhuǎn)化實驗: 證明DNA是遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)。,Avery在四十年代以更精密的實驗設(shè)計重復(fù)了以上實驗,分別用S型菌中提取的DNA、RNA和 蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化R型菌,且DNA被酶降解破壞的抽提物無轉(zhuǎn)化活性,DNA是轉(zhuǎn)化所必需的轉(zhuǎn)化因子,一、三個經(jīng)典實驗,T2噬菌體感染實驗,2. 噬菌體感染實驗（1952年，A.D.Hershey 和 M.Chase）,3. 植物病毒的重建實驗,證明雜種病毒的蛋白質(zhì) 外殼來自TMV還是HRV, 可用血清學(xué)反應(yīng)鑒定,證明核酸（RNA）是遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ),血清學(xué)反應(yīng)說明病毒蛋 白質(zhì)的特性由核酸而定,H. Fraenkel-Conrat (1956年),病斑的特性和 病毒核酸一致,二、遺傳物質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)存在的部位和方式,（一）七個水平,細(xì)胞水平,（單核，多核）,細(xì)胞核水平,（真核，擬核）,染色體水平,核酸水平,（DNA，部分病毒為RNA；雙鏈，少數(shù)病毒為單鏈）,基因水平,（遺傳功能單位）,密碼子水平,（遺傳信息單位）,核苷酸水平,（最低突變單位和交換單位）,周德慶p192-197;自學(xué),（一套，兩套, 核外染色體）,基因（gene）是什么?,是實體，其物質(zhì)基礎(chǔ)是DNA （或RNA）； 是一個含有特定遺傳信息的DNA分子區(qū)段； 是遺傳信息傳遞和性狀分化發(fā)育的依據(jù)； 基因是可分的，根據(jù)功能不同，分為： 編碼蛋白質(zhì)的基因 結(jié)構(gòu)基因（結(jié)構(gòu)蛋白，酶） 調(diào)節(jié)基因（阻遏蛋白或激活蛋白） 無翻譯產(chǎn)物的基因 tRNA基因（簡稱 tDNA ） rRNA基因（簡稱rDNA ） 不轉(zhuǎn)錄的DNA區(qū)段 啟動子（promotor） 操縱基因（operator）,基因是一個含有特定遺傳信息的核苷酸序列，它是遺傳的功能單位。,第二節(jié) 質(zhì)粒,P196,質(zhì)粒（plasmid）,一種獨立于染色體外，能進(jìn)行自主復(fù)制的細(xì)胞質(zhì)遺傳因子， 主要存在于各種微生物細(xì)胞中。,附加體(episome),指哪些既可以整合到核染色體上，作為染色體的一部分而進(jìn)行復(fù)制，又可以再游離出來或攜帶一些寄主的染色體基因游離出來，這類質(zhì)粒被稱為附加體。,1、質(zhì)粒的分子結(jié)構(gòu),(1) 結(jié)構(gòu),通常以共價閉合環(huán)狀(covalently closed circle，簡稱CCC)的 超螺旋雙鏈DNA分子存在于細(xì)胞中；,也發(fā)現(xiàn)有線型雙鏈DNA質(zhì)粒和RNA質(zhì)粒；,質(zhì)粒分子的大小范圍從1kb左右到1000kb； （細(xì)菌質(zhì)粒多在10kb以內(nèi)）,2.質(zhì)粒的分離,堿提取法： 菌體的培養(yǎng)和收集：一般采用豐富培養(yǎng)基對菌體進(jìn)行培養(yǎng)，當(dāng)細(xì)胞生長到指數(shù)期后期時，離心收集細(xì)胞。 溶菌：一般用溶菌酶去壁以形成原生質(zhì)體或原生質(zhì)球。 堿變性處理：在SDS等表面活性劑存在下加NaOH液使pH升至12.4，可使菌體蛋白質(zhì)、染色體DNA以及質(zhì)粒DNA變性。 質(zhì)粒復(fù)性：加入pH4.8的KAc-HAc緩沖液，將提取液調(diào)至中性，由于質(zhì)粒分子量小而容易復(fù)性，并穩(wěn)定存在于溶液中；染色體DNA分子量太大，在復(fù)性過程中形成DNA之間的交聯(lián)導(dǎo)致其形成更大分子的不溶性物質(zhì)。 離心分離：經(jīng)高速離心可以使細(xì)胞碎片和已變性的菌體蛋白及染色體DNA一起沉淀，上清液中主要是質(zhì)粒DNA，經(jīng)乙醇沉淀后，可獲得質(zhì)粒DNA。,（參見 P197）,3.質(zhì)粒的檢測,提取所有胞內(nèi)DNA后電鏡觀察；,氯化銫-溴化乙啶密度梯度超速離心；,對于實驗室常用菌，可用質(zhì)粒所帶的某些特點， 如抗藥性初步判斷。