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1、第七章 微生物遺傳與變異 微生物遺傳 微生物變異 基因重組 突變體檢測與篩選 分子遺傳學新技術(shù)在環(huán) 境工程與環(huán)境保護中應(yīng)用第1頁第1頁1.種瓜得瓜，種豆得豆；2.龍生龍，鳳生鳳，老鼠兒子會打洞；3.虎父無犬子；4.一母生九子，母子十不同。請大家想一想，與遺傳變異相關(guān)俗語或諺語有哪些？第七章 微生物遺傳與變異第2頁第2頁第七章 微生物遺傳與變異遺傳（heredity）和變異（variation）是生物界最本質(zhì)屬性之一。 在應(yīng)用微生物加工制造和發(fā)酵生產(chǎn)各種食品及微生物污染治理過程中，要想有效地大幅度提升產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量和處理效果，首先必須選育優(yōu)良生產(chǎn)菌種，才干達到目的。而優(yōu)良菌種選育是在微生物遺傳變

2、異基礎(chǔ)上進行。遺傳和變異是互相關(guān)聯(lián)，同時又互相矛盾對立兩個方面，在一定條件下，兩者是互相轉(zhuǎn)化。結(jié)識和掌握微生物遺傳變異規(guī)律是搞好菌種選育關(guān)鍵。第3頁第3頁第七章 微生物遺傳與變異遺傳：微生物在繁殖延續(xù)后代過程中，親代與子代之間在形態(tài)、結(jié)構(gòu)、生態(tài)、生理生化特性等方面含有一定相同性，稱為微生物遺傳。遺傳保守性：相對穩(wěn)定 有利：選育出優(yōu)良菌種屬性穩(wěn)定地遺傳。 不利：環(huán)境條件改變，微生物會不適應(yīng)外界環(huán)境條件。保持物種延續(xù)。第4頁第4頁第七章 微生物遺傳與變異變異：在微生物繁殖過程中，在世代之間、同代個體之間存在差別現(xiàn)象，稱為變異。變異多樣性 個體形態(tài)改變，菌落形態(tài)(光滑型粗糙型)變異，營養(yǎng)要求變異，對

3、溫度、pH要求變異，毒性變異，抗毒能力變異，生理生化特性變異及代謝路徑、產(chǎn)物變異等。兩者關(guān)系：遺傳是相正確，變異是絕正確，遺傳中有變異，變異中有遺傳，遺傳和變異辨證關(guān)系使微生物不斷進化。第5頁第5頁第七章 微生物遺傳與變異意義：遺傳和變異是一切生物存在和進化基本要素 育種 環(huán)境保護領(lǐng)域第6頁第6頁第七章 微生物遺傳與變異兩組基本概念：遺傳型（genotype） 又稱基因型，指某一生物個體所含有所有遺傳因子即基因組所攜帶遺傳信息。表型（phenotype） 指某一生物體所含有一切外表特性及內(nèi)在特性總和。遺傳型（也許性）表型（現(xiàn)實性）環(huán)境條件代謝、發(fā)育第7頁第7頁第七章 微生物遺傳與變異兩組基本概

4、念：變異（variation） 生物體在某種外因或內(nèi)因作用下引起遺傳物質(zhì)結(jié)構(gòu)或數(shù)量改變，即遺傳型改變。 特點：群體中幾率低，性狀改變幅度大，新性狀穩(wěn)定可遺傳。飾變（modification） 修飾性改變，即不涉及遺傳物質(zhì)結(jié)構(gòu)改變而只發(fā)生在轉(zhuǎn)錄、翻譯水平上表型改變。 特點：群體中幾乎每一個體都同樣改變，性狀改變幅度小，不遺傳，引起飾變原因消失后，表型即可恢復(fù)。比如：粘質(zhì)沙雷氏菌：在25下培養(yǎng)，產(chǎn)生深紅色靈桿菌素；在37下培養(yǎng)，不產(chǎn)生色素；假如重新將溫度降到25，又恢復(fù)產(chǎn)色素能力。第8頁第8頁7.1 微生物遺傳遺傳變異物質(zhì)基礎(chǔ) DNA（脫氧核糖核酸） 遺傳變異物質(zhì)基礎(chǔ)是蛋白質(zhì)還是核酸，曾是生物學中

