微生物學(xué)---第八章 微生物遺傳ppt課件

1、生命科學(xué)學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院馬匯泉馬匯泉1.微生物是遺傳學(xué)研究中的明星：微生物是遺傳學(xué)研究中的明星：t 微生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，營(yíng)養(yǎng)體一般為單倍體，方便微生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，營(yíng)養(yǎng)體一般為單倍體，方便建立純系。建立純系。t 微生物都易于人工培養(yǎng)，快速、大量生長(zhǎng)繁殖。微生物都易于人工培養(yǎng)，快速、大量生長(zhǎng)繁殖。t 對(duì)環(huán)境因素的作用敏感，易于獲得各類突變株，操對(duì)環(huán)境因素的作用敏感，易于獲得各類突變株，操作性強(qiáng)。作性強(qiáng)。2第四節(jié)第四節(jié) 微生物的基因組微生物的基因組一、概念一、概念基因組（基因組（genome）：）：一個(gè)物種的單倍體的所有染色體及其所包含的遺傳信息的總稱一個(gè)物種的單倍體的所有染色體及其所包含的遺傳信

2、息的總稱原核生物（如細(xì)菌），多為單倍體原核生物（如細(xì)菌），多為單倍體（在一般情況下只有一條染色體）（在一般情況下只有一條染色體）真核微生物，多條染色體，真核微生物，多條染色體，例如啤酒酵母有例如啤酒酵母有16條染色體。條染色體。有時(shí)為雙倍體有時(shí)為雙倍體3第四節(jié)第四節(jié) 微生物的基因組微生物的基因組一、微生物基因組結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)一、微生物基因組結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)1、原核生物（細(xì)菌）的基因組、原核生物（細(xì)菌）的基因組1）染色體為）染色體為雙鏈環(huán)狀的雙鏈環(huán)狀的DNA分子（單倍體）；分子（單倍體）；雙鏈環(huán)狀的染色體在細(xì)胞中以緊密纏繞成的較致密的不規(guī)則小體形雙鏈環(huán)狀的染色體在細(xì)胞中以緊密纏繞成的較致密的不規(guī)則小體形式

3、存在于細(xì)胞中，該小體稱為擬核式存在于細(xì)胞中，該小體稱為擬核(nucliod)，其上結(jié)合有類組蛋白其上結(jié)合有類組蛋白蛋白質(zhì)和少量蛋白質(zhì)和少量RNA分子，使其壓縮成一種腳手架形的致密結(jié)構(gòu)。分子，使其壓縮成一種腳手架形的致密結(jié)構(gòu)。例外：布氏疏螺旋體例外：布氏疏螺旋體(Borrelia burgdorferi)的染色體是線狀的的染色體是線狀的4第二節(jié)第二節(jié) 微生物的基因組微生物的基因組一、微生物基因組結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)一、微生物基因組結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)1、原核生物（細(xì)菌）的基因組、原核生物（細(xì)菌）的基因組1）染色體為）染色體為雙鏈環(huán)狀的雙鏈環(huán)狀的DNA分子（單倍體）；分子（單倍體）；2）基因組上遺傳信息具有連續(xù)性；）

4、基因組上遺傳信息具有連續(xù)性；基因數(shù)基本接近由它的基因組大小所估計(jì)的基因數(shù)基因數(shù)基本接近由它的基因組大小所估計(jì)的基因數(shù)參見表8-1（通常以1000bp1500bp為一個(gè)基因進(jìn)行計(jì)算）微生物基因組微生物基因組DNA絕大部分用來編碼蛋白質(zhì)、絕大部分用來編碼蛋白質(zhì)、RNA；用作為復(fù)制用作為復(fù)制起點(diǎn)、啟動(dòng)子、終止子和一些由調(diào)節(jié)蛋白識(shí)別和結(jié)合的位點(diǎn)等信起點(diǎn)、啟動(dòng)子、終止子和一些由調(diào)節(jié)蛋白識(shí)別和結(jié)合的位點(diǎn)等信號(hào)序列。號(hào)序列。一般不含內(nèi)含子，遺傳信息是連續(xù)的而不是中斷的。一般不含內(nèi)含子，遺傳信息是連續(xù)的而不是中斷的。真核生物基因組的一個(gè)重要真核生物基因組的一個(gè)重要特點(diǎn)就是含有內(nèi)含子特點(diǎn)就是含有內(nèi)含子個(gè)別細(xì)菌個(gè)

5、別細(xì)菌(鼠傷寒沙門氏菌和犬螺桿菌鼠傷寒沙門氏菌和犬螺桿菌)和古生菌的和古生菌的rRNA和和tRNA中也發(fā)現(xiàn)有內(nèi)含子或間插序列中也發(fā)現(xiàn)有內(nèi)含子或間插序列5第四節(jié)第四節(jié) 微生物的基因組微生物的基因組一、微生物基因組結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)一、微生物基因組結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)1、原核生物（細(xì)菌）的基因組、原核生物（細(xì)菌）的基因組1）染色體為雙鏈環(huán)狀的）染色體為雙鏈環(huán)狀的DNA分子（單倍體）；分子（單倍體）；2）基因組上遺傳信息具有連續(xù)性；）基因組上遺傳信息具有連續(xù)性；3）功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因組成操縱子結(jié)構(gòu)；）功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因組成操縱子結(jié)構(gòu)；4）結(jié)構(gòu)基因的單拷貝及）結(jié)構(gòu)基因的單拷貝及rRNA基因的多拷貝；基因的多拷貝；5）基