,對于由于三種構(gòu)型同時存在時造成的多帶現(xiàn)象（提取質(zhì)粒時造成 或自然存在），可以進(jìn)行特異性單酶切，使其成為一條帶。,瓊脂糖凝膠電泳后觀察；,4. 質(zhì)粒的特性,(1) 位于核基因組外；,(3) 自主復(fù)制；,(2) cccDNA,鏈霉菌和酵母菌中發(fā)現(xiàn)了線狀dsDNA質(zhì)粒和RNA質(zhì)粒,(4) 有的質(zhì)粒可整合到核染色體上；,(5)可重組（質(zhì)粒與質(zhì)粒間，質(zhì)粒與染色體間）；,(6) 人為消除（丫叮類，UV，電離輻射，利福平等）,(7) 有的質(zhì)?？稍诩?xì)胞間轉(zhuǎn)移（F因子，R因子）,質(zhì)粒所含的基因?qū)λ拗骷?xì)胞一般是非必需的； 有時能賦予宿主細(xì)胞以特殊的機能，從而使宿主得到生長優(yōu)勢,5、質(zhì)粒的主要類型,根據(jù)質(zhì)粒所 編碼的功能 和賦予宿主 的表型效應(yīng) 分類:,致育因子（Fertility factor，F(xiàn)因子） 抗性質(zhì)粒（Resistance factor，R因子） 產(chǎn)細(xì)菌素的質(zhì)粒（Bacteriocin production plasmid） 毒性質(zhì)粒（virulence plasmid） 代謝質(zhì)粒（Metabolic plasmid） 隱秘質(zhì)粒（cryptic plasmid） 2m質(zhì)粒,（參見 P197）,(1) 致育因子(Fertility factor，F(xiàn)因子),又稱F質(zhì)粒，其大小約100kb，這是最早發(fā)現(xiàn)的一種與大腸桿菌 的有性生殖現(xiàn)象（接合作用）有關(guān)的質(zhì)粒。,攜帶F質(zhì)粒的菌株稱為F+菌株 （相當(dāng)于雄性），無F質(zhì)粒的 菌株稱為F-菌株（相當(dāng)于雌性）。,F因子能以游離狀態(tài)(F+)和 以與染色體相結(jié)合的狀態(tài) (Hfr)存在于細(xì)胞中，所以 又稱之為附加體(episome)。,在志賀氏菌屬（Shigella）、沙門氏菌屬（Salmonella）和鏈球菌屬（Streptococcus）等其他細(xì)菌中也發(fā)現(xiàn)了與大腸桿菌類似的致育因子。,在放線菌中，天藍(lán)色鏈霉菌含有SCP1和SCP2兩種致育質(zhì)粒，這兩種質(zhì)粒在天藍(lán)色鏈霉菌的接合過程中起重要作用，帶動染色體從供體細(xì)胞向受體細(xì)胞轉(zhuǎn)移。,（參見 P197）,(2)抗性因子（Resistance factor，R因子）,包括抗藥性和抗重金屬二大類，簡稱R質(zhì)粒。,R100質(zhì)粒(89kb)可使宿主對 下列藥物及重金屬具有抗性： 汞（mercuric ion ，mer） 四環(huán)素（tetracycline，tet ） 鏈霉素(Streptomycin, str)、 磺胺(Sulfonamide, sul)、 氯霉素(Chlorampenicol, cml) 夫西地酸（fusidic acid，fus） 負(fù)責(zé)這些抗性的基因是成簇地 存在于抗性質(zhì)粒上。,抗性質(zhì)粒在細(xì)菌間的傳遞是細(xì)菌 產(chǎn)生抗藥性的重要原因之一。,(3)Col 質(zhì)粒：產(chǎn)細(xì)菌素的質(zhì)粒（Bacteriocin production plasmid）,細(xì)菌素結(jié)構(gòu)基因、 涉及細(xì)菌素運輸及發(fā)揮作用（processing）的蛋白質(zhì)的基因、 賦予宿主對該細(xì)菌素具有“免疫力”的相關(guān)產(chǎn)物的基因,一般都位于質(zhì)?；蜣D(zhuǎn)座子上，因此，細(xì)菌素可以殺死 同種但不攜帶該質(zhì)粒的菌株。,細(xì)菌素：許多細(xì)菌都能產(chǎn)生某些代謝產(chǎn)物，抑制或殺死其他近緣細(xì)菌或同種不同菌株，因為這些代謝產(chǎn)物是由質(zhì)粒編碼的蛋白質(zhì)，不象抗生素那樣具有很廣的殺菌譜，所以稱為細(xì)菌素（bacteriiocin）,細(xì)菌素種類很多,一般根據(jù)產(chǎn)生菌的種類進(jìn)行命名：,大腸桿菌（E. coli）產(chǎn)生的細(xì)菌素為colicins（大腸桿菌素）， 而質(zhì)粒被稱為Col質(zhì)粒。此外還有枯草桿菌素、乳酸菌素、根瘤菌素等。