5、激烈爭論重大問題之一。直至1944年后由于連續(xù)利用微生物這一有利試驗對象設(shè)計了3個著名試驗，才以確鑿事實證實了核酸尤其是DNA才是遺傳變異真正物質(zhì)基礎(chǔ)。 三個典型試驗與遺傳物質(zhì)第9頁第9頁7.1.1 遺傳變異物質(zhì)基礎(chǔ)DNA1、典型轉(zhuǎn)化試驗以肺炎鏈球菌(Streptococcus pneumoniae)作為研究對象，肺炎鏈球菌能夠使人患肺炎，也能夠使小白鼠患敗血病而死亡；有莢膜者是致病性，它菌落表面光滑(smooth)，稱為S型；有不形成莢膜，無致病性，菌落外觀粗糙(rough)，故稱R型。第10頁第10頁離體轉(zhuǎn)化試驗1944年，O.T.Avery、C.M.Macleod和M.McCarty從熱

6、死S型肺炎鏈球菌中提純了也許作為轉(zhuǎn)化因子各種成份，并在離體條件下進行了轉(zhuǎn)化試驗。Avery等體外培養(yǎng)試驗(1944)分離后S型細胞物質(zhì)對R型細胞轉(zhuǎn)化第11頁第11頁分析：S型細菌DNA能將肺炎鏈球菌R型轉(zhuǎn)化為S型。而DNA純度越高，轉(zhuǎn)化效率也越高，只取純DNA610-8量時，仍有轉(zhuǎn)化能力。這闡明，S型菌株轉(zhuǎn)移給R型菌株是以DNA為基礎(chǔ)遺傳因子。第12頁第12頁7.1.1 遺傳變異物質(zhì)基礎(chǔ)DNA2、噬菌體感染試驗1952年，A.D.Hershey和M.Chase發(fā)表了證實噬菌體遺傳物質(zhì)基礎(chǔ)著名試驗噬菌體感染試驗。首先，他們將E.coli培養(yǎng)在以放射性32P3O4或35S2O4作為磷源或硫源合成培

7、養(yǎng)基中。結(jié)果,能夠取得含32P-DNA(噬菌體關(guān)鍵)噬菌體或含35S-蛋白質(zhì)(噬菌體外殼)兩種試驗用噬菌體。第13頁第13頁第14頁第14頁7.1.1 遺傳變異物質(zhì)基礎(chǔ)DNA3、煙花草葉病毒拆開與重組試驗H.Fraenkel-Conrat(1956)用含RNA煙草花葉病毒(TMV)進行了著名植物病毒重建試驗。把TMV和HRV（霍氏車前花葉病毒）蛋白質(zhì)外殼與RNA相分離。用TMVRNA與HRV蛋白質(zhì)外殼，HRVRNA與TMV蛋白質(zhì)外殼重建后雜合病毒去感染煙草。第15頁第15頁第16頁第16頁三個典型試驗結(jié)果 細胞生物遺傳物質(zhì)是雙鏈DNA； 病毒遺傳物質(zhì)能夠是單鏈或雙鏈DNA或RNA， 即：ssD

8、NA，dsDNA，ssRNA或dsRNA。三個典型試驗結(jié)果第17頁第17頁 朊病毒發(fā)覺和思考 無論是DNA還是RNA作為遺傳物質(zhì)基礎(chǔ)已是無可辨駁事實。但朊病毒發(fā)覺對“蛋白質(zhì)不是遺傳物質(zhì)”定論也帶來一些疑云。PrP是含有傳染性蛋白質(zhì)致病因子，迄今未發(fā)覺蛋白內(nèi)有核酸，但已知傳染性疾病傳播必須有核酸構(gòu)成遺傳物質(zhì)，才干感染宿主并在宿主體內(nèi)自然繁殖。那么這是生命界又一特例呢？還是由于當前人們結(jié)識和技術(shù)所限而尚未揭示生命之謎呢？尚有待于生命科學家去結(jié)識和摸索。第18頁第18頁7.1.2 DNA結(jié)構(gòu)與復(fù)制1953年克里克（Francis Crick)（右）和沃森(James Watson)在試驗室里，他們兩

