現(xiàn)代微生物遺傳學(xué)課件---第一授課單元.ppt

1、微生物遺傳學(xué),授課院系：生物工程學(xué)院 授課教師： 黎 明,教材和主要參考書(shū),教材： 1.陳三鳳.現(xiàn)代微生物遺傳學(xué).化學(xué)工業(yè)出版社，2003,主要參考書(shū) 1.盛祖嘉. 微生物遺傳學(xué)（三版）.科學(xué)出版社，2007 2.沈萍、陳向東，微生物學(xué)，高等教育出版社，2006 3.陶文沂. 工業(yè)微生物生理與遺傳育種學(xué). 中國(guó)輕工業(yè)出版社，1997,微生物遺傳學(xué)理論課的要求,掌握基本概念 熟悉經(jīng)典實(shí)驗(yàn) 領(lǐng)悟科研方法,第一授課單元,第一章 緒論 第一節(jié) 微生物遺傳學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史 第二節(jié) 朊病毒的發(fā)現(xiàn)和思考 第三節(jié) 微生物作為遺傳學(xué)材料的優(yōu)越性 第四節(jié) 微生物遺傳控制與發(fā)酵工業(yè) 第二章 微生物遺傳物質(zhì) 第一節(jié) DNA

2、結(jié)構(gòu)和復(fù)制,第一章 緒論,第一節(jié) 微生物遺傳學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史,微生物遺傳學(xué)是一門以病毒、細(xì)菌、放線菌、小型真菌及單細(xì)胞藻類、原生動(dòng)物為研究對(duì)象的遺傳學(xué)的分支學(xué)科,40年代以前：微生物遺傳學(xué)的研究是不系統(tǒng)的、局限的，遺傳學(xué)基本研究只限于動(dòng)物和植物。 研究對(duì)象：只限于進(jìn)行有性生殖，特別是產(chǎn)生有性孢子 微生物（酵母菌、草履蟲(chóng)、脈孢菌）； 研究?jī)?nèi)容：只限于形式遺傳學(xué)分析 （基因重組和定位,40年代以后，以下五方面的工作促使微生物遺傳學(xué)發(fā)展成為一門獨(dú)立的學(xué)科,一. 脈孢菌營(yíng)養(yǎng)缺陷型的發(fā)現(xiàn)和基因原初功能的研究,二. 細(xì)菌抗藥性突變的研究,三. 細(xì)菌接合和基因重組的發(fā)現(xiàn),四. 細(xì)菌遺傳因子化學(xué)本質(zhì)的鑒定 -細(xì)菌

3、經(jīng)典轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn),五. 噬菌體遺傳學(xué)研究,一. 脈孢菌營(yíng)養(yǎng)缺陷型的發(fā)現(xiàn)和基因原初功能的研究,1941年， G. Beadle 和E. Tatum 用脈孢菌為材料，用X-射線處理脈孢菌的分生孢子 得到預(yù)期的營(yíng)養(yǎng)缺陷型，證明了某些代謝途徑的阻斷與某些突變基因之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。對(duì)基因功能實(shí)質(zhì)做了進(jìn)一步的研究，提出一個(gè)基因一種酶學(xué)說(shuō)（One Gene - One Enzyme hypothesis） 于1958年獲得諾貝爾獎(jiǎng),脈孢菌,子囊孢子表面有縱形花紋，形如葉脈，故稱脈孢菌。菌絲無(wú)色透明，有隔膜多核，具分枝，蔓延迅速 分生孢子梗直立，雙叉分枝，分枝上 成串生長(zhǎng)分生孢子，分生孢子卵圓形， 一般呈紅色、粉紅

