王瑩微生物遺傳與變異(1)匯總

1、微生物遺傳與變異微生物遺傳與變異生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院微生物教研室生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院微生物教研室王瑩王瑩 種瓜得瓜，種豆得豆。種瓜得瓜，種豆得豆。n遺傳性（遺傳性（heredity）：指生物的親代特性在子代中重）：指生物的親代特性在子代中重現(xiàn)的現(xiàn)象?，F(xiàn)的現(xiàn)象。遺傳和變異是生命的本質(zhì)特性之一。遺傳和變異是生命的本質(zhì)特性之一。n變異性（變異性（variation）：親代與子代之間、子代不同個(gè)）：親代與子代之間、子代不同個(gè)體之間生物學(xué)特性的差異性。體之間生物學(xué)特性的差異性。一母生九子，九子各不同。一母生九子，九子各不同。n基因型（基因型（genotype）：生物的全部遺傳因子或基因。）：生物的全部遺傳因

2、子或基因。n表型（表型（phenotype）：具有一定基因型的個(gè)體，在特）：具有一定基因型的個(gè)體，在特定環(huán)境條件下通過生長(zhǎng)發(fā)育所表現(xiàn)出來的形態(tài)等生物定環(huán)境條件下通過生長(zhǎng)發(fā)育所表現(xiàn)出來的形態(tài)等生物學(xué)特征的總和。學(xué)特征的總和。n（基因）突變（基因）突變（mutation）：指遺傳物質(zhì)（）：指遺傳物質(zhì)（DNA或或RNA）中的核苷酸序列發(fā)生了穩(wěn)定的可遺傳的變化，）中的核苷酸序列發(fā)生了穩(wěn)定的可遺傳的變化，從而導(dǎo)致了生物性狀的改變。從而導(dǎo)致了生物性狀的改變。n表型飾變（表型飾變（modification）：是指微生物在生活條件）：是指微生物在生活條件發(fā)生改變時(shí)，發(fā)生暫時(shí)的形態(tài)、生理等特性的改變。發(fā)生改變時(shí)

3、，發(fā)生暫時(shí)的形態(tài)、生理等特性的改變。橘生于淮南為橘，生于淮北則為枳。橘生于淮南為橘，生于淮北則為枳。微生物是現(xiàn)代遺傳學(xué)研究最重要的實(shí)驗(yàn)對(duì)象微生物是現(xiàn)代遺傳學(xué)研究最重要的實(shí)驗(yàn)對(duì)象n1. 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。n2. 很多常見微生物都易于人工培養(yǎng)，快速、大量生長(zhǎng)很多常見微生物都易于人工培養(yǎng)，快速、大量生長(zhǎng)繁殖。繁殖。n3. 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)。沒有微生物遺傳學(xué)的發(fā)展就沒有現(xiàn)代分子生物學(xué)！沒有微生物遺傳學(xué)的發(fā)展就沒有現(xiàn)代分子生物學(xué)！

4、第一節(jié)第一節(jié) 遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)q三個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)三個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn) 轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn) T2噬菌體感染實(shí)驗(yàn)噬菌體感染實(shí)驗(yàn) 噬菌體重建實(shí)驗(yàn)噬菌體重建實(shí)驗(yàn)一、證明核酸是遺傳變異物質(zhì)基礎(chǔ)的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)一、證明核酸是遺傳變異物質(zhì)基礎(chǔ)的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)（一）轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)（一）轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)（transformation）n1928年，年，F(xiàn).Griffith首先發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化現(xiàn)象。首先發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化現(xiàn)象。n1944年，年，O. Avery等人在離體條件下重復(fù)了這一實(shí)驗(yàn)。等人在離體條件下重復(fù)了這一實(shí)驗(yàn)。O. Avery, 18771955肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)肺炎鏈球菌肺炎鏈球菌uR R型型uS S型型肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化

5、實(shí)驗(yàn)肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)分析：分析：S S型細(xì)菌的型細(xì)菌的DNADNA能將肺炎鏈球菌的能將肺炎鏈球菌的R R型轉(zhuǎn)型轉(zhuǎn)化為化為S S型。而型。而DNADNA純度越高，轉(zhuǎn)化效率也越高，純度越高，轉(zhuǎn)化效率也越高，只取純只取純DNADNA的的610610-8-8的量時(shí)，仍有轉(zhuǎn)化能力。的量時(shí)，仍有轉(zhuǎn)化能力。這說明，這說明，S S型菌株轉(zhuǎn)移給型菌株轉(zhuǎn)移給R R型菌株的是以型菌株的是以DNADNA為基礎(chǔ)的遺傳因子。為基礎(chǔ)的遺傳因子。(二二) T2噬菌體感染實(shí)驗(yàn)噬菌體感染實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明：只結(jié)果說明：只有有DNA才具有才具有T2噬菌體的全噬菌體的全部遺傳信息，部遺傳信息，是噬菌體的遺是噬菌體的遺傳物質(zhì)。當(dāng)噬傳物質(zhì)。

6、當(dāng)噬菌體菌體DNA進(jìn)入進(jìn)入宿主細(xì)胞后，宿主細(xì)胞后，宿主細(xì)胞就按宿主細(xì)胞就按噬菌體噬菌體DNA提提供的遺傳信息，供的遺傳信息，在體內(nèi)合成屬在體內(nèi)合成屬于噬菌體的于噬菌體的DNA和外殼蛋和外殼蛋白，并裝配成白，并裝配成完整的噬菌體。完整的噬菌體。 分別提取獲得煙草花葉病毒（分別提取獲得煙草花葉病毒（TMVTMV）及）及霍氏車前草花葉病毒（霍氏車前草花葉病毒（HRVHRV）蛋白質(zhì)外）蛋白質(zhì)外殼和核酸（殼和核酸（RNARNA）。）?？寡逄幚碜C明雜合病毒的蛋抗血清處理證明雜合病毒的蛋白質(zhì)外殼來自白質(zhì)外殼來自TMVTMV，而非，而非HRVHRV雜合病毒的后代的蛋白質(zhì)外殼表雜合病毒的后代的蛋白質(zhì)外殼表現(xiàn)為

7、現(xiàn)為HRVHRV，而非，而非TMVTMV。遺傳物質(zhì)是核酸而非蛋白質(zhì)遺傳物質(zhì)是核酸而非蛋白質(zhì)植物病毒重建實(shí)驗(yàn)植物病毒重建實(shí)驗(yàn)（19561956年，年，fraenkel-Conratfraenkel-Conrat）DNA主要的遺傳物質(zhì)主要的遺傳物質(zhì)綜上所述綜上所述注：注：DNA不是唯一的遺傳物質(zhì)，不是唯一的遺傳物質(zhì)，較少的微生物也靠較少的微生物也靠RNA進(jìn)行遺進(jìn)行遺傳。傳。（一）核物質(zhì)（一）核物質(zhì)染色體染色體n染色體（染色體（chromosomechromosome）：）：遺傳物質(zhì)的載體，在細(xì)胞分裂遺傳物質(zhì)的載體，在細(xì)胞分裂期的存在形式，細(xì)胞分裂間期表現(xiàn)為染色質(zhì)期的存在形式，細(xì)胞分裂間期表現(xiàn)為染色

8、質(zhì)（chromatinchromatin）。）。n基因組（基因組（genomegenome）：）：一個(gè)物種的單倍體的所有染色體及一個(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。其所包含的遺傳信息的總稱。n原核生物染色體：原核生物染色體：一般不具備染色體的真正形態(tài)，為敘一般不具備染色體的真正形態(tài)，為敘述方便（和真核細(xì)胞比較），故名。多為單倍體。述方便（和真核細(xì)胞比較），故名。多為單倍體。n真核微生物染色體：真核微生物染色體：多條染色體，例如啤酒酵母有多條染色體，例如啤酒酵母有1616條條染色體。有時(shí)為雙倍體。染色體。有時(shí)為雙倍體。二、遺傳物質(zhì)在微生物中的存在形式二、遺傳物質(zhì)在微生物中的存