9、人由于發(fā)覺了DNA分子結(jié)構(gòu)，而在1962年與威爾金斯一起取得諾貝爾生理學和醫(yī)學獎。DNA（脫氧核糖核酸）：高分子化合物第19頁第19頁7.1.2 DNA結(jié)構(gòu)與復(fù)制 DNA結(jié)構(gòu)DNA由兩條多個核苷酸構(gòu)成鏈配對而成，兩條鏈彼此互補，以右手螺旋方式圍繞一根主軸而互相盤繞形成。四種堿基A（腺嘌呤）、T（胸腺嘧啶）、G（鳥嘌呤）、C（胞嘧啶）互相配對。A T,G C互相間通過氫鍵連接。第20頁第20頁7.1.2 DNA結(jié)構(gòu)與復(fù)制 DNA結(jié)構(gòu) 每條核苷酸鏈均由脫氧核糖磷酸脫氧核糖磷酸交替排列而成（磷酸二酯鍵）。第21頁第21頁7.1.2 DNA結(jié)構(gòu)與復(fù)制 DNA結(jié)構(gòu)四種堿基結(jié)構(gòu)第22頁第22頁7.1.2

10、DNA結(jié)構(gòu)與復(fù)制 DNA結(jié)構(gòu)堿基配對（依托氫鍵連接）G CA T第23頁第23頁ATGCATGC脫氧核糖磷酸堿基第24頁第24頁第25頁第25頁7.1.2 DNA結(jié)構(gòu)與復(fù)制 DNA存在形式 除部分病毒遺傳物質(zhì)是RNA外，其余病毒和所有含有典型細胞結(jié)構(gòu)生物體遺傳物質(zhì)都是DNA。按其在細胞中存在形式可分成染色體DNA、染色體外DNA、RNA作為遺傳物質(zhì)、朊病毒遺傳物質(zhì)。第26頁第26頁7.1.2 DNA結(jié)構(gòu)與復(fù)制真核生物與原核生物染色體主要區(qū)別有：（1）真核生物染色體主要由DNA、組蛋白構(gòu)成，原核生物染色體是單純DNA或RNA分子；（2）真核生物染色體不止一個，而原核生物染色體往往只有一個;（3）

11、真核生物染色體為核膜所包被，原核生物染色體外沒有膜包被。1.染色體DNA真核生物染色體。真核生物染色體主要由DNA和組蛋白構(gòu)成，另一方面含有少許非組蛋白和RNA。原核生物染色體。原核生物染色體普通是裸露DNA或RNA分子。它們大多是雙鏈，呈環(huán)狀或線狀。第27頁第27頁7.1.2 DNA結(jié)構(gòu)與復(fù)制2.染色體外DNA真核微生物中細胞器DNA： 葉綠體、線粒體、中心粒、 毛基體等原核微生物和真核微生物 酵母菌：質(zhì)粒插入序列、轉(zhuǎn)座子、Mu病毒等第28頁第28頁染色體指攜帶細胞功效所必備基因遺傳單元。病毒是非細胞生物，它們?nèi)走z傳基因稱為基因組，但不足以形成染色體。原核生物染色體常為一個環(huán)狀DNA分子。

12、真核生物細胞有幾條至幾十條染色體，各含一個線狀DNA分子。 第29頁第29頁真核生物染色體結(jié)構(gòu)細菌染色體DNA大小和結(jié)構(gòu)第30頁第30頁原核生物質(zhì)粒游離于原核生物染色體外，含有獨立復(fù)制能力小型共價閉合環(huán)狀DNA分子，即cccDNA (circular covalently closed DNA)，稱為質(zhì)粒。質(zhì)粒含有超螺旋狀結(jié)構(gòu)，攜帶著一些染色體所沒有基因，賦予原核生物一些對其生存必不可少特殊功效。第31頁第31頁質(zhì)粒特性自我復(fù)制能力，為復(fù)制子，單拷貝或多拷貝編碼產(chǎn)物賦予細菌一些性狀特性可自行丟失與消除（含質(zhì)粒細胞在正常培養(yǎng)基上遇化學、物理原因處理時，質(zhì)粒復(fù)制受到克制而核染色體復(fù)制繼續(xù)進行，子代

13、細胞中質(zhì)粒消除）有轉(zhuǎn)移性（能夠通過轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)導(dǎo)或接合作用而由一個細菌細胞轉(zhuǎn)移到另一個細菌細胞中，使兩個細胞都成為帶有質(zhì)粒細胞；質(zhì)粒轉(zhuǎn)移時，它能夠單獨轉(zhuǎn)移，也能夠攜帶著染色體（片段）一起進行轉(zhuǎn)移，因此它可成為基因工程載體）能夠在細胞質(zhì)中獨立于染色體之外獨立存在（游離態(tài)），也能夠通過互換摻入染色體上，以附加體（episome）形式存在）對于細菌生存并不是必要功效多樣化功效：進行細胞間接合，并帶有一些基因，如產(chǎn)生毒素、抗藥性、固氮、產(chǎn)生酶類、降解功效等。第32頁第32頁質(zhì)粒主要類型致育因子 Fertility factor，F(xiàn)因子（致育因子，性因子，約2%核染色體，94.5kb，編碼基因約1/3與接合