6、因組的重復(fù)序列少而短；）基因組的重復(fù)序列少而短；古生菌的基因組在結(jié)構(gòu)上類似于細(xì)菌。但是信息傳遞系統(tǒng)(復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯)則與細(xì)菌不同而類似于真核生物。操縱子（操縱子（operon）：）：功能相關(guān)的幾個(gè)基因前后相連，再加上一個(gè)共同的調(diào)節(jié)基因和一功能相關(guān)的幾個(gè)基因前后相連，再加上一個(gè)共同的調(diào)節(jié)基因和一組共同的控制位點(diǎn)（啟動(dòng)子、操作子等）在基因轉(zhuǎn)錄時(shí)協(xié)同動(dòng)作組共同的控制位點(diǎn)（啟動(dòng)子、操作子等）在基因轉(zhuǎn)錄時(shí)協(xié)同動(dòng)作6第四節(jié)第四節(jié) 微生物的基因組微生物的基因組一、微生物基因組結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)一、微生物基因組結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)2、真核微生物（啤酒酵母）的基因組、真核微生物（啤酒酵母）的基因組1）典型的真核染色體結(jié)構(gòu)；）典

7、型的真核染色體結(jié)構(gòu)；2）沒有明顯的操縱子結(jié)構(gòu)；）沒有明顯的操縱子結(jié)構(gòu)；啤酒酵母基因組大小為啤酒酵母基因組大小為13.5106bp，分布在分布在16條染色體中。條染色體中。3）有間隔區(qū)（即非編碼區(qū)）和內(nèi)含子序列；）有間隔區(qū)（即非編碼區(qū)）和內(nèi)含子序列；4）重復(fù)序列多；）重復(fù)序列多；7第五節(jié)第五節(jié) 細(xì)菌的質(zhì)粒細(xì)菌的質(zhì)粒質(zhì)粒（質(zhì)粒（plasmid）：）：一種獨(dú)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，一種獨(dú)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。主要存在于各種微生物細(xì)胞中。質(zhì)粒是細(xì)胞中除染色體以外的另外一類遺傳因子質(zhì)粒是細(xì)胞中除染色體以外的另外一類遺傳因子8第五節(jié)

8、第五節(jié) 細(xì)菌的質(zhì)粒細(xì)菌的質(zhì)粒一、質(zhì)粒的分子結(jié)構(gòu)一、質(zhì)粒的分子結(jié)構(gòu)1、結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)通常以共價(jià)閉合環(huán)狀通常以共價(jià)閉合環(huán)狀(covalently closed circle，簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱CCC)的的超螺旋雙鏈超螺旋雙鏈DNA分子存在于細(xì)胞中；分子存在于細(xì)胞中；也發(fā)現(xiàn)有線型雙鏈也發(fā)現(xiàn)有線型雙鏈DNA質(zhì)粒和質(zhì)粒和RNA質(zhì)粒；質(zhì)粒；質(zhì)粒分子的大小范圍從質(zhì)粒分子的大小范圍從1kb左右到左右到1000kb；（細(xì)菌質(zhì)粒多在（細(xì)菌質(zhì)粒多在10kb以內(nèi)）以內(nèi)）9第五節(jié)第五節(jié) 細(xì)菌的質(zhì)粒細(xì)菌的質(zhì)粒一、質(zhì)粒的主要類型一、質(zhì)粒的主要類型在某些特殊條件下，質(zhì)粒有時(shí)能賦予宿主細(xì)胞以特殊的機(jī)能，在某些特殊條件下，質(zhì)粒有時(shí)能賦予宿主細(xì)

9、胞以特殊的機(jī)能，從而使宿主得到生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)。從而使宿主得到生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)。質(zhì)粒所含的基因?qū)λ拗骷?xì)胞一般是非必需的；質(zhì)粒所含的基因?qū)λ拗骷?xì)胞一般是非必需的；10第五節(jié)第五節(jié) 細(xì)菌的質(zhì)粒細(xì)菌的質(zhì)粒一、質(zhì)粒的主要類型一、質(zhì)粒的主要類型質(zhì)粒所編碼質(zhì)粒所編碼的功能和賦的功能和賦予宿主的表予宿主的表型效應(yīng)型效應(yīng)致育質(zhì)粒致育質(zhì)粒（Fertility factor，F(xiàn)因子）因子）抗性質(zhì)?？剐再|(zhì)粒（Resistance factor，R因子）因子）細(xì)菌素質(zhì)粒細(xì)菌素質(zhì)粒（Bacteriocin production plasmid）降解質(zhì)粒降解質(zhì)粒毒性質(zhì)粒毒性質(zhì)粒（virulence plasmid）共生質(zhì)粒共生質(zhì)粒代謝型

10、質(zhì)粒代謝型質(zhì)粒（Metabolic plasmid）隱秘質(zhì)粒隱秘質(zhì)粒（cryptic plasmid）11第五節(jié)第五節(jié) 細(xì)菌的質(zhì)粒細(xì)菌的質(zhì)粒一、質(zhì)粒的主要類型一、質(zhì)粒的主要類型1、致育質(zhì)粒致育質(zhì)粒(Fertility factor，F(xiàn)因子因子)又稱又稱F質(zhì)粒，其大小約質(zhì)粒，其大小約100kb，這是最早發(fā)現(xiàn)的一種與大腸桿菌這是最早發(fā)現(xiàn)的一種與大腸桿菌的有性生殖現(xiàn)象的有性生殖現(xiàn)象（接合作用）（接合作用）有關(guān)的質(zhì)粒。有關(guān)的質(zhì)粒。攜帶攜帶F質(zhì)粒的菌株稱為質(zhì)粒的菌株稱為F+菌株菌株（相當(dāng)于雄性），無（相當(dāng)于雄性），無F質(zhì)粒的質(zhì)粒的菌株稱為菌株稱為F-菌株（相當(dāng)于雌性）。菌株（相當(dāng)于雌性）。F因子能以游離