4、色，常在面包等食 物上生長(zhǎng)，俗稱紅色面包霉。有性過(guò) 程通過(guò)異宗接合產(chǎn)生子囊和子囊孢子， 子囊黑色、棒狀，內(nèi)生8枚長(zhǎng)圓形子囊 孢子，孢子在子囊中順序排列，一般無(wú) 性繁殖，很少有性繁殖。 （圖：粗糙脈孢菌,Beadle and Tatum: 一個(gè)基因 - 一種酶 One Gene - One Enzyme,用X射線誘導(dǎo)處理紅色面包霉，篩選出被誘導(dǎo)的突變體來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。根據(jù)遺傳分析和大量研究 ，他們認(rèn)為基因發(fā)生突變，就可能導(dǎo)致酶活性的喪失,利用生長(zhǎng)譜法進(jìn)一步驗(yàn)證哪一種氨基酸缺陷,紅色鏈孢霉實(shí)驗(yàn),突變品系 基本 基本培養(yǎng)基加 培養(yǎng)基 鳥(niǎo)氨酸 瓜氨酸 精氨酸 arg cit orn arg(精氨酸缺陷)，

5、orn(鳥(niǎo)氨酸缺陷), cit(瓜氨酸缺陷) :表示不生長(zhǎng)； ：表示生長(zhǎng),1941 Beadle & Tatum 提出： “ one gene one enzyme” hypothesis 乙酰鳥(niǎo) 鳥(niǎo)氨酸精 精氨琥珀 精氨琥珀 氨酸酶 氨甲酰酶 酸合成酶 酸裂解酶 N-乙酰 鳥(niǎo)氨酸 瓜氨酸 精氨 精氨酸 鳥(niǎo)氨酸 琥珀酸 氨甲酰磷酸 天冬氨酸 精氨酸生物合成途徑,重要意義,開(kāi)辟了生化遺傳學(xué)研究的廣闊領(lǐng)域，為基因作用機(jī)制的研究確立了基礎(chǔ)，為闡明代謝途徑提供了有效的方法； 提出一個(gè)基因一種酶學(xué)說(shuō)，可認(rèn)為是分子遺傳學(xué)的前奏； 利用營(yíng)養(yǎng)缺陷型探索代謝途徑這一思想方法，在微生物遺傳學(xué)得到廣泛的應(yīng)用，包括基

6、因重組、發(fā)育、分化、形態(tài)建成等； 由于營(yíng)養(yǎng)缺陷型的發(fā)現(xiàn)，使得細(xì)菌的基因重組得以發(fā)現(xiàn),二.細(xì)菌抗藥性突變的研究,細(xì)菌的抗性是基因突變的結(jié)果，還是適應(yīng)的結(jié)果,1943年， Salvador Luria & Max Delbruck 用嚴(yán)密的實(shí)驗(yàn)證實(shí)細(xì)菌的抗性是基因突變的結(jié)果,重要意義： 使人們認(rèn)識(shí)到，可能所有的生物都有著相同的遺傳變異規(guī)律； 嚴(yán)密的實(shí)驗(yàn)方法，開(kāi)始被應(yīng)用到微生物遺傳學(xué)領(lǐng)域，特別是細(xì)菌的變異的研究中去,變量實(shí)驗(yàn)（fluctuation analysis）：波動(dòng)實(shí)驗(yàn)、彷徨實(shí)驗(yàn),對(duì)噬菌體T1敏感的E.coli 對(duì)數(shù)期培養(yǎng)物，稀釋至103/mL,分裝兩試管，各10 mL,與甲管分裝的各小管同

7、時(shí)保溫2436h,甲管,乙管,變量實(shí)驗(yàn)（fluctuation analysis）Salvador Luria & Max Delbruck(1943,Salvador Luria,Max Delbruck,The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1969,三. 細(xì)菌接合和基因重組的發(fā)現(xiàn),1946年，Joshua Lederberg 和Edward L.Taturm 報(bào)道了大腸桿菌中的基因重組接合 (conjugation,重要意義,1）使人們更為明確地認(rèn)識(shí)到微生物和高等動(dòng)物和植物遺傳規(guī)律上的一致性；即細(xì)菌中也有類似于性過(guò)程的現(xiàn)象，以及基因連鎖和重組