,由G+細(xì)菌產(chǎn)生的細(xì)菌素或與細(xì)菌素類似的因子與colicins有所不同，但通常也是由質(zhì)粒基因編碼，有些甚至有商業(yè)價值，例如一種乳酸細(xì)菌產(chǎn)生的細(xì)菌素NisinA能強烈抑制某些G+細(xì)菌的生長，而被用于食品工業(yè)的保藏。,大腸桿菌素是產(chǎn)自大腸桿菌的一種蛋白質(zhì)，具有專一性地殺死其親緣關(guān)系很近的、不具Col質(zhì)粒的其它腸道細(xì)菌的功能。,(4) 毒性質(zhì)粒（virulence plasmid）,許多致病菌的致病性是由其所攜帶的質(zhì)粒引起的，這些質(zhì)粒 具有編碼毒素的基因，其產(chǎn)物對宿主（動物、植物）造成傷害。,產(chǎn)毒素大腸桿菌是引起人類和動物腹瀉的主要病原菌之一， 其中許多菌株含有為一種或多種腸毒素編碼的質(zhì)粒。,蘇云金桿菌含有編碼內(nèi)毒素(伴孢晶體中)的質(zhì)粒,根癌土壤桿菌所含Ti質(zhì)粒是引起雙子葉植物冠癭瘤的 致病因子,(5) 代謝質(zhì)粒（Metabolic plasmid）,質(zhì)粒上攜帶有有利于微生物生存的基因，如能降解某些基質(zhì) 的酶，進(jìn)行共生固氮，或產(chǎn)生抗生素（某些放線菌）等。,將復(fù)雜的有機化合物降解成能被其作為碳源和能源利用的簡單形式，環(huán)境保護(hù)方面具有重要的意義。,假單胞菌： 具有降解一些有毒化合物，如芳香簇化合物(苯)、農(nóng)藥 (2,4dichlorophenoxyacetic acid)、辛烷和樟腦等的能力。,降解質(zhì)粒,TOL質(zhì)粒：含分解甲苯的基因； CAM-OCT質(zhì)粒：含分解樟腦辛烷的基因,(6)隱秘質(zhì)粒（cryptic plasmid）,它們存在的生物學(xué)意義，目前幾乎不了解。,在應(yīng)用上，很多隱秘質(zhì)粒被加以改造作為基因工程的載體 （一般加上抗性基因）,隱秘質(zhì)粒不顯示任何表型效應(yīng)，它們的存在只有通過物理的 方法，例如用凝膠電泳檢測細(xì)胞抽提液等方法才能發(fā)現(xiàn)。,(7) 2m質(zhì)粒,大多數(shù)酵母菌含有一種稱為2m的質(zhì)粒 ,屬隱秘質(zhì)粒,- 長為2m的6kb的環(huán)狀雙鏈DNA分子 - 位于酵母細(xì)胞核內(nèi)，50100拷貝 - 只攜帶與復(fù)制和重組有關(guān)的4 個基因，無遺傳表型 - 質(zhì)粒上有兩個600bp長的IR，被一個2.7kb區(qū)域和一個2.3kb 小區(qū)域所間隔 - 兩個IR上都有一個專一重組位點(FRT)，經(jīng)過重組，可使質(zhì) ?；プ儺悩?gòu)成A型和B型。,意義： 2m質(zhì)粒是酵母菌中進(jìn)行分子克隆和基因工程的重要載體，因此以它為基礎(chǔ)構(gòu)建的克隆和表達(dá)載體已得到廣泛的應(yīng)用。另一方面，該質(zhì)粒也是研究真核基因調(diào)控和染色體復(fù)制的一個十分有用的模型,根據(jù)拷貝數(shù)或復(fù)制特點，質(zhì)?？煞譃椋?高拷貝數(shù)(high copy number)質(zhì)粒 （每個細(xì)胞中可以有10100個拷貝, 其復(fù)制和染色體的復(fù)制不同步 ）如ColE1、ColE2等 松弛型質(zhì)粒(relaxed plasmid),低拷貝數(shù)(low copy number)質(zhì)粒 （每個細(xì)胞中只有12個拷貝, 其復(fù)制行為與染色體的復(fù)制同步 ）如F因子，R100 嚴(yán)謹(jǐn)型質(zhì)粒(stringent plasmid),窄宿主范圍質(zhì)粒(narrow host range plasmid) （只能在一種特定的宿主細(xì)胞中復(fù)制）,廣宿主范圍質(zhì)粒(broad host range plasmid) （可以在許多種細(xì)菌中復(fù)制）,第三節(jié) 基因突變的規(guī)律及類型,野生型: -從自然界分離到的菌株一般稱野生型菌株（wild type strain），簡稱野生型。 突變株: -野生型經(jīng)突變后形成的帶有新性狀的菌株，稱為突變株（mutant）。,一、突變（ mutation）,突變指細(xì)胞內(nèi)遺傳物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)或數(shù)量發(fā)生變化的現(xiàn)象。包括基因突變（又稱點突變）和染色體畸變。,基因突變（gene mutation）: 是指一個基因內(nèi)部遺傳結(jié)構(gòu)或D