11、狀態(tài)因子能以游離狀態(tài)(F+)和和以與染色體相結(jié)合的狀態(tài)以與染色體相結(jié)合的狀態(tài)(Hfr)存在于細(xì)胞中，所以存在于細(xì)胞中，所以又稱之為附加體又稱之為附加體(episome)。有關(guān)內(nèi)容在講細(xì)菌的接合作用有關(guān)內(nèi)容在講細(xì)菌的接合作用（conjugation）時(shí)具體介紹時(shí)具體介紹12第五節(jié)第五節(jié) 細(xì)菌的質(zhì)粒細(xì)菌的質(zhì)粒一、質(zhì)粒的主要類型一、質(zhì)粒的主要類型2、抗性因子（抗性因子（Resistance factor，R因子）因子）包括抗藥性和抗重金屬二大類，簡(jiǎn)稱包括抗藥性和抗重金屬二大類，簡(jiǎn)稱R質(zhì)粒。質(zhì)粒。R100質(zhì)粒質(zhì)粒(89kb)可使宿主對(duì)可使宿主對(duì)下列藥物及重金屬具有抗性：下列藥物及重金屬具有抗性：汞（汞

12、（mercuric ion ，mer）四環(huán)素（四環(huán)素（tetracycline，tet ）鏈霉素鏈霉素(Streptomycin, Str)、磺胺磺胺(Sulfonamide, Su)、氯霉素氯霉素(Chlorampenicol, Cm)夫西地酸（夫西地酸（fusidic acid，fus）并且負(fù)責(zé)這些抗性的基因是并且負(fù)責(zé)這些抗性的基因是成簇地存在于抗性質(zhì)粒上。成簇地存在于抗性質(zhì)粒上?？剐再|(zhì)粒在細(xì)菌間的傳遞是細(xì)菌抗性質(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。產(chǎn)生抗藥性的重要原因之一。13細(xì)菌素細(xì)菌素抗生素抗生素抑制或殺死近緣，甚至同種不同株的細(xì)菌抑制或殺死近緣，甚至同種不同株的細(xì)菌較廣

13、的抗菌譜通過核糖體直接合成的多肽類物質(zhì)通過核糖體直接合成的多肽類物質(zhì)一般是次級(jí)代謝產(chǎn)物編碼細(xì)菌素的結(jié)構(gòu)基因及相關(guān)的基因一般位編碼細(xì)菌素的結(jié)構(gòu)基因及相關(guān)的基因一般位于質(zhì)?；蜣D(zhuǎn)座子上于質(zhì)?；蜣D(zhuǎn)座子上一般無直接的結(jié)構(gòu)基因，相關(guān)酶的基因多在染色體上第五節(jié)第五節(jié) 細(xì)菌的質(zhì)粒細(xì)菌的質(zhì)粒一、質(zhì)粒的主要類型一、質(zhì)粒的主要類型3、細(xì)菌素質(zhì)粒（細(xì)菌素質(zhì)粒（Bacteriocin production plasmid）細(xì)菌素結(jié)構(gòu)基因、細(xì)菌素結(jié)構(gòu)基因、 涉及細(xì)菌素運(yùn)輸及發(fā)揮作用（涉及細(xì)菌素運(yùn)輸及發(fā)揮作用（processing）的蛋白質(zhì)的基因、的蛋白質(zhì)的基因、 賦予宿主對(duì)該細(xì)菌素具有賦予宿主對(duì)該細(xì)菌素具有“免疫力免疫力

14、”的相關(guān)產(chǎn)物的基因的相關(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。同種但不攜帶該質(zhì)粒的菌株。14第五節(jié)第五節(jié) 細(xì)菌的質(zhì)粒細(xì)菌的質(zhì)粒一、質(zhì)粒的主要類型一、質(zhì)粒的主要類型3、細(xì)菌素質(zhì)粒（細(xì)菌素質(zhì)粒（Bacteriocin production plasmid）細(xì)菌素一般根據(jù)產(chǎn)生菌的種類進(jìn)行命名：細(xì)菌素一般根據(jù)產(chǎn)生菌的種類進(jìn)行命名：大腸桿菌（大腸桿菌（E. coli）產(chǎn)生的細(xì)菌素為產(chǎn)生的細(xì)菌素為colicins（大腸桿菌素），大腸桿菌素），而質(zhì)粒被稱為而質(zhì)粒被稱為Col質(zhì)粒。質(zhì)粒。由由G+細(xì)菌產(chǎn)生的細(xì)菌素或與細(xì)菌素

15、類似的因子與細(xì)菌產(chǎn)生的細(xì)菌素或與細(xì)菌素類似的因子與colicins有所不有所不同，但通常也是由質(zhì)?；蚓幋a，有些甚至有商業(yè)價(jià)值，例如同，但通常也是由質(zhì)?；蚓幋a，有些甚至有商業(yè)價(jià)值，例如一種乳酸細(xì)菌產(chǎn)生的細(xì)菌素一種乳酸細(xì)菌產(chǎn)生的細(xì)菌素NisinA能強(qiáng)烈抑制某些能強(qiáng)烈抑制某些G+細(xì)菌的生細(xì)菌的生長(zhǎng)，而被用于食品工業(yè)的保藏。長(zhǎng)，而被用于食品工業(yè)的保藏。15第三節(jié)第三節(jié) 細(xì)菌的質(zhì)粒細(xì)菌的質(zhì)粒一、質(zhì)粒的主要類型一、質(zhì)粒的主要類型4、毒性質(zhì)粒（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