8、。如有兩個(gè)不同遺傳型的細(xì)菌突變株在一起混合培養(yǎng)，可分離到具有雙親基因的新個(gè)體，從而認(rèn)為細(xì)菌也存在性別,2）通過(guò)基本相同的方法，為在霉菌、放線菌等各種微生物中發(fā)現(xiàn)基因重組奠定了實(shí)驗(yàn)方法； 3）促使50年代發(fā)現(xiàn)了轉(zhuǎn)導(dǎo),中間平板上長(zhǎng)出的原養(yǎng)型菌落是兩菌株之間發(fā)生了遺傳交換和重組所致,為了減少所培養(yǎng)的結(jié)果是回復(fù)突變的機(jī)會(huì)，采用了雙重或三重營(yíng)養(yǎng)缺陷型。該實(shí)驗(yàn)是建立在不大可能同時(shí)發(fā)生兩種或三種回復(fù)突變的設(shè)想上的,證實(shí)接合過(guò)程需要細(xì)胞間的直接接觸的 “U”型管實(shí)驗(yàn)（ Bernard Davis，1950,U型管實(shí)驗(yàn)的原理,接合：即去除細(xì)胞壁的細(xì)菌的原生質(zhì)體的融合 轉(zhuǎn)導(dǎo)：即借助病毒（一般用噬菌體）將一種細(xì)胞中

9、的遺傳物質(zhì)轉(zhuǎn)到另一種細(xì)胞中并發(fā)生重組，使后者細(xì)胞能表達(dá)前者細(xì)胞的性狀。 轉(zhuǎn)化：遺傳物質(zhì)能自由進(jìn)入細(xì)胞中并使該細(xì)胞表達(dá)相應(yīng)的性狀。 U型管原理：使U型管中的膜的孔徑只能讓DNA和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)通過(guò)，而噬菌體和其他物質(zhì)均不能通過(guò)，發(fā)現(xiàn)膜兩側(cè)的菌均能在基本培養(yǎng)基上生長(zhǎng)，證明是轉(zhuǎn)化,四. 細(xì)菌遺傳因子化學(xué)本質(zhì)的鑒定 -細(xì)菌經(jīng)典轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn),1928年 F.Griffith在肺炎鏈球菌中發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化現(xiàn)象 1944年 Avery 在離體條件下完成轉(zhuǎn)化過(guò)程 確定遺傳物質(zhì)為DNA（第一個(gè)實(shí)驗(yàn)證據(jù),它的發(fā)現(xiàn)，是1953年DNA分子雙螺旋模型提出和 分子遺傳學(xué)發(fā)展的前奏,1928年，Griffith 肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化,1944

10、年，Avery在離體條件下完成轉(zhuǎn)化,五. 噬菌體遺傳學(xué)研究,1946年， Delbruck證實(shí)了噬菌體也存在遺傳重組現(xiàn)象； 1955年， Benzer研究了E.coliT4噬菌體遺傳物質(zhì)的精細(xì) 結(jié)構(gòu)，提出了“順?lè)醋印钡母拍睿?1961年， Benzer發(fā)表了T4r突變位點(diǎn)的經(jīng)典研究表明： 所有位點(diǎn)不是有同等的突變頻率， 提出了基因突變的熱點(diǎn)的理論,1）把遺傳規(guī)律推廣到最簡(jiǎn)單的生物噬菌體,2）溫和噬菌體以及轉(zhuǎn)導(dǎo)作用的發(fā)現(xiàn)，成為微生物遺傳學(xué)、分子遺傳學(xué)研究的有效手段,第二節(jié) 朊病毒的發(fā)現(xiàn)和思考,一、證明遺傳物質(zhì)是DNA或RNA的三個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)： 細(xì)菌經(jīng)典轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn) 噬菌體的感染實(shí)驗(yàn) 煙草花葉病毒的拆開(kāi)