9、在形式1. 原核生物（細(xì)菌、古生菌）的遺傳物質(zhì)原核生物（細(xì)菌、古生菌）的遺傳物質(zhì)1. 原核生物（細(xì)菌、古生菌）的遺傳物質(zhì)原核生物（細(xì)菌、古生菌）的遺傳物質(zhì)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）； 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)，如大腸桿菌如大腸桿菌DNA長(zhǎng)約長(zhǎng)約4.1106 bp，長(zhǎng)約，長(zhǎng)約1100 微米，含有微米，含有5000多個(gè)基因。多個(gè)基因。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； 一般不含內(nèi)含子（一般不含內(nèi)含子（intron），遺傳信息是連續(xù)的而不），遺傳信息是連續(xù)的而不是中斷

10、的。是中斷的。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)。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)制起點(diǎn)、啟動(dòng)子、終止子和一些由調(diào)節(jié)蛋白用作為復(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)等信號(hào)序列。識(shí)別和結(jié)合的位點(diǎn)等信號(hào)序列。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；基因組的重復(fù)序列少而短?；蚪M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統(tǒng)（復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯）

11、則與細(xì)菌不同而類似于真核生物生物2. 真核微生物（如啤酒酵母）的染色體真核微生物（如啤酒酵母）的染色體特點(diǎn)特點(diǎn)典型的真核染色體結(jié)構(gòu)；典型的真核染色體結(jié)構(gòu)；基因組沒有明顯的操縱子結(jié)構(gòu)；基因組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。基因有間隔區(qū)（即非編碼區(qū)）和內(nèi)含子序列；基因有間隔區(qū)（即非編碼區(qū)）和內(nèi)含子序列； DNA重復(fù)序列多。重復(fù)序列多。2. 真核微生物（如啤酒酵母）的染色體真核微生物（如啤酒酵母）的染色體構(gòu)成方式：構(gòu)成方式： 真核染色體的基本結(jié)構(gòu)是真核染色體的基本結(jié)構(gòu)是核小體核小體；核小體排列成串珠狀染色

12、質(zhì)纖絲（核小體排列成串珠狀染色質(zhì)纖絲（10nm）；）； 核小體是由約核小體是由約200bp DNA（2nm）和）和5種組蛋白構(gòu)成種組蛋白構(gòu)成的。的。染色質(zhì)纖絲在形成染色質(zhì)纖絲在形成30nm的螺線管（的螺線管（solennoid）；）；螺線管組成伸展的大環(huán)狀結(jié)構(gòu)（螺線管組成伸展的大環(huán)狀結(jié)構(gòu)（300nm）；）；大環(huán)狀結(jié)構(gòu)構(gòu)成復(fù)雜的染色質(zhì)形態(tài)。大環(huán)狀結(jié)構(gòu)構(gòu)成復(fù)雜的染色質(zhì)形態(tài)。從核小體到染色體從核小體到染色體DNA被壓縮了將近被壓縮了將近30萬倍。萬倍。真核生物細(xì)胞中的DNA中只有不到5的DNA用于所需蛋白質(zhì)的基因表達(dá)，其余的DNA起“結(jié)構(gòu)”作用或“調(diào)節(jié)”作用。DNA被緊密地包裝在多條染色體中，每條染

13、色體中含有一個(gè)線狀DNA分子，它以左手螺旋方向圍著一個(gè)個(gè)組蛋白八聚體繞圈1.8周，形成串珠狀的染色質(zhì)，被串在一起的小顆粒稱為核小體，染色質(zhì)進(jìn)一步卷曲形成每圈6個(gè)核小體、直徑30 nm的染色質(zhì)絲，它折疊成許多超螺旋環(huán)附著在中央骨架上。真核生物的染色體結(jié)構(gòu)真核生物的染色體結(jié)構(gòu) From BIOLOGY by Jack C Carey et al., eds（二）核外物質(zhì)（二）核外物質(zhì)質(zhì)粒質(zhì)粒cccDNAcccDNAocDNAocDNAL DNAL DNA1. 質(zhì)粒的基本特性質(zhì)粒的基本特性（2）能自主復(fù)制，一般采用滾環(huán)復(fù)制方式；）能自主復(fù)制，一般采用滾環(huán)復(fù)制方式；根據(jù)拷貝數(shù)的多少將質(zhì)粒分為嚴(yán)緊型質(zhì)粒

14、根據(jù)拷貝數(shù)的多少將質(zhì)粒分為嚴(yán)緊型質(zhì)粒（stringent plasmid）和松弛型質(zhì)粒（）和松弛型質(zhì)粒（relaxed plasmid）（3）不相容和相容性；）不相容和相容性；兩種不同類型的質(zhì)粒若能穩(wěn)定地共存于一個(gè)宿主兩種不同類型的質(zhì)粒若能穩(wěn)定地共存于一個(gè)宿主細(xì)胞內(nèi)，這種現(xiàn)象稱為質(zhì)粒的相容性。細(xì)胞內(nèi)，這種現(xiàn)象稱為質(zhì)粒的相容性。（4）質(zhì)粒攜帶的基因非細(xì)胞生存所必需；）質(zhì)粒攜帶的基因非細(xì)胞生存所必需；在某些特殊條件下，質(zhì)粒有時(shí)能賦予宿主細(xì)胞以在某些特殊條件下，質(zhì)粒有時(shí)能賦予宿主細(xì)胞以特殊的機(jī)能，從而使宿主得到生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)。特殊的機(jī)能，從而使宿主得到生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)。（5）可自發(fā)消除（）可自發(fā)消除（curing

15、）；）；質(zhì)粒能自從宿主細(xì)胞自發(fā)消除。某些理化因素，質(zhì)粒能自從宿主細(xì)胞自發(fā)消除。某些理化因素，如高溫、紫外線及吖啶類物質(zhì)，可大大提高質(zhì)粒的消如高溫、紫外線及吖啶類物質(zhì)，可大大提高質(zhì)粒的消除頻率。除頻率。（6）質(zhì)?？梢詮囊粋€(gè)細(xì)菌轉(zhuǎn)移到另一個(gè)細(xì)菌。）質(zhì)?？梢詮囊粋€(gè)細(xì)菌轉(zhuǎn)移到另一個(gè)細(xì)菌。根據(jù)其轉(zhuǎn)移方式，一般把質(zhì)粒分為根據(jù)其轉(zhuǎn)移方式，一般把質(zhì)粒分為2類：一類是類：一類是接合型質(zhì)粒接合型質(zhì)粒（conjugative），可通過兩個(gè)菌細(xì)胞的），可通過兩個(gè)菌細(xì)胞的直接接合而主動(dòng)轉(zhuǎn)移如直接接合而主動(dòng)轉(zhuǎn)移如F因子。另一類是因子。另一類是非接合型質(zhì)非接合型質(zhì)粒粒（nonconjugative），必須通過噬菌體轉(zhuǎn)導(dǎo)才能

16、），必須通過噬菌體轉(zhuǎn)導(dǎo)才能轉(zhuǎn)移質(zhì)粒轉(zhuǎn)移質(zhì)粒DNA，如青霉素酶質(zhì)粒。，如青霉素酶質(zhì)粒。2. 醫(yī)藥方面的重要質(zhì)粒醫(yī)藥方面的重要質(zhì)粒（1）致育因子（）致育因子（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94.5kb，這是最早發(fā)現(xiàn)的，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。質(zhì)粒。F因子能以游離狀態(tài)（因子能以游離狀態(tài)（F）和以與染色體相結(jié)合）和以與染色體相結(jié)合的狀態(tài)（的狀態(tài)（Hfr）存在于細(xì)胞中，所以又稱之為附加體）存在于細(xì)胞中，所以又稱之為附加體（episome）。）。攜帶攜帶F質(zhì)粒的菌