16、的基因，其產(chǎn)物對(duì)宿主（動(dòng)物、植物）造成傷害。具有編碼毒素的基因，其產(chǎn)物對(duì)宿主（動(dòng)物、植物）造成傷害。產(chǎn)毒素大腸桿菌是引起人類和動(dòng)物腹瀉的主要病原菌之一，產(chǎn)毒素大腸桿菌是引起人類和動(dòng)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。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蘇云金桿菌含有編碼內(nèi)毒素內(nèi)毒素(伴孢晶體中伴孢晶體中)的質(zhì)粒的質(zhì)粒根癌土壤桿菌所含根癌土壤桿菌所含Ti質(zhì)粒是引起雙子葉植物冠癭瘤的質(zhì)粒是引起雙子葉植物冠癭瘤的致病因子致病因子16第五節(jié)第五節(jié) 細(xì)菌的質(zhì)粒細(xì)菌的質(zhì)粒一、質(zhì)粒的主要類型一、質(zhì)粒的主要類型5、代謝質(zhì)粒（代謝質(zhì)粒（Metabol

17、ic 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)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。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(jī)化合物降解成能被其作為碳源和能源利用將復(fù)雜的有機(jī)化合物降解成能被其作為碳源和能源利用的簡(jiǎn)單形式的簡(jiǎn)單形式，環(huán)境保護(hù)方面具有重要的意義。，環(huán)境保護(hù)方面具有重要的意義。假單胞菌：假單胞菌：具有降解一些有毒化合物，如芳香簇化合物具有降解一些有毒化合物，如芳香簇化合物(苯苯)、農(nóng)藥、農(nóng)藥(2,4 dichlorophenoxyacetic acid)、辛烷和樟腦等的能

18、力。辛烷和樟腦等的能力。降解質(zhì)粒：降解質(zhì)粒：17第五節(jié)第五節(jié) 細(xì)菌的質(zhì)粒細(xì)菌的質(zhì)粒一、質(zhì)粒的主要類型一、質(zhì)粒的主要類型6、隱秘質(zhì)粒（隱秘質(zhì)粒（cryptic plasmid）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(cè)細(xì)胞抽提液等方法才能發(fā)現(xiàn)。方法，例如用凝膠電泳檢測(cè)細(xì)胞抽提液等方法才能發(fā)現(xiàn)。它們存在的生物學(xué)意義，目前幾乎不了解。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）（一般加上抗性基因）18第

19、五節(jié)第五節(jié) 細(xì)菌的質(zhì)粒細(xì)菌的質(zhì)粒一、質(zhì)粒的主要類型一、質(zhì)粒的主要類型高拷貝數(shù)高拷貝數(shù)(high copy number)質(zhì)粒質(zhì)粒（每個(gè)宿主細(xì)胞中可以有（每個(gè)宿主細(xì)胞中可以有10-100個(gè)拷貝）個(gè)拷貝） 松弛型質(zhì)粒松弛型質(zhì)粒(relaxed plasmid)低拷貝數(shù)低拷貝數(shù)(low copy number)質(zhì)粒質(zhì)粒（每個(gè)宿主細(xì)胞中可以有（每個(gè)宿主細(xì)胞中可以有1-4個(gè)拷貝）個(gè)拷貝） 嚴(yán)謹(jǐn)型質(zhì)粒嚴(yán)謹(jǐn)型質(zhì)粒(stringent plasmid)窄宿主范圍質(zhì)粒窄宿主范圍質(zhì)粒(narrow host range plasmid)（只能在一種特定的宿主細(xì)胞中復(fù)制）（只能在一種特定的宿主細(xì)胞中復(fù)制）廣宿主范圍

20、質(zhì)粒廣宿主范圍質(zhì)粒(broad host range plasmid)（可以在許多種細(xì)菌中復(fù)制）（可以在許多種細(xì)菌中復(fù)制）19第五節(jié)第五節(jié) 細(xì)菌的質(zhì)粒細(xì)菌的質(zhì)粒三、質(zhì)粒的不親和性三、質(zhì)粒的不親和性質(zhì)粒之間的不親和性、以及質(zhì)粒拷貝數(shù)的多少、能適應(yīng)質(zhì)粒之間的不親和性、以及質(zhì)?？截悢?shù)的多少、能適應(yīng)的宿主范圍的寬窄等特性均與質(zhì)粒的復(fù)制控制類型有關(guān)的宿主范圍的寬窄等特性均與質(zhì)粒的復(fù)制控制類型有關(guān)20第六節(jié)第六節(jié) 原核生物的基因重組原核生物的基因重組細(xì)菌的三種水平基因轉(zhuǎn)移形式細(xì)菌的三種水平基因轉(zhuǎn)移形式接合接合轉(zhuǎn)導(dǎo)轉(zhuǎn)導(dǎo)自然轉(zhuǎn)化自然轉(zhuǎn)化21接合接合 (conjugation)：細(xì)胞與細(xì)胞的直接接觸（由細(xì)胞與細(xì)

21、胞的直接接觸（由F因子介導(dǎo)）因子介導(dǎo)）轉(zhuǎn)導(dǎo)轉(zhuǎn)導(dǎo)(transduction)：由噬菌體介導(dǎo)由噬菌體介導(dǎo)轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)化(natural genetic transformation)：游離游離DNA分子分子 + 感受態(tài)細(xì)胞感受態(tài)細(xì)胞22一、細(xì)菌的接合作用一、細(xì)菌的接合作用(conjugation)通過細(xì)胞與細(xì)胞的直接接觸而產(chǎn)生的遺傳通過細(xì)胞與細(xì)胞的直接接觸而產(chǎn)生的遺傳信息的轉(zhuǎn)移和重組過程信息的轉(zhuǎn)移和重組過程1.實(shí)驗(yàn)證據(jù)實(shí)驗(yàn)證據(jù)1946年，年，Joshua Lederberg 和和Edward L.Taturm細(xì)菌的多重營(yíng)養(yǎng)缺陷型雜交實(shí)驗(yàn)細(xì)菌的多重營(yíng)養(yǎng)缺陷型雜交實(shí)驗(yàn)23中間平板上長(zhǎng)出的原養(yǎng)型菌落中間平板上