11、和重建實(shí)驗(yàn) 二、中心法則 DNA到mRNA，通過(guò)密碼子合成蛋白質(zhì) 反轉(zhuǎn)錄現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)對(duì)中心法則的補(bǔ)充,三、朊病毒 是一種既不含DNA也不含RNA的蛋白質(zhì)顆粒； 具有傳染性和致病性的病毒（引起瘋牛?。?。 朊病毒的發(fā)現(xiàn)是否違背了“遺傳物質(zhì)是核酸”和“中心法則”呢？ 四、朊病毒的致病機(jī)理 致病性的朊病毒蛋白（以PrPsc表示）是由于正常的蛋白PrPc改變其折疊狀態(tài)所致；而PrPc仍是基因編碼產(chǎn)生的一種糖蛋白， PrPsc并不是遺傳信息的攜帶者。 因此，由引起的疾病又被稱為構(gòu)象病,第三節(jié) 微生物作為遺傳學(xué)材料的優(yōu)越性,果蠅復(fù)眼色素的合成復(fù)雜，每一步都需要一種酶。當(dāng)某一基因發(fā)生了突變，相應(yīng)的一個(gè)酶促反應(yīng)便

12、不能進(jìn)行。 怎樣進(jìn)一步研究基因的作用呢？要得到足夠量的復(fù)眼色素，必須飼養(yǎng)成百萬(wàn)頭果蠅。能否用別的便于大量培養(yǎng)的生物來(lái)代替果蠅？ 復(fù)眼色素是十分復(fù)雜的物質(zhì)，能否采用便于分析的性狀進(jìn)行基因作用的研究呢？如氨基酸、維生素等。 二倍體中，生物有顯性關(guān)系，使隱性突變掩蓋（微生物一般是單倍體，便于建立純系，便于觀察基因分離,微生物的優(yōu)越性： 獨(dú)特的生物學(xué)特性： 單細(xì)胞，單倍體，易培養(yǎng)，無(wú)性系，繁殖迅速； 便于獲得營(yíng)養(yǎng)缺陷型：脈孢菌VB6缺陷型； 能被用作研究復(fù)雜體制生物的簡(jiǎn)單的遺傳學(xué)模型,第四節(jié) 微生物遺傳控制與發(fā)酵工業(yè),育種：通過(guò) 系統(tǒng)選擇、 誘變、 雜交、 原生質(zhì)體融合 體外基因重組 等技術(shù) 培育具有

13、人們所需要遺傳性質(zhì)的生物的過(guò)程,應(yīng)根據(jù)代謝調(diào)節(jié)理論，改變微生物的遺傳特性： 營(yíng)養(yǎng)缺陷型突變株： 某種酶的合成缺陷，途徑被切斷，使代謝流 匯向目的產(chǎn)物， 同時(shí)也能解除反饋調(diào)節(jié)作用； 抗代謝類似物突變株： 某些受反饋調(diào)節(jié)的酶的結(jié)構(gòu)改變，不再受相 應(yīng)的代謝產(chǎn)物的反饋調(diào)節(jié)； 滲漏突變型：改變細(xì)胞膜的通透性,也能通過(guò)引入不同菌株的特定結(jié)構(gòu)基因、啟動(dòng)基因、或增加基因的數(shù)量和轉(zhuǎn)錄翻譯活性等，以改變微生物的遺傳特性,第二章 微生物遺傳物質(zhì),第一節(jié) DNA的結(jié)構(gòu)和復(fù)制 一、DNA的結(jié)構(gòu) 1. DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu) DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)即指堿基順序。 2. DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu) 包括B-DNA、A-DNA和Z-DNA三種。

14、3. DNA的三級(jí)結(jié)構(gòu) 有多種形式，其中以超螺旋最常見(jiàn)。 當(dāng)超螺旋旋轉(zhuǎn)方向和雙螺旋方向相反時(shí)，即為左手螺旋，或負(fù)超螺旋。反之為右手螺旋或正超螺旋,二、DNA的復(fù)制特點(diǎn)和幾種主要復(fù)制方式 1. DNA的復(fù)制是以半保留方式進(jìn)行復(fù)制。 2. 復(fù)制起點(diǎn)、復(fù)制方向和復(fù)制單位 (1)復(fù)制起點(diǎn)(origin of replication)： DNA復(fù)制開(kāi)始時(shí)在DNA分子上的特定部位。通常原核生物和質(zhì)粒的復(fù)制起點(diǎn)以ori表示。 原核生物的DNA一般只有一個(gè)復(fù)制起點(diǎn)。 真核生物染色體上有多個(gè)復(fù)制起點(diǎn)，真核生物的復(fù)制起點(diǎn)通常稱為自主復(fù)制序列(autonomously replicatory sequence,簡(jiǎn)稱