17、株稱為質(zhì)粒的菌株稱為F菌株菌株（相當(dāng)于雄性），（相當(dāng)于雄性），無無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)于雌性）。（相當(dāng)于雌性）。2. 醫(yī)藥方面的重要質(zhì)粒醫(yī)藥方面的重要質(zhì)粒（2）抗性因子（）抗性因子（Resistance factor，R因子）因子）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。因之一。 R100質(zhì)粒可使宿主對(duì)下列藥物及重金屬具有抗性：質(zhì)?？墒顾拗鲗?duì)下列藥物及重金屬具有抗性：汞（汞（mercuric ion, mer）四環(huán)素（四環(huán)素（tetracycline, tet）鏈霉素（鏈霉素（Streptomycin, St

18、r）磺胺（磺胺（Sulfonamide, Su）氯霉素（氯霉素（Chlorampenicol, Cm）2. 醫(yī)藥方面的重要質(zhì)粒醫(yī)藥方面的重要質(zhì)粒（三）轉(zhuǎn)座因子（三）轉(zhuǎn)座因子 （transposable element）轉(zhuǎn)座因子：又稱跳躍基因（轉(zhuǎn)座因子：又稱跳躍基因（jumping gene）,是是位于染色體或質(zhì)粒上的一段能改變自身位置的位于染色體或質(zhì)粒上的一段能改變自身位置的DNA序序列，該過程即轉(zhuǎn)座（列，該過程即轉(zhuǎn)座（transposition）。）。轉(zhuǎn)座因子由轉(zhuǎn)座因子由Barbara MiClintock 1957在玉米中發(fā)現(xiàn)，在玉米中發(fā)現(xiàn)，1983年因此年因此獲得獲得Nobel獎(jiǎng)。獎(jiǎng)。1

19、. 原核生物的轉(zhuǎn)座因子原核生物的轉(zhuǎn)座因子（1）插入序列（）插入序列（insertion sequence，IS）最簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)座單位最簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)座單位，大小，大小7501600bp左左右，只含編碼轉(zhuǎn)座必需的轉(zhuǎn)座酶基因，分布于右，只含編碼轉(zhuǎn)座必需的轉(zhuǎn)座酶基因，分布于細(xì)菌的染色體細(xì)菌的染色體DNA、質(zhì)粒及噬菌體、質(zhì)粒及噬菌體DNA上。上。1. 原核生物的轉(zhuǎn)座因子原核生物的轉(zhuǎn)座因子（2）轉(zhuǎn)座子（）轉(zhuǎn)座子（transposon，Tn） 比比IS大，其末端其實(shí)往往是兩個(gè)大，其末端其實(shí)往往是兩個(gè)IS。攜帶。攜帶有特定的基因如抗生素抗性基因、重金屬抗性有特定的基因如抗生素抗性基因、重金屬抗性基因或者其它基因。基因

20、或者其它基因。（3）轉(zhuǎn)座噬菌體（）轉(zhuǎn)座噬菌體（transposonalphage）以大腸桿菌為宿主的溫和性噬菌體，其基以大腸桿菌為宿主的溫和性噬菌體，其基因組上含有噬菌體生長(zhǎng)必需的基因和轉(zhuǎn)座必需因組上含有噬菌體生長(zhǎng)必需的基因和轉(zhuǎn)座必需的基因，全長(zhǎng)約的基因，全長(zhǎng)約39kb。n2. 轉(zhuǎn)座的遺傳學(xué)效應(yīng)轉(zhuǎn)座的遺傳學(xué)效應(yīng)n引起插入突變；引起插入突變；n插入位置上出現(xiàn)新的基因；插入位置上出現(xiàn)新的基因；n少數(shù)核苷酸對(duì)的重復(fù)；少數(shù)核苷酸對(duì)的重復(fù)；n轉(zhuǎn)座因子的切離（轉(zhuǎn)座因子的切離（excision），造成回復(fù)），造成回復(fù)突變。突變。n染色體畸變；染色體畸變；三、微生物遺傳物質(zhì)的復(fù)制三、微生物遺傳物質(zhì)的復(fù)制 原核

21、生物染色體的復(fù)制原核生物染色體的復(fù)制原核微生物只有一個(gè)復(fù)制子（原核微生物只有一個(gè)復(fù)制子（replicon），），采用半保留的方式進(jìn)行復(fù)制，因?yàn)閺?fù)制的中間產(chǎn)采用半保留的方式進(jìn)行復(fù)制，因?yàn)閺?fù)制的中間產(chǎn)物類似希臘字母物類似希臘字母，故名，故名復(fù)制。復(fù)制。2. 真核生物染色體的復(fù)制真核生物染色體的復(fù)制真核微生物有多個(gè)復(fù)制子，以半保留的方式真核微生物有多個(gè)復(fù)制子，以半保留的方式同時(shí)進(jìn)行復(fù)制，復(fù)制的中間產(chǎn)物是多個(gè)復(fù)制叉同時(shí)進(jìn)行復(fù)制，復(fù)制的中間產(chǎn)物是多個(gè)復(fù)制叉（replication fork）。）。3、病毒基因組的復(fù)制、病毒基因組的復(fù)制病毒的復(fù)制方式多種多樣，除了病毒的復(fù)制方式多種多樣，除了復(fù)制，還復(fù)制，

22、還有滾環(huán)復(fù)制（有滾環(huán)復(fù)制（rolling cycle，復(fù)制）等方復(fù)制）等方式。式。第二節(jié)基因突變第二節(jié)基因突變一、基因和性狀一、基因和性狀基因是合成有功能的蛋白質(zhì)多肽鏈或基因是合成有功能的蛋白質(zhì)多肽鏈或RNA所必需的全所必需的全部核苷酸序列。部核苷酸序列。（一）基因的概念和基因符號(hào)（一）基因的概念和基因符號(hào)基因符號(hào)常以該基因功能特性的英文詞的前基因符號(hào)常以該基因功能特性的英文詞的前3個(gè)字個(gè)字母表示（小寫），一般用斜體，該基因的功能特性在右母表示（小寫），一般用斜體，該基因的功能特性在右上角以上角以/、r / s表示。表示。如：組氨酸基因用如：組氨酸基因用his（histidine的前的前3個(gè)字

23、母）表示，個(gè)字母）表示，his表表示組氨酸缺陷型。鏈霉素（示組氨酸缺陷型。鏈霉素（streptomycin）有抗藥性或敏感性分）有抗藥性或敏感性分別寫作別寫作strr或或strs。（二）性狀和表型、基因組和基因型（二）性狀和表型、基因組和基因型性狀性狀是構(gòu)成生物個(gè)體所有方面的特征的總稱，側(cè)是構(gòu)成生物個(gè)體所有方面的特征的總稱，側(cè)重重“全部全部”。表型表型是指生物的某個(gè)基因在特定條件下表現(xiàn)出的是指生物的某個(gè)基因在特定條件下表現(xiàn)出的特性，側(cè)重特性，側(cè)重“單個(gè)單個(gè)”?；蚪M基因組是生物單倍體細(xì)胞所有基因的總稱。側(cè)重是生物單倍體細(xì)胞所有基因的總稱。側(cè)重“全部堿基對(duì)序列的組成全部堿基對(duì)序列的組成”；基因型

24、基因型是生物基因體現(xiàn)的功能、特性。側(cè)重是生物基因體現(xiàn)的功能、特性。側(cè)重“某某個(gè)基因個(gè)基因”?；靖拍睿夯靖拍睿荷矬w遺傳物質(zhì)的核苷酸序列發(fā)生了穩(wěn)定生物體遺傳物質(zhì)的核苷酸序列發(fā)生了穩(wěn)定的可遺傳的變化。的可遺傳的變化。突變（突變（mutation）、點(diǎn)突變（）、點(diǎn)突變（point mutation ）（一對(duì)或幾對(duì)置換、缺失或插入）（一對(duì)或幾對(duì)置換、缺失或插入）；自發(fā)突變（自發(fā)突變（spontaneous mutation ）、）、誘變（誘變（induced mutation ）；）；突變率（突變率（mutation rate）；）；正向突變（正向突變（mutation）、）、回復(fù)突變（回復(fù)突變（