22、長(zhǎng)出的原養(yǎng)型菌落是兩菌株之間發(fā)生了遺傳交換是兩菌株之間發(fā)生了遺傳交換和重組所致！和重組所致！24證實(shí)接合過程需要細(xì)胞間的直接接觸的證實(shí)接合過程需要細(xì)胞間的直接接觸的“U”型管實(shí)驗(yàn)（型管實(shí)驗(yàn)（ Bernard Davis，1950 ）252. 機(jī)制機(jī)制(大腸桿菌的接合機(jī)制大腸桿菌的接合機(jī)制)接合作用是由一種被稱為接合作用是由一種被稱為F因子的質(zhì)粒介導(dǎo)因子的質(zhì)粒介導(dǎo)F因子的分子量通常為因子的分子量通常為5107，上面有編碼細(xì)菌產(chǎn)生性，上面有編碼細(xì)菌產(chǎn)生性菌毛（菌毛（sex pili）及控制接合過程進(jìn)行的及控制接合過程進(jìn)行的20多個(gè)基因。多個(gè)基因。含有含有F因子的細(xì)胞：因子的細(xì)胞：“雄性雄性”菌株（

23、菌株（F+），），其細(xì)胞表面有性菌毛其細(xì)胞表面有性菌毛 不含不含F(xiàn)因子的細(xì)胞：因子的細(xì)胞：“雌性雌性”菌株（菌株（F-），），細(xì)胞表面沒有性菌毛細(xì)胞表面沒有性菌毛26F因子為附加體質(zhì)粒。既可以脫離染色體在細(xì)胞內(nèi)獨(dú)立存在，也因子為附加體質(zhì)粒。既可以脫離染色體在細(xì)胞內(nèi)獨(dú)立存在，也可插入（整合）到染色體上可插入（整合）到染色體上27F F因子的四種細(xì)胞形式因子的四種細(xì)胞形式a）F-菌株，菌株， 不含不含F(xiàn)因子，沒有性菌毛，但可以通過因子，沒有性菌毛，但可以通過 接合作用接接合作用接 收收F因子而變成雄性菌株（因子而變成雄性菌株（F+）；）；b）F+菌株，菌株， F因子獨(dú)立存在，細(xì)胞表面有性菌毛。因子

24、獨(dú)立存在，細(xì)胞表面有性菌毛。c）Hfr菌株，菌株，F(xiàn)因子插入到染色體因子插入到染色體DNA上，細(xì)胞表面有性菌毛。上，細(xì)胞表面有性菌毛。d）F菌株，菌株，Hfr菌株內(nèi)的菌株內(nèi)的F因子因不正常切割而脫離染色體因子因不正常切割而脫離染色體 時(shí)，形成游離的但攜帶一小段染色體基因的時(shí)，形成游離的但攜帶一小段染色體基因的F因子，特稱為因子，特稱為 F因子。因子。 細(xì)胞表面同樣有性菌毛。細(xì)胞表面同樣有性菌毛。281） F+F-雜交雜交雜交的結(jié)果：雜交的結(jié)果：給體細(xì)胞和受體細(xì)胞均成為給體細(xì)胞和受體細(xì)胞均成為F+細(xì)胞細(xì)胞理化因子的處理可將理化因子的處理可將F因子消除而使因子消除而使F+菌株變成菌株變成F-菌株菌

25、株F+菌株的菌株的F因子向因子向F-細(xì)胞轉(zhuǎn)移，但含細(xì)胞轉(zhuǎn)移，但含F(xiàn)因子的宿主細(xì)胞因子的宿主細(xì)胞的染色體的染色體DNA一般不被轉(zhuǎn)移。一般不被轉(zhuǎn)移。29Hfr菌株的菌株的F因子插入到染色體因子插入到染色體DNA上，因此上，因此只要發(fā)生接合轉(zhuǎn)移只要發(fā)生接合轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移過程，就可以把部分甚至全部細(xì)菌染色體傳遞給轉(zhuǎn)移過程，就可以把部分甚至全部細(xì)菌染色體傳遞給F-細(xì)胞并發(fā)細(xì)胞并發(fā)生重組，由此而得名為生重組，由此而得名為高頻重組菌株高頻重組菌株。2）HfrF-雜交雜交Hfr菌株仍然保持著菌株仍然保持著F+細(xì)胞的特征，具有細(xì)胞的特征，具有F性菌毛，并象性菌毛，并象F+一樣一樣與與F-細(xì)胞進(jìn)行接合。所不同的是，當(dāng)細(xì)

26、胞進(jìn)行接合。所不同的是，當(dāng)OriT序列被缺刻螺旋酶識(shí)別序列被缺刻螺旋酶識(shí)別而產(chǎn)生缺口后，而產(chǎn)生缺口后，F(xiàn)因子的先導(dǎo)區(qū)因子的先導(dǎo)區(qū)(leading region)結(jié)合著染色體結(jié)合著染色體DNA向受體細(xì)胞轉(zhuǎn)移，向受體細(xì)胞轉(zhuǎn)移，F(xiàn)因子除先導(dǎo)區(qū)以外，其余絕大部分是處因子除先導(dǎo)區(qū)以外，其余絕大部分是處于轉(zhuǎn)移染色體的末端，由于轉(zhuǎn)移過程常被中斷，因此于轉(zhuǎn)移染色體的末端，由于轉(zhuǎn)移過程常被中斷，因此F因子不易因子不易轉(zhuǎn)入受體細(xì)胞中，故轉(zhuǎn)入受體細(xì)胞中，故HfrF-雜交后的受體細(xì)胞雜交后的受體細(xì)胞(或接合子或接合子)大多數(shù)大多數(shù)仍然是仍然是F-。30染色體上越靠近染色體上越靠近F因子的先導(dǎo)區(qū)的基因，進(jìn)入的機(jī)會(huì)因子的