15、ARS,2)復(fù)制子(replicon)： 每一個(gè)復(fù)制起點(diǎn)及其復(fù)制區(qū)則為一個(gè)復(fù)制單位，稱為復(fù)制子。 真核生物染色體含有多個(gè)復(fù)制子，原核細(xì)胞的一個(gè)染色體上只有一個(gè)復(fù)制子。 (3)復(fù)制方向： 主要有雙向和單向復(fù)制兩種方式。 單向復(fù)制從一個(gè)起點(diǎn)開(kāi)始，以同一方向合成兩條鏈，形成一個(gè)復(fù)制叉。 雙向復(fù)制從一個(gè)起點(diǎn)開(kāi)始，沿兩個(gè)相反的方向各合成兩條鏈，形成兩個(gè)復(fù)制叉。 大多數(shù)生物染色體DNA的復(fù)制是雙向的，并且是對(duì)稱的,3. 復(fù)制的幾種主要方式 線性雙鏈DNA的復(fù)制一般是雙向復(fù)制，根據(jù)復(fù)制起點(diǎn)的多少又可分為： (1)雙向單點(diǎn)復(fù)制 (2)雙向多點(diǎn)復(fù)制 環(huán)狀雙鏈DNA的復(fù)制，可分為： (1) 型復(fù)制、 (2)滾環(huán)型

16、復(fù)制、 (3)D型復(fù)制三種類型,1)型復(fù)制 型復(fù)制也有雙向和單向，大多數(shù)為雙向而且等速?gòu)?fù)制，也存在少數(shù)雙向不等速?gòu)?fù)制。原核生物DNA復(fù)制一般按 型方式進(jìn)行雙向等速?gòu)?fù)制。如：E.coli例外：枯草桿菌，有固定的起始點(diǎn)，雙向不對(duì)稱復(fù)制（兩個(gè)復(fù)制叉移動(dòng)是不對(duì)稱,雙向復(fù)制不久后的圖象。兩個(gè)復(fù)制叉距離較近，中間形成一個(gè)較小的“眼,這“眼”逐漸擴(kuò)大，直到復(fù)制結(jié)束時(shí)，兩個(gè)復(fù)制叉在復(fù)制起始點(diǎn)的對(duì)面位置上匯合,2)滾環(huán)復(fù)制 這種復(fù)制方式存在于噬菌體(如X174)、細(xì)菌質(zhì)粒等DNA的復(fù)制中。 滾環(huán)復(fù)制包括以下幾個(gè)步驟,1)親代雙鏈DNA的一條鏈發(fā)生斷裂，產(chǎn)生一個(gè)自由的3-OH末端。 (2)以含自由3-OH末端的DNA為引物，以沒(méi)有斷裂的完好DNA鏈為模板，合成新的DNA鏈，產(chǎn)生滾環(huán)結(jié)構(gòu)。 (3)3末端不斷延長(zhǎng)，斷裂鏈的5末端不斷被置換而甩出一條單鏈，單鏈可以合成其互補(bǔ)鏈而成為雙鏈(下圖左)，也可以以單鏈的形式存在(下圖右)。 (4)隨著反應(yīng)的循環(huán)進(jìn)行，甩出的單鏈中就包含著多個(gè)拷貝的原始復(fù)制子。該尾巴按照單位長(zhǎng)度斷裂就可原始環(huán)狀復(fù)制子,對(duì)于單鏈環(huán)狀DNA分子的X174噬菌體，該鏈為正鏈，在復(fù)制時(shí)首先合成其互補(bǔ)的負(fù)鏈，形成共價(jià)閉合的雙鏈超螺旋分子； 然后再通過(guò)滾環(huán)復(fù)制合成大量正鏈。 正鏈可以包裝到噬菌體的蛋白質(zhì)顆粒中以產(chǎn)生子代噬菌體，又可作為模板合成互補(bǔ)的負(fù)鏈，形成的環(huán)狀雙鏈DNA，重新參加滾環(huán)