25、back mutation ）；）；野生型（野生型（wild type）、原養(yǎng)型（）、原養(yǎng)型（prototroph）；）；突變株（突變株（mutant ）、回復(fù)突變株（）、回復(fù)突變株（reverant）。）。二、基因突變二、基因突變表型飾變表型飾變環(huán)境的改變，導(dǎo)致表型的差異。環(huán)境的改變，導(dǎo)致表型的差異。特點(diǎn)特點(diǎn)：暫時(shí)性、不可遺傳性、表現(xiàn)為全部個(gè)體的行為。：暫時(shí)性、不可遺傳性、表現(xiàn)為全部個(gè)體的行為。橘生淮南則為橘，生于淮北則為枳。橘生淮南則為橘，生于淮北則為枳?；蛲蛔兓蛲蛔冞z傳物質(zhì)的改變，導(dǎo)致表型的改變遺傳物質(zhì)的改變，導(dǎo)致表型的改變特點(diǎn)特點(diǎn)：遺傳性、群體中極少數(shù)個(gè)體的行為。自發(fā)：遺傳性、群體

26、中極少數(shù)個(gè)體的行為。自發(fā)突變頻率通常為突變頻率通常為106109。內(nèi)因是決定因素，外因是條件。內(nèi)因是決定因素，外因是條件。1. 自發(fā)性和不對(duì)應(yīng)性；自發(fā)性和不對(duì)應(yīng)性；2. 稀有性：稀有性：環(huán)境因素的影響，環(huán)境因素的影響，DNA復(fù)制過程的偶然錯(cuò)復(fù)制過程的偶然錯(cuò)誤等而導(dǎo)致，一般頻率較低，通常為誤等而導(dǎo)致，一般頻率較低，通常為10-6 10-9 ；3. 誘發(fā)性：誘發(fā)性：某些物理、化學(xué)因素對(duì)生物體的某些物理、化學(xué)因素對(duì)生物體的DNA進(jìn)行進(jìn)行直接作用，突變以較高的頻率產(chǎn)生；直接作用，突變以較高的頻率產(chǎn)生；4. 獨(dú)立性：獨(dú)立性：某個(gè)基因的突變是一獨(dú)立事件，對(duì)其他基某個(gè)基因的突變是一獨(dú)立事件，對(duì)其他基因的突變

27、幾率沒有影響；因的突變幾率沒有影響；5. 穩(wěn)定性和可遺傳性；穩(wěn)定性和可遺傳性；6. 回復(fù)性?；貜?fù)性。（一）基因突變的規(guī)律（一）基因突變的規(guī)律（二）突變自發(fā)性的實(shí)驗(yàn)證明（二）突變自發(fā)性的實(shí)驗(yàn)證明三個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)三個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)1. 變量實(shí)驗(yàn)變量實(shí)驗(yàn)（fluctuation analysis）（細(xì)菌遺傳）（細(xì)菌遺傳學(xué)的誕生）學(xué)的誕生）Salvador Luria& Max Delbrck（1943）2. 涂布實(shí)驗(yàn)涂布實(shí)驗(yàn)（NewcombeExperiment）Newcombe （1949）3. 影印平板實(shí)驗(yàn)影印平板實(shí)驗(yàn)（replica plating）Joshua Lederberg& Esther Le

28、derberg（1952）變量實(shí)驗(yàn)（變量實(shí)驗(yàn)（fluctuation analysis）Salvador Luria & Max Delbrck（1943）噬菌體噬菌體T1在這里僅起著淘汰原始在這里僅起著淘汰原始的未突變菌株和甄別抗噬菌體突的未突變菌株和甄別抗噬菌體突變型的作用。變型的作用。變量試驗(yàn)變量試驗(yàn)(fluctuation test)(fluctuation test) l實(shí)驗(yàn)要點(diǎn)實(shí)驗(yàn)要點(diǎn)u用用E.coli E.coli T1T1噬菌體設(shè)計(jì)了試驗(yàn)噬菌體設(shè)計(jì)了試驗(yàn)l實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果u來自甲管的來自甲管的5050皿中皿中, ,各皿間抗性菌落數(shù)相差極大各皿間抗性菌落數(shù)相差極大u而來自乙管的則

29、各皿數(shù)目基本相同而來自乙管的則各皿數(shù)目基本相同l實(shí)驗(yàn)說明實(shí)驗(yàn)說明uE.coliE.coli 抗噬菌體性狀的產(chǎn)生，并非由噬菌體抗噬菌體性狀的產(chǎn)生，并非由噬菌體T1T1誘導(dǎo)誘導(dǎo)出來的，而是在它接觸出來的，而是在它接觸T1T1前，在某次分裂過程中自前，在某次分裂過程中自發(fā)產(chǎn)生的發(fā)產(chǎn)生的. .涂布試驗(yàn)（涂布試驗(yàn)（Newcombe experiment)Newcombe experiment) l實(shí)驗(yàn)要點(diǎn)實(shí)驗(yàn)要點(diǎn)u噬菌體對(duì)固體平板上的噬菌體對(duì)固體平板上的E.coli E.coli 的影響的影響l實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果u組共有抗性菌落組共有抗性菌落2828個(gè)個(gè)uB B組共有抗性菌落組共有抗性菌落353353個(gè)個(gè)

30、l實(shí)驗(yàn)說明實(shí)驗(yàn)說明u突變與噬菌體無關(guān)突變與噬菌體無關(guān)u涂布使抗性菌株均勻分布涂布使抗性菌株均勻分布u抗性突變可在任何時(shí)間發(fā)生抗性突變可在任何時(shí)間發(fā)生影印實(shí)驗(yàn)（影印實(shí)驗(yàn)（replica plating)replica plating) l實(shí)驗(yàn)要點(diǎn)實(shí)驗(yàn)要點(diǎn)u使在一系列培養(yǎng)皿的相同位置上能出現(xiàn)相同菌使在一系列培養(yǎng)皿的相同位置上能出現(xiàn)相同菌落的一種接種培養(yǎng)方法落的一種接種培養(yǎng)方法l實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果u可在根本未接觸鏈霉素的情況下可在根本未接觸鏈霉素的情況下, ,篩選出大量的篩選出大量的抗鏈霉素的菌株抗鏈霉素的菌株l實(shí)驗(yàn)說明實(shí)驗(yàn)說明u微生物的抗藥性突變是自發(fā)產(chǎn)生微生物的抗藥性突變是自發(fā)產(chǎn)生, ,與相應(yīng)的環(huán)

31、境與相應(yīng)的環(huán)境因素毫不相關(guān)因素毫不相關(guān) （三）基因突變的類型（三）基因突變的類型突變的類型很多，從實(shí)用的目的出發(fā)，突變的類型很多，從實(shí)用的目的出發(fā)，按突變后極少數(shù)突變株的按突變后極少數(shù)突變株的表型是否能在選擇表型是否能在選擇性培養(yǎng)基上加以鑒別性培養(yǎng)基上加以鑒別來區(qū)分。來區(qū)分。選擇性突變株選擇性突變株（selective mutant）：具有選）：具有選擇標(biāo)記（如營(yíng)養(yǎng)缺陷性、抗性突變型、條件致死突擇標(biāo)記（如營(yíng)養(yǎng)缺陷性、抗性突變型、條件致死突變型），只要選擇適當(dāng)?shù)沫h(huán)境條件，如培養(yǎng)基、溫變型），只要選擇適當(dāng)?shù)沫h(huán)境條件，如培養(yǎng)基、溫度、度、pH值等，就比較容易檢出和分離到。值等，就比較容易檢出和分離到