27、先導(dǎo)區(qū)的基因，進(jìn)入的機(jī)會(huì)就越多，在就越多，在F-中出現(xiàn)重組子的的時(shí)間就越早，頻率也高。中出現(xiàn)重組子的的時(shí)間就越早，頻率也高。F因子不易轉(zhuǎn)入受體細(xì)胞中，故因子不易轉(zhuǎn)入受體細(xì)胞中，故HfrF-雜交后的受體細(xì)胞（或稱接雜交后的受體細(xì)胞（或稱接合子）大多數(shù)仍然是合子）大多數(shù)仍然是F-。313）FF-雜交雜交Hfr菌株內(nèi)的菌株內(nèi)的F因子因不正常切割而脫離染色體因子因不正常切割而脫離染色體時(shí)，形成游離的但攜帶一小段染色體基因的時(shí)，形成游離的但攜帶一小段染色體基因的F因因子，特稱為子，特稱為F因子。因子。FF-與與F+F-的不同：的不同：給體的給體的部分染色體基因隨部分染色體基因隨F一起轉(zhuǎn)入受體細(xì)胞一起轉(zhuǎn)入

28、受體細(xì)胞a）與染色體發(fā)生重組；與染色體發(fā)生重組；b）繼續(xù)存在于繼續(xù)存在于F因子上，因子上， 形成一種部分二倍體；形成一種部分二倍體；細(xì)胞基因的這種轉(zhuǎn)移過程又常稱為性導(dǎo)（細(xì)胞基因的這種轉(zhuǎn)移過程又常稱為性導(dǎo)（sexduction）、）、F因子轉(zhuǎn)導(dǎo)因子轉(zhuǎn)導(dǎo)（F-duction），），或或F因子媒介的轉(zhuǎn)導(dǎo)（因子媒介的轉(zhuǎn)導(dǎo)（F-mediated transduction）。）。32二、細(xì)菌的轉(zhuǎn)導(dǎo)（二、細(xì)菌的轉(zhuǎn)導(dǎo)（transduction）由噬菌體介導(dǎo)的細(xì)菌細(xì)胞間進(jìn)行遺傳交換的一種方式：由噬菌體介導(dǎo)的細(xì)菌細(xì)胞間進(jìn)行遺傳交換的一種方式： 一個(gè)細(xì)胞的一個(gè)細(xì)胞的DNA通過病毒載體的感染轉(zhuǎn)移到另一個(gè)細(xì)胞中通過病毒

29、載體的感染轉(zhuǎn)移到另一個(gè)細(xì)胞中能將一個(gè)細(xì)菌宿主的部分染色體或質(zhì)粒能將一個(gè)細(xì)菌宿主的部分染色體或質(zhì)粒DNA帶到另一個(gè)細(xì)菌的噬菌體稱為帶到另一個(gè)細(xì)菌的噬菌體稱為轉(zhuǎn)導(dǎo)噬轉(zhuǎn)導(dǎo)噬菌體菌體細(xì)菌轉(zhuǎn)導(dǎo)的二種類型：細(xì)菌轉(zhuǎn)導(dǎo)的二種類型：普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)331、普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)（、普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)（generalized transduction）噬菌體可以轉(zhuǎn)導(dǎo)噬菌體可以轉(zhuǎn)導(dǎo)給體染色體的任何部分給體染色體的任何部分到受體細(xì)胞中的轉(zhuǎn)導(dǎo)過程到受體細(xì)胞中的轉(zhuǎn)導(dǎo)過程(1) 意外的發(fā)現(xiàn)意外的發(fā)現(xiàn)1951年，年，Joshua Lederberg和和Norton Zinder為了證實(shí)大腸桿菌以為了證實(shí)大腸桿菌以外的其它

30、菌種是否也存在接合作用，用二株具不同的多重營(yíng)養(yǎng)缺外的其它菌種是否也存在接合作用，用二株具不同的多重營(yíng)養(yǎng)缺陷型的鼠傷寒沙門氏菌進(jìn)行類似的實(shí)驗(yàn)：陷型的鼠傷寒沙門氏菌進(jìn)行類似的實(shí)驗(yàn)：用用“U”型管進(jìn)行同樣的實(shí)驗(yàn)時(shí)，在給體和受體型管進(jìn)行同樣的實(shí)驗(yàn)時(shí)，在給體和受體細(xì)胞不接觸的情況下，同樣出現(xiàn)原養(yǎng)型細(xì)菌！細(xì)胞不接觸的情況下，同樣出現(xiàn)原養(yǎng)型細(xì)菌！34沙門氏菌沙門氏菌LT22A是攜帶是攜帶P22噬菌體的溶源性細(xì)菌噬菌體的溶源性細(xì)菌 另另一株是非溶源性細(xì)菌一株是非溶源性細(xì)菌一個(gè)表面看起來的常規(guī)研究卻導(dǎo)致一個(gè)表面看起來的常規(guī)研究卻導(dǎo)致一個(gè)驚奇和十分重要發(fā)現(xiàn)的重要例證！一個(gè)驚奇和十分重要發(fā)現(xiàn)的重要例證！基因的傳遞很

31、可能是由可透過基因的傳遞很可能是由可透過“U”型管濾板型管濾板的的P22噬菌體介導(dǎo)的噬菌體介導(dǎo)的（普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)這一重要的基因轉(zhuǎn)移途徑的發(fā)現(xiàn)）（普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)這一重要的基因轉(zhuǎn)移途徑的發(fā)現(xiàn)）35(2) 轉(zhuǎn)導(dǎo)模型轉(zhuǎn)導(dǎo)模型36轉(zhuǎn)導(dǎo)噬菌體為什么轉(zhuǎn)導(dǎo)噬菌體為什么“錯(cuò)錯(cuò)”將宿主的將宿主的DNA包裹進(jìn)去包裹進(jìn)去?噬菌體的噬菌體的DNA包裝酶包裝酶也能識(shí)別染色體也能識(shí)別染色體DNA上類似上類似pac的位點(diǎn)的位點(diǎn)并進(jìn)行切割，以并進(jìn)行切割，以“headful”的包裝機(jī)制包裝進(jìn)的包裝機(jī)制包裝進(jìn)P22噬菌體外殼，噬菌體外殼，形成只含宿主形成只含宿主DNA的轉(zhuǎn)導(dǎo)噬菌體顆粒的轉(zhuǎn)導(dǎo)噬菌體顆粒（假噬菌體）（假噬菌體）。因?yàn)槿旧w上的