32、。非選擇性突變株非選擇性突變株（non-selective mutant）：）：無選擇標(biāo)記（如產(chǎn)量突變型、抗原突變型、形態(tài)突無選擇標(biāo)記（如產(chǎn)量突變型、抗原突變型、形態(tài)突變型），能鑒別這種突變體的唯一方法是檢查大量變型），能鑒別這種突變體的唯一方法是檢查大量菌落并找出差異。菌落并找出差異。（三）基因突變的類型（三）基因突變的類型 營(yíng)養(yǎng)缺陷型（營(yíng)養(yǎng)缺陷型（auxotroph）微生物經(jīng)突變后，失去對(duì)某種生長(zhǎng)因子（包括氨微生物經(jīng)突變后，失去對(duì)某種生長(zhǎng)因子（包括氨基酸、維生素、堿基等）的合成能力，只有從周圍環(huán)基酸、維生素、堿基等）的合成能力，只有從周圍環(huán)境或培養(yǎng)基中獲得這些營(yíng)養(yǎng)或其前體物（境或培養(yǎng)基中獲

33、得這些營(yíng)養(yǎng)或其前體物（precursor）才能生長(zhǎng)。才能生長(zhǎng)。營(yíng)養(yǎng)缺陷型是微生物遺傳學(xué)研究中重要的選擇標(biāo)營(yíng)養(yǎng)缺陷型是微生物遺傳學(xué)研究中重要的選擇標(biāo)記和育種的重要手段。記和育種的重要手段。判斷的標(biāo)準(zhǔn)判斷的標(biāo)準(zhǔn) 在基本培養(yǎng)基（在基本培養(yǎng)基（minimal medium，MM）上不能生長(zhǎng)，在完全培養(yǎng)基（上不能生長(zhǎng)，在完全培養(yǎng)基（complete medium，CM）上能夠生長(zhǎng)。）上能夠生長(zhǎng)。（三）基因突變的類型（三）基因突變的類型營(yíng)養(yǎng)缺陷型（營(yíng)養(yǎng)缺陷型（auxotrophauxotroph）影印平板法是影印平板法是LederbergLederberg夫婦在夫婦在19521952年建立，常用于營(yíng)養(yǎng)缺陷

34、年建立，常用于營(yíng)養(yǎng)缺陷型的鑒別、分離。型的鑒別、分離。生物化學(xué)統(tǒng)一性法則生物化學(xué)統(tǒng)一性法則人和細(xì)菌在人和細(xì)菌在DNA的結(jié)構(gòu)及特性方面是一致的，能使微生物的結(jié)構(gòu)及特性方面是一致的，能使微生物發(fā)生突變的誘變劑必然也會(huì)作用于人的發(fā)生突變的誘變劑必然也會(huì)作用于人的DNA，使其發(fā)生突，使其發(fā)生突變，最后造成癌變或其他不良的后果。變，最后造成癌變或其他不良的后果?；瘜W(xué)藥劑對(duì)細(xì)菌的誘變率與其對(duì)動(dòng)物的致癌性成正比。超化學(xué)藥劑對(duì)細(xì)菌的誘變率與其對(duì)動(dòng)物的致癌性成正比。超過過95的致癌物質(zhì)對(duì)微生物有誘變作用的致癌物質(zhì)對(duì)微生物有誘變作用 ，90以上的非致以上的非致癌物質(zhì)對(duì)微生物沒有誘變作用。癌物質(zhì)對(duì)微生物沒有誘變作用

35、。誘變劑的共性原則誘變劑的共性原則突變株的應(yīng)用突變株的應(yīng)用AmesAmes試驗(yàn)試驗(yàn)美國(guó)加利福尼亞大學(xué)的美國(guó)加利福尼亞大學(xué)的Bruce AmesBruce Ames教授于教授于19661966年發(fā)明，因年發(fā)明，因此稱為此稱為AmesAmes試驗(yàn)。試驗(yàn)。具體方法：具體方法：檢測(cè)鼠傷寒沙門氏菌（檢測(cè)鼠傷寒沙門氏菌（Salmonella typhmuriumSalmonella typhmurium）組氨酸營(yíng)）組氨酸營(yíng)養(yǎng)缺陷型菌株（養(yǎng)缺陷型菌株（hishis- -）的）的回復(fù)突變率回復(fù)突變率。 作為菌株的遺傳標(biāo)記：進(jìn)行基因工程、誘作為菌株的遺傳標(biāo)記：進(jìn)行基因工程、誘變育種、研究代謝過程時(shí)用作親本標(biāo)記；

36、變育種、研究代謝過程時(shí)用作親本標(biāo)記；作為生產(chǎn)菌種：作為生產(chǎn)菌種：aa、核苷酸等生產(chǎn)菌種；、核苷酸等生產(chǎn)菌種；作為作為aa、維生素、堿基的測(cè)定菌株。、維生素、堿基的測(cè)定菌株。營(yíng)養(yǎng)缺陷型的其他應(yīng)用營(yíng)養(yǎng)缺陷型的其他應(yīng)用證明證明AmesAmes試驗(yàn)重要性的應(yīng)用實(shí)例：試驗(yàn)重要性的應(yīng)用實(shí)例： 國(guó)外曾開發(fā)了一種降低婦女妊國(guó)外曾開發(fā)了一種降低婦女妊娠反應(yīng)的藥物娠反應(yīng)的藥物“反應(yīng)停反應(yīng)?！保?，在60-60-7070年代十分流行。年代十分流行。 但隨后人們就發(fā)現(xiàn)畸形兒的出但隨后人們就發(fā)現(xiàn)畸形兒的出生率明顯增高，采用生率明顯增高，采用AmesAmes試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)這種物質(zhì)具有很強(qiáng)的致突變作用，這種物質(zhì)具有很強(qiáng)的

37、致突變作用，因此這種藥物被禁止使用。因此這種藥物被禁止使用。 如果能在藥物上市之前就進(jìn)行如果能在藥物上市之前就進(jìn)行AmesAmes試驗(yàn)檢測(cè)，那么這種大量出生試驗(yàn)檢測(cè)，那么這種大量出生畸形兒的悲劇完全可以避免?；蝺旱谋瘎⊥耆梢员苊狻?藥品開發(fā)過程中，必須有三致藥品開發(fā)過程中，必須有三致實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，才能夠獲得批準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，才能夠獲得批準(zhǔn)。http:/ 正選擇標(biāo)記。突變株可直接從抗性平板正選擇標(biāo)記。突變株可直接從抗性平板上獲得上獲得在加有相應(yīng)抗生素的平板上，只有抗性在加有相應(yīng)抗生素的平板上，只有抗性突變能生長(zhǎng)，所以很容易分離得到。突變能生長(zhǎng)，所以很容易分離得到。表示方法表示方法 所抗藥物的前

38、三個(gè)小寫斜體英文字母所抗藥物的前三個(gè)小寫斜體英文字母加上加上“r”表示表示strr 和和strs分別表示對(duì)鏈霉素的抗性分別表示對(duì)鏈霉素的抗性和敏感性。和敏感性。2. 抗性突變型（抗性突變型（resistant mutant）在某一條件下具有致死效應(yīng)，而在另一在某一條件下具有致死效應(yīng)，而在另一條件下沒有致死效應(yīng)的突變型。條件下沒有致死效應(yīng)的突變型。常用的條件致死突變是溫度敏感突變常用的條件致死突變是溫度敏感突變（temperature sensitive，Ts），這類突），這類突變?cè)诟邷叵拢ㄈ缱冊(cè)诟邷叵拢ㄈ?2）是致死的，但可以）是致死的，但可以在低溫（如在低溫（如2530）下得到這種突變。）下

39、得到這種突變。特點(diǎn)特點(diǎn) 負(fù)選擇標(biāo)記。這類突變型常被用來負(fù)選擇標(biāo)記。這類突變型常被用來分離生長(zhǎng)繁殖必需的突變基因。分離生長(zhǎng)繁殖必需的突變基因。3. 條件致死突變型（條件致死突變型（conditional lethal mutant）造成形態(tài)（個(gè)體、菌落形態(tài)）改變的突造成形態(tài)（個(gè)體、菌落形態(tài)）改變的突變型。變型。特點(diǎn)特點(diǎn) 非選擇性突變。突變株和野生型菌株非選擇性突變。突變株和野生型菌株均可生長(zhǎng)，但可從形態(tài)特征上進(jìn)行區(qū)分。均可生長(zhǎng)，但可從形態(tài)特征上進(jìn)行區(qū)分。4. 形態(tài)突變型（形態(tài)突變型（morphological mutant）抗原突變型（抗原突變型（antigenic mutant）由于基因突變而

40、引起的抗原結(jié)構(gòu)發(fā)生突變由于基因突變而引起的抗原結(jié)構(gòu)發(fā)生突變的變異類型，如細(xì)胞壁缺陷變異、莢膜變異等。的變異類型，如細(xì)胞壁缺陷變異、莢膜變異等。產(chǎn)量突變型產(chǎn)量突變型通過基因突變而獲得的在有用代謝產(chǎn)物產(chǎn)通過基因突變而獲得的在有用代謝產(chǎn)物產(chǎn)量上高于原始菌株的變異株，也稱高產(chǎn)突變株量上高于原始菌株的變異株，也稱高產(chǎn)突變株（high producing mutant）。產(chǎn)量性狀是多）。產(chǎn)量性狀是多因子決定，突變機(jī)制較復(fù)雜。產(chǎn)量突變株又可因子決定，突變機(jī)制較復(fù)雜。產(chǎn)量突變株又可分為正變株和負(fù)變株。分為正變株和負(fù)變株。（一）自發(fā)突變的機(jī)制（一）自發(fā)突變的機(jī)制1. 低劑量誘變因素的長(zhǎng)期綜合效應(yīng)低劑量誘變因素的

41、長(zhǎng)期綜合效應(yīng)三、突變的分子機(jī)制三、突變的分子機(jī)制2. 堿基結(jié)構(gòu)的變化堿基結(jié)構(gòu)的變化一般情況下：一般情況下：AT；GC但但 T（酮式）變?yōu)椋ㄍ剑┳優(yōu)門（烯醇式），則（烯醇式），則TGC H3. 環(huán)出效應(yīng)（環(huán)出效應(yīng)（looping-out errors）n1 1、化學(xué)誘變劑引起的突變、化學(xué)誘變劑引起的突變（1 1）堿基置換）堿基置換亞硝酸的誘變機(jī)制是使堿基發(fā)生亞硝酸的誘變機(jī)制是使堿基發(fā)生氧化脫氨氧化脫氨，使腺，使腺嘌呤嘌呤A A變成次黃嘌呤變成次黃嘌呤H H，胞嘧啶，胞嘧啶C C變成尿嘧啶變成尿嘧啶U U。HNOHNO2 2互變互變異構(gòu)異構(gòu)復(fù)制復(fù)制（二）誘變機(jī)制（二）誘變機(jī)制n腺嘌呤經(jīng)氧化脫氨后

42、變成酮式次黃嘌呤腺嘌呤經(jīng)氧化脫氨后變成酮式次黃嘌呤（H H）。）。nDNADNA雙鏈第一次復(fù)制，結(jié)果雙鏈第一次復(fù)制，結(jié)果H H因在因在6 6位上含有位上含有酮基，故只能與酮基，故只能與6 6位上含有氨基的胞嘧啶位上含有氨基的胞嘧啶C C配對(duì)。配對(duì)。nDNADNA雙鏈第二次復(fù)制，其中胞嘧啶（雙鏈第二次復(fù)制，其中胞嘧啶（C C）正常）正常與鳥嘌呤（與鳥嘌呤（G G）配對(duì)，使）配對(duì)，使A-T G-C A-T G-C ，從而實(shí)，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。現(xiàn)轉(zhuǎn)換。n當(dāng)胞嘧啶被氧化成尿嘧啶（當(dāng)胞嘧啶被氧化成尿嘧啶（U U）時(shí)，也可實(shí)）時(shí)，也可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)G-C A-T G-C A-T 。堿基類似物引起的間接置換（堿基類似物

43、引起的間接置換（5-BU5-BU，5-AU5-AU，8-NG8-NG）5-BU5-BU是是T T的結(jié)構(gòu)類似物，一般以酮式狀態(tài)存在于的結(jié)構(gòu)類似物，一般以酮式狀態(tài)存在于DNADNA中，可正常的與中，可正常的與A A配對(duì)，有時(shí)以烯醇式狀態(tài)存在于配對(duì)，有時(shí)以烯醇式狀態(tài)存在于DNADNA中，當(dāng)中，當(dāng)DNADNA進(jìn)行復(fù)制時(shí)，就只進(jìn)行復(fù)制時(shí)，就只能與能與G G配對(duì)，配對(duì)，G G再正常的與再正常的與C C配對(duì)，就完成配對(duì)，就完成A-TA-T轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)換成G-CG-C。（2 2）移碼突變（）移碼突變（frame-shift mutationframe-shift mutation） 一種誘變劑引起一種誘變劑引起D

44、NADNA分子中一個(gè)或幾個(gè)核苷酸的分子中一個(gè)或幾個(gè)核苷酸的增增加加或或缺失缺失，從而造成突變點(diǎn)以后的全部遺傳密碼的轉(zhuǎn)錄，從而造成突變點(diǎn)以后的全部遺傳密碼的轉(zhuǎn)錄和翻譯都發(fā)生錯(cuò)誤，如原黃素、吖啶黃等吖啶類染料。和翻譯都發(fā)生錯(cuò)誤，如原黃素、吖啶黃等吖啶類染料。吖叮吖叮類類染料染料的的誘變誘變機(jī)制機(jī)制2. 物理誘變劑引起的誘變物理誘變劑引起的誘變誘變因素（紫外線、誘變因素（紫外線、X X射線、射線、射線等）射線等）誘變機(jī)制（以紫外線為例）誘變機(jī)制（以紫外線為例）鏈間或者單鏈上相鄰的鏈間或者單鏈上相鄰的2 2個(gè)個(gè)T T分子之間胸腺嘧啶二分子之間胸腺嘧啶二聚體。二聚體的出現(xiàn)會(huì)減弱雙鏈間氫鍵的作用，引起聚體

45、。二聚體的出現(xiàn)會(huì)減弱雙鏈間氫鍵的作用，引起雙鏈結(jié)構(gòu)扭曲變形，阻礙堿基的正常配對(duì)，從而引起雙鏈結(jié)構(gòu)扭曲變形，阻礙堿基的正常配對(duì)，從而引起突變或死亡。突變或死亡。3. 生物誘變劑生物誘變劑 插入序列（插入序列（IS）、轉(zhuǎn)座子（）、轉(zhuǎn)座子（Tn）、）、 Mu-噬菌體噬菌體四、損傷的修復(fù)四、損傷的修復(fù)(p197)：酶的作用酶的作用（一）光復(fù)活作用（一）光復(fù)活作用（photoreactivation）（二）切除修復(fù)（二）切除修復(fù)（excision repair）（三）重組修復(fù)（三）重組修復(fù)（recombination repair）（四）（四）SOS修復(fù)（修復(fù)（SOS repair）第三節(jié)基因的轉(zhuǎn)移和重

46、組第三節(jié)基因的轉(zhuǎn)移和重組基因重組基因重組（gene recombination）：凡把兩）：凡把兩個(gè)不同性狀個(gè)體內(nèi)的遺傳基因轉(zhuǎn)移在一起重新組合，個(gè)不同性狀個(gè)體內(nèi)的遺傳基因轉(zhuǎn)移在一起重新組合，形成新的遺傳個(gè)體方式。形成新的遺傳個(gè)體方式。微生物細(xì)胞或作為基因供體向其他微生物細(xì)胞微生物細(xì)胞或作為基因供體向其他微生物細(xì)胞提供基因，或作為基因受體接受其他微生物細(xì)胞提提供基因，或作為基因受體接受其他微生物細(xì)胞提供的基因。整合到受體細(xì)胞的染色體或質(zhì)粒上并表供的基因。整合到受體細(xì)胞的染色體或質(zhì)粒上并表達(dá)，使受體細(xì)胞具有新的性狀。這種基因的轉(zhuǎn)移、達(dá)，使受體細(xì)胞具有新的性狀。這種基因的轉(zhuǎn)移、交換、重組是生物得以進(jìn)