32、因?yàn)槿旧w上的pac與與P22 DNA的的pac序列不完全相同，序列不完全相同，利用效率較低，這種利用效率較低，這種“錯(cuò)裝錯(cuò)裝”機(jī)率一般僅約機(jī)率一般僅約10-6-10-837形成轉(zhuǎn)導(dǎo)顆粒的噬菌體可以是溫和的也可以是烈性的，但必須形成轉(zhuǎn)導(dǎo)顆粒的噬菌體可以是溫和的也可以是烈性的，但必須具有能偶爾識(shí)別宿主具有能偶爾識(shí)別宿主DNA的包裝機(jī)制并在宿主基因組完全降解的包裝機(jī)制并在宿主基因組完全降解以前進(jìn)行包裝。以前進(jìn)行包裝。普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)的基本要求：普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)的基本要求：38普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)的三種后果：進(jìn)入受體的外源進(jìn)入受體的外源DNA通過與細(xì)胞染色體通過與細(xì)胞染色體的重組交換而形成穩(wěn)定的轉(zhuǎn)導(dǎo)子的重組交換而形成穩(wěn)定

33、的轉(zhuǎn)導(dǎo)子流產(chǎn)轉(zhuǎn)導(dǎo)（流產(chǎn)轉(zhuǎn)導(dǎo)（abortive transduction）轉(zhuǎn)導(dǎo)轉(zhuǎn)導(dǎo)DNA不能進(jìn)行重組和復(fù)制，但其不能進(jìn)行重組和復(fù)制，但其攜帶的基因可經(jīng)過轉(zhuǎn)錄而得到表達(dá)。攜帶的基因可經(jīng)過轉(zhuǎn)錄而得到表達(dá)。特點(diǎn)：在選擇培養(yǎng)基平板上形成微小菌落特點(diǎn)：在選擇培養(yǎng)基平板上形成微小菌落外源外源DNA被降解，轉(zhuǎn)導(dǎo)失敗。被降解，轉(zhuǎn)導(dǎo)失敗。DNA不能復(fù)制，因此群體中僅一個(gè)細(xì)胞含有不能復(fù)制，因此群體中僅一個(gè)細(xì)胞含有DNA，而其它細(xì)胞只能得到其基因產(chǎn)物，形成微小菌落。而其它細(xì)胞只能得到其基因產(chǎn)物，形成微小菌落。392、局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)（、局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)（specialized transduction）（參見P219）溫和噬菌體

34、感染溫和噬菌體感染整合到細(xì)菌染色體的特定位點(diǎn)上整合到細(xì)菌染色體的特定位點(diǎn)上宿主細(xì)胞發(fā)生溶源化宿主細(xì)胞發(fā)生溶源化溶源菌因誘導(dǎo)而發(fā)生裂解時(shí)，溶源菌因誘導(dǎo)而發(fā)生裂解時(shí)，在前噬菌體二側(cè)的少數(shù)宿主在前噬菌體二側(cè)的少數(shù)宿主基因因偶爾發(fā)生的不正常切基因因偶爾發(fā)生的不正常切割而連在噬菌體割而連在噬菌體DNA上上部分缺陷的溫和噬菌體部分缺陷的溫和噬菌體把供體菌的少數(shù)特定基因轉(zhuǎn)移到受體菌中把供體菌的少數(shù)特定基因轉(zhuǎn)移到受體菌中402、局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)（、局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)（specialized transduction）溫和噬菌體溫和噬菌體裂解時(shí)的裂解時(shí)的不正常切割：不正常切割：包含包含gal或或bio基因基因（幾率一般僅有（

35、幾率一般僅有10-6）缺陷噬菌體在宿主細(xì)胞內(nèi)能夠象正常的缺陷噬菌體在宿主細(xì)胞內(nèi)能夠象正常的DNA分子一樣進(jìn)行復(fù)制分子一樣進(jìn)行復(fù)制、包裝，提供所需要的裂解功能，形成轉(zhuǎn)導(dǎo)顆粒。、包裝，提供所需要的裂解功能，形成轉(zhuǎn)導(dǎo)顆粒。但沒有正常噬菌體的但沒有正常噬菌體的溶源性和增殖能力溶源性和增殖能力，感染受體細(xì)胞后，通過，感染受體細(xì)胞后，通過DNA整合進(jìn)宿主染色體而形成穩(wěn)定的轉(zhuǎn)導(dǎo)子。整合進(jìn)宿主染色體而形成穩(wěn)定的轉(zhuǎn)導(dǎo)子。41局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)與普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)的主要區(qū)別：局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)與普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)的主要區(qū)別：a）被轉(zhuǎn)導(dǎo)的基因共價(jià)地與噬菌體被轉(zhuǎn)導(dǎo)的基因共價(jià)地與噬菌體DNA連接，與噬菌體連接，與噬菌體DNA一起一起 進(jìn)行復(fù)制、包裝以