47、化的動(dòng)力。交換、重組是生物得以進(jìn)化的動(dòng)力。1. 轉(zhuǎn)化（轉(zhuǎn)化（transformation）：）：游離游離DNA分子分子 + 感受態(tài)細(xì)胞感受態(tài)細(xì)胞2. 接合（接合（conjugation）：）：細(xì)胞與細(xì)胞的直接接觸（由細(xì)胞與細(xì)胞的直接接觸（由F因子介導(dǎo)）因子介導(dǎo)）3. 轉(zhuǎn)導(dǎo)（轉(zhuǎn)導(dǎo)（transduction）：）：由噬菌體介導(dǎo)由噬菌體介導(dǎo)4.原生質(zhì)體融合原生質(zhì)體融合 兩種菌除去細(xì)胞壁、細(xì)胞膜，人工融合兩種菌除去細(xì)胞壁、細(xì)胞膜，人工融合細(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)移形式轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)化受體菌（受體菌（recipient, receptorrecipient, receptor）接受供體菌）

48、接受供體菌（donordonor）裸露的裸露的DNADNA片段片段，從而獲得供體菌部分遺傳性，從而獲得供體菌部分遺傳性狀的現(xiàn)象。狀的現(xiàn)象。u轉(zhuǎn)化子轉(zhuǎn)化子v轉(zhuǎn)化成功的菌株成為轉(zhuǎn)化子（轉(zhuǎn)化成功的菌株成為轉(zhuǎn)化子（transformanttransformant）u受體菌受體菌v轉(zhuǎn)化基因的接受者轉(zhuǎn)化基因的接受者 recipient/receptorrecipient/receptoru供體菌供體菌v轉(zhuǎn)化基因的提供者轉(zhuǎn)化基因的提供者donordonoru轉(zhuǎn)化因子轉(zhuǎn)化因子v起轉(zhuǎn)化作用的起轉(zhuǎn)化作用的DNADNA片段片段一、轉(zhuǎn)化（一、轉(zhuǎn)化（transformation）1.對(duì)于供體菌：外源對(duì)于供體菌：外源DN

49、A為雙鏈為雙鏈DNA；有相對(duì)高的分；有相對(duì)高的分子量，一般在子量，一般在106108。2.供體菌和受體菌間有一定的親緣關(guān)系：供體菌和受體菌間有一定的親緣關(guān)系：同源性同源性。 3.對(duì)于受體菌：必須處于感受態(tài)對(duì)于受體菌：必須處于感受態(tài)(competence)。 感受態(tài)是受體菌最易接受外源感受態(tài)是受體菌最易接受外源DNA片斷并進(jìn)行片斷并進(jìn)行轉(zhuǎn)化的生理狀態(tài)；轉(zhuǎn)化的生理狀態(tài)； 處于感受態(tài)的細(xì)胞，其吸收處于感受態(tài)的細(xì)胞，其吸收DNA的能力，有時(shí)的能力，有時(shí)可比一般細(xì)胞大可比一般細(xì)胞大100倍；倍； 感受態(tài)的出現(xiàn)受該菌的遺傳性、菌齡、生理狀態(tài)感受態(tài)的出現(xiàn)受該菌的遺傳性、菌齡、生理狀態(tài)和培養(yǎng)條件等的影響。和培

50、養(yǎng)條件等的影響。（一）轉(zhuǎn)化的條件（一）轉(zhuǎn)化的條件感受態(tài)細(xì)胞的制備感受態(tài)細(xì)胞的制備從大腸桿菌從大腸桿菌DH5DH5的培養(yǎng)平板上挑取一個(gè)單菌落接于的培養(yǎng)平板上挑取一個(gè)單菌落接于2mLLB2mLLB液體培養(yǎng)基的試管中，液體培養(yǎng)基的試管中，3737振蕩培養(yǎng)過夜。振蕩培養(yǎng)過夜。以以1%1%的接種量將以上過夜培養(yǎng)物接種于液體培養(yǎng)基中的接種量將以上過夜培養(yǎng)物接種于液體培養(yǎng)基中3737振蕩培養(yǎng)振蕩培養(yǎng)2 23h3h將菌液轉(zhuǎn)移到將菌液轉(zhuǎn)移到1.5mL1.5mL離心管中，冰上放置離心管中，冰上放置10min10min4000rpm4000rpm，離心，離心10min10min回收細(xì)胞回收細(xì)胞倒出培養(yǎng)液，將管倒置倒

51、出培養(yǎng)液，將管倒置1min1min以便培養(yǎng)液流盡以便培養(yǎng)液流盡用冰冷的用冰冷的0.1mol/L CaCl 21mL0.1mol/L CaCl 21mL，懸浮沉淀，懸浮沉淀立即放在冰上保溫立即放在冰上保溫30min30min44，4000rpm4000rpm，離心，離心10min10min，回收細(xì)胞，回收細(xì)胞用冰冷的用冰冷的0.1mol/L CaCl 2 0.1mL0.1mol/L CaCl 2 0.1mL懸浮細(xì)胞（務(wù)必放冰上）懸浮細(xì)胞（務(wù)必放冰上）分裝細(xì)胞，每分裝細(xì)胞，每100l100l一份。此細(xì)胞為感受態(tài)細(xì)胞。一份。此細(xì)胞為感受態(tài)細(xì)胞。 自然遺傳轉(zhuǎn)化自然遺傳轉(zhuǎn)化（natural geneti

52、c transformation）：自然感受態(tài)的出現(xiàn)是細(xì)胞一）：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，受細(xì)菌自身的基因控制。定生長(zhǎng)階段的生理特性，受細(xì)菌自身的基因控制。2. 人工轉(zhuǎn)化人工轉(zhuǎn)化（artificial transformation）：人工）：人工感受態(tài)則是通過人為誘導(dǎo)的方法，使細(xì)胞具有攝感受態(tài)則是通過人為誘導(dǎo)的方法，使細(xì)胞具有攝取取DNA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)。3. 原生質(zhì)體轉(zhuǎn)化原生質(zhì)體轉(zhuǎn)化：將：將DNA和聚乙二醇（和聚乙二醇（PEG）一同）一同加入原生質(zhì)體，或用電穿孔等方法將加入原生質(zhì)體，或用電穿孔等方法將DNA導(dǎo)入原導(dǎo)入原生質(zhì)體

53、。生質(zhì)體。根據(jù)細(xì)菌出現(xiàn)感受態(tài)的形式，可以將轉(zhuǎn)化分為三種類型：根據(jù)細(xì)菌出現(xiàn)感受態(tài)的形式，可以將轉(zhuǎn)化分為三種類型：用多種不同的技術(shù)處理受體細(xì)胞，使其人為地用多種不同的技術(shù)處理受體細(xì)胞，使其人為地處于一種可以攝取外源處于一種可以攝取外源DNA的的“人工感受態(tài)人工感受態(tài)”。人工轉(zhuǎn)化人工轉(zhuǎn)化用用CaCl2處理細(xì)胞，電穿孔處理細(xì)胞，電穿孔（electroporation）等是常用的）等是常用的人工轉(zhuǎn)化手段。人工轉(zhuǎn)化手段。每一個(gè)轉(zhuǎn)化因子的分子量一般在每一個(gè)轉(zhuǎn)化因子的分子量一般在106108 Da，平均約含，平均約含15個(gè)基因。每個(gè)感受態(tài)細(xì)胞約可個(gè)基因。每個(gè)感受態(tài)細(xì)胞約可摻入摻入10個(gè)轉(zhuǎn)化因子。轉(zhuǎn)化的頻率一般

54、只有個(gè)轉(zhuǎn)化因子。轉(zhuǎn)化的頻率一般只有0.1%1。質(zhì)粒形式的轉(zhuǎn)化因子的轉(zhuǎn)化率最高。質(zhì)粒形式的轉(zhuǎn)化因子的轉(zhuǎn)化率最高。（1 1）吸附吸附雙鏈雙鏈DNADNA與感受態(tài)細(xì)胞與感受態(tài)細(xì)胞表面受體結(jié)合（數(shù)分鐘）。表面受體結(jié)合（數(shù)分鐘）。（2 2）吸收吸收轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)化DNADNA雙鏈的一條鏈雙鏈的一條鏈被核酸酶降解，另一條鏈進(jìn)入細(xì)被核酸酶降解，另一條鏈進(jìn)入細(xì)胞。低濃度溶菌酶可提高細(xì)胞壁胞。低濃度溶菌酶可提高細(xì)胞壁的通透性，從而提高轉(zhuǎn)化率。的通透性，從而提高轉(zhuǎn)化率。（3 3）重組重組供體菌單鏈供體菌單鏈DNADNA片段片段 受體菌染色體組的同源區(qū)段配對(duì)受體菌染色體組的同源區(qū)段配對(duì) 受體菌原相應(yīng)單鏈被切除受體菌原相應(yīng)單

55、鏈被切除 整合、取代、連鏈（整合、取代、連鏈（DNADNA連接酶）連接酶）雜合雜合DNADNA區(qū)段區(qū)段復(fù)制復(fù)制重組子重組子（4 4）DNADNA復(fù)制與細(xì)胞分裂復(fù)制與細(xì)胞分裂 供體供體菌部分遺傳性狀延續(xù)。菌部分遺傳性狀延續(xù)。同源區(qū)段配對(duì)同源區(qū)段配對(duì)復(fù)制與分離復(fù)制與分離（三）轉(zhuǎn)化的過程（三）轉(zhuǎn)化的過程通過供體菌的性菌毛與受體菌細(xì)胞直接接觸，通過供體菌的性菌毛與受體菌細(xì)胞直接接觸，遺傳物質(zhì)自供體菌轉(zhuǎn)移入受體菌（原核微生物遺傳物質(zhì)自供體菌轉(zhuǎn)移入受體菌（原核微生物遺傳物質(zhì)轉(zhuǎn)移方式，較廣泛）。遺傳物質(zhì)轉(zhuǎn)移方式，較廣泛）。二、接合（二、接合（conjugation）（一）接合現(xiàn)象（一）接合現(xiàn)象1946年，年

56、，J.Lederberg和和Edward L.Taturm細(xì)菌的多重細(xì)菌的多重營(yíng)養(yǎng)缺陷型雜交實(shí)驗(yàn)。很幸運(yùn)，營(yíng)養(yǎng)缺陷型雜交實(shí)驗(yàn)。很幸運(yùn)，他們選擇了大腸桿菌他們選擇了大腸桿菌K12，選擇，選擇了位于染色體同一個(gè)區(qū)域的遺傳了位于染色體同一個(gè)區(qū)域的遺傳標(biāo)記。標(biāo)記。 回復(fù)突變回復(fù)突變； 轉(zhuǎn)化的結(jié)果轉(zhuǎn)化的結(jié)果； 互養(yǎng)互養(yǎng)，即營(yíng)養(yǎng)缺陷型菌株相互交換營(yíng)養(yǎng)而均得，即營(yíng)養(yǎng)缺陷型菌株相互交換營(yíng)養(yǎng)而均得到生長(zhǎng)；到生長(zhǎng)； 形成了異核體形成了異核體即細(xì)胞融合后，兩種染色體共存即細(xì)胞融合后，兩種染色體共存在一個(gè)細(xì)菌細(xì)胞中。在一個(gè)細(xì)菌細(xì)胞中?！癠”型管實(shí)驗(yàn)可以解釋為細(xì)菌之間接合后發(fā)生的型管實(shí)驗(yàn)可以解釋為細(xì)菌之間接合后發(fā)生的遺

57、傳交換和重組，但必須排出以下幾種可能：遺傳交換和重組，但必須排出以下幾種可能：F F因子（因子（F F質(zhì)粒質(zhì)粒/ /致育因子）致育因子）（1 1）性狀）性狀凡凡F F+ +菌株，有菌株，有1-41-4根性菌毛；根性菌毛；（2 2）特點(diǎn)）特點(diǎn)FF因子可游離于細(xì)胞內(nèi)，也可插入或整合到因子可游離于細(xì)胞內(nèi)，也可插入或整合到染色體上；染色體上；（3 3）F F因子的分子量通常為因子的分子量通常為5 510107 7，上面有編碼細(xì)菌產(chǎn)，上面有編碼細(xì)菌產(chǎn)生性菌毛（生性菌毛（sex pilisex pili）及控制接合過程進(jìn)行的）及控制接合過程進(jìn)行的2020多個(gè)多個(gè)基因。基因。F F因子的四種細(xì)胞形式因子的四

58、種細(xì)胞形式根據(jù)細(xì)胞中是否存在根據(jù)細(xì)胞中是否存在F F因子以及其存在方式的不因子以及其存在方式的不同，把同，把E.coliE.coli分成四種結(jié)合型的菌株。分成四種結(jié)合型的菌株。F F菌株菌株：不含：不含F(xiàn) F因子，沒有性菌毛，但可以通過因子，沒有性菌毛，但可以通過 接合作用接收接合作用接收F F因子而變成雄性菌株（因子而變成雄性菌株（F F+ +）；）；F F菌株菌株： F F因子獨(dú)立存在，細(xì)胞表面有性菌毛。因子獨(dú)立存在，細(xì)胞表面有性菌毛。HfrHfr（高頻重組）菌株（高頻重組）菌株：F F因子插入到染色體因子插入到染色體DNADNA上，上，細(xì)胞表面有性菌毛。細(xì)胞表面有性菌毛。F F菌株菌株：

59、HfrHfr菌株內(nèi)的菌株內(nèi)的F F因子因不正常切割而脫離染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色體時(shí)，形成游離的但攜帶一小段染色體基因的F F因因子，特稱為子，特稱為FF因子。細(xì)胞表面同樣有性菌毛。因子。細(xì)胞表面同樣有性菌毛。接合機(jī)制接合機(jī)制性菌毛使性菌毛使F F+ +、F F- -菌株細(xì)胞靠近，接觸，形成菌株細(xì)胞靠近，接觸，形成聚集體；聚集體；F F因子的一條因子的一條DNADNA鏈在特定位點(diǎn)斷裂；鏈在特定位點(diǎn)斷裂；斷裂后單鏈逐步解開，斷裂后單鏈逐步解開，55端延伸入端延伸入F F- -細(xì)胞，細(xì)胞，復(fù)制成環(huán)狀雙鏈復(fù)制成環(huán)狀雙鏈DNADNA； 供體菌內(nèi)環(huán)狀供體菌內(nèi)

60、環(huán)狀DNADNA單鏈進(jìn)行單鏈進(jìn)行“滾環(huán)復(fù)制滾環(huán)復(fù)制”成成雙鏈。雙鏈。1、 FF雜交雜交雜交的結(jié)果：給體細(xì)胞和受體細(xì)胞均成為雜交的結(jié)果：給體細(xì)胞和受體細(xì)胞均成為F F細(xì)胞，細(xì)胞，即：即：F FF F F FF FF F菌株的菌株的F F因子向因子向F F- -細(xì)胞轉(zhuǎn)移，但含細(xì)胞轉(zhuǎn)移，但含F(xiàn) F因子的因子的宿主細(xì)胞的染色體宿主細(xì)胞的染色體DNADNA一般不被轉(zhuǎn)移。一般不被轉(zhuǎn)移。HfrHfr菌株的菌株的F F因子插入到染色體因子插入到染色體DNADNA上，因此上，因此只要發(fā)生接合轉(zhuǎn)移過程，就可以把部分甚至全部只要發(fā)生接合轉(zhuǎn)移過程，就可以把部分甚至全部細(xì)菌染色體傳遞給細(xì)菌染色體傳遞給F F- -細(xì)胞并