36、及被導(dǎo)入受體細(xì)胞中。進(jìn)行復(fù)制、包裝以及被導(dǎo)入受體細(xì)胞中。而普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)包裝而普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)包裝 的可能全部是宿主菌的基因。的可能全部是宿主菌的基因。b）局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)顆粒攜帶特定的染色體片段并將固定的個(gè)別基因局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)顆粒攜帶特定的染色體片段并將固定的個(gè)別基因 導(dǎo)入受體，故稱為局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)。導(dǎo)入受體，故稱為局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)。而普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)攜帶的宿主基而普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)攜帶的宿主基 因具有隨機(jī)性。因具有隨機(jī)性。2、局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)（、局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)（specialized transduction）42 溶源轉(zhuǎn)變（溶源轉(zhuǎn)變（lysogenic conversion）：）：一個(gè)與轉(zhuǎn)導(dǎo)相似又不同的現(xiàn)象一個(gè)與轉(zhuǎn)導(dǎo)相似又不同的現(xiàn)象溫和噬菌

37、體感染細(xì)胞后使之發(fā)生溶源化，因噬菌體的基溫和噬菌體感染細(xì)胞后使之發(fā)生溶源化，因噬菌體的基因整合到宿主染色體上，而使后者獲得了新性狀的現(xiàn)象因整合到宿主染色體上，而使后者獲得了新性狀的現(xiàn)象溶源轉(zhuǎn)變與轉(zhuǎn)導(dǎo)的不同？溶源轉(zhuǎn)變與轉(zhuǎn)導(dǎo)的不同？a）不攜帶任何供體菌的基因；不攜帶任何供體菌的基因；b）這種噬菌體是完整的，而不是缺陷的；這種噬菌體是完整的，而不是缺陷的；43三、轉(zhuǎn)化（三、轉(zhuǎn)化（genetic transformation）定義：定義：同源或異源的游離同源或異源的游離DNA分子分子(質(zhì)粒和染色體質(zhì)粒和染色體DNA)被自然被自然或人工感受態(tài)細(xì)胞攝取，并得到表達(dá)的水平方向的基因轉(zhuǎn)移過程或人工感受態(tài)細(xì)胞攝

38、取，并得到表達(dá)的水平方向的基因轉(zhuǎn)移過程自然轉(zhuǎn)化（自然轉(zhuǎn)化（natural genetic transformation）人工轉(zhuǎn)化（人工轉(zhuǎn)化（artificial transformation）感受態(tài)細(xì)胞：感受態(tài)細(xì)胞：具有攝取外源具有攝取外源DNA能力的細(xì)胞能力的細(xì)胞（competent cell）44自然感受態(tài)與人工感受態(tài)的不同？自然感受態(tài)與人工感受態(tài)的不同？自然感受態(tài)自然感受態(tài)的出現(xiàn)是細(xì)胞一定生長(zhǎng)階段的生理特性，的出現(xiàn)是細(xì)胞一定生長(zhǎng)階段的生理特性， 受細(xì)菌自身的基因控制；受細(xì)菌自身的基因控制；人工感受態(tài)人工感受態(tài)則是通過人為誘導(dǎo)的方法，使細(xì)胞具有則是通過人為誘導(dǎo)的方法，使細(xì)胞具有 攝取攝取D

39、NA的能力，或人為地將的能力，或人為地將DNA導(dǎo)入細(xì)胞內(nèi)。導(dǎo)入細(xì)胞內(nèi)。 （該過程與細(xì)菌自身的遺傳控制無關(guān)）（該過程與細(xì)菌自身的遺傳控制無關(guān)）451、自然遺傳轉(zhuǎn)化（簡(jiǎn)稱自然轉(zhuǎn)化）、自然遺傳轉(zhuǎn)化（簡(jiǎn)稱自然轉(zhuǎn)化）1928年，年，Griffith發(fā)現(xiàn)肺炎鏈球菌（發(fā)現(xiàn)肺炎鏈球菌（Streptococcus pneumoniae） 的轉(zhuǎn)化現(xiàn)象的轉(zhuǎn)化現(xiàn)象目前已知有目前已知有20多個(gè)種的細(xì)菌具有自然轉(zhuǎn)化的能力多個(gè)種的細(xì)菌具有自然轉(zhuǎn)化的能力進(jìn)行自然轉(zhuǎn)化，需要二方面必要的條件：進(jìn)行自然轉(zhuǎn)化，需要二方面必要的條件：建立了感受態(tài)的受體細(xì)胞建立了感受態(tài)的受體細(xì)胞外源游離外源游離DNA分子分子46枯草芽孢桿菌的自然轉(zhuǎn)化過

40、程（革蘭氏陽(yáng)性菌的轉(zhuǎn)化模型）枯草芽孢桿菌的自然轉(zhuǎn)化過程（革蘭氏陽(yáng)性菌的轉(zhuǎn)化模型）47自然轉(zhuǎn)化過程的特點(diǎn)：自然轉(zhuǎn)化過程的特點(diǎn)：a）對(duì)核酸酶敏感；對(duì)核酸酶敏感；c）轉(zhuǎn)化是否成功及轉(zhuǎn)化效率的高低主要取決于轉(zhuǎn)化（轉(zhuǎn)化是否成功及轉(zhuǎn)化效率的高低主要取決于轉(zhuǎn)化（DNA） 給體菌株和轉(zhuǎn)化受體菌株之間的親源關(guān)系；給體菌株和轉(zhuǎn)化受體菌株之間的親源關(guān)系；d）通常情況下質(zhì)粒的自然轉(zhuǎn)化效率要低得多；通常情況下質(zhì)粒的自然轉(zhuǎn)化效率要低得多；提高質(zhì)粒的自然轉(zhuǎn)化效率的二種方法：提高質(zhì)粒的自然轉(zhuǎn)化效率的二種方法：1）使質(zhì)粒形成多聚體，這樣進(jìn)入細(xì)胞后重新組合成有活性的質(zhì)）使質(zhì)粒形成多聚體，這樣進(jìn)入細(xì)胞后重新組合成有活性的質(zhì)粒的幾率大大提高；粒