14、相關(guān)）抗性因子 Resistance factor，R因子（抗藥性因子，其基因編碼物質(zhì)對抗生素有抗性）Ti因子 誘癌質(zhì)粒，可同植物細胞中核染色體整合，破壞控制細胞分裂激素調(diào)整系統(tǒng)，從而使其變成癌細胞。Col因子 大腸桿菌素因子，即使大腸桿菌分泌大腸桿菌素巨大質(zhì)粒 分子量200300106Da，比普通質(zhì)粒大幾十到幾百倍，上面有固氮基因。降解性質(zhì)粒 能夠編碼許多降解性酶類，使細菌降解特殊物質(zhì)。只在假單胞菌屬中發(fā)覺。它們降解性質(zhì)?？蔀橐幌盗心芙到鈴?fù)雜物質(zhì)酶編碼，從而能利用普通細菌所難以分解物質(zhì)做碳源。第33頁第33頁產(chǎn)細菌素質(zhì)粒 Bacteriocin production plasmid毒性質(zhì)粒

15、Virulence plasmid代謝質(zhì)粒 Metabolic plasmid (降解質(zhì)粒)隱秘質(zhì)粒 Cryptic plasmid第34頁第34頁7.1.2 DNA結(jié)構(gòu)與復(fù)制基因遺傳因子 基因是一切生物體內(nèi)儲存遺傳信息、有自我復(fù)制能力遺傳功效單位。它是DNA分子上含有特定堿基順序，即核苷酸順序片斷。遺傳物質(zhì)最小功效單位。它不但能夠決定生物某一個性狀，并且還含有調(diào)控其它基因表示活性功效?；蚣仁且粋€結(jié)構(gòu)單位，也是一個功效單位。按功效可把基因分為三種：結(jié)構(gòu)基因、操縱基因、調(diào)整基因。第35頁第35頁7.1.2 DNA結(jié)構(gòu)與復(fù)制基因遺傳因子結(jié)構(gòu)基因：編碼蛋白質(zhì)或酶結(jié)構(gòu), 控制某種蛋白質(zhì)或酶合成。操縱

16、基因：操縱結(jié)構(gòu)基因表示。調(diào)整基因：控制結(jié)構(gòu)基團。 基因控制遺傳性狀，但不等于遺傳性狀。任何一個遺傳性狀表示都是在基因控制下個體發(fā)育結(jié)果。 從基因型到表現(xiàn)型需要通過酶催化代謝活動來實現(xiàn)。基因直接控制酶合成，控制新陳代謝，從而決定遺傳性狀表現(xiàn)。第36頁第36頁7.1.2 DNA結(jié)構(gòu)與復(fù)制基因信息傳遞 DNA遺傳信息需要通過一系列物質(zhì)改變過程才干在生理上和形態(tài)上表示出相應(yīng)遺傳性狀。 當代生物遺傳學已經(jīng)證實：親代性狀是通過脫氧核糖核酸（DNA）將決定各種遺傳性狀遺傳信息傳給子代。子代依據(jù)DNA所攜帶遺傳信息，產(chǎn)生一定形態(tài)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)，由一定結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)就可決定子代含有一定形態(tài)結(jié)構(gòu)和生理生化特性。第37頁第

17、37頁7.1.2 DNA結(jié)構(gòu)與復(fù)制基因信息傳遞分子遺傳學中心法則1958年Crick和1970年Temin第38頁第38頁7.1.2 DNA結(jié)構(gòu)與復(fù)制DNA復(fù)制半保留式自我復(fù)制能力解旋復(fù)制分派第39頁第39頁4dNTP第40頁第40頁注意： 復(fù)制過程必須有酶參與，如：解旋酶、聚合酶等。 解旋過程中，并不是完全斷開后才開始復(fù)制，而是解開一段后，就進行復(fù)制。復(fù)制好就開始形成雙螺旋。 每個子代細胞都取得了親代細胞一個DNA單鏈。第41頁第41頁7.1.3 DNA變性與復(fù)性DNA變性 雙鏈DNA受熱或其它原因作用，兩條鏈之間結(jié)合力被破壞而分開成單鏈DNA，即稱為DNA變性。雙螺旋結(jié)構(gòu)變?yōu)闊o序纏繞單鏈狀

18、態(tài)埋藏在分子內(nèi)部堿基暴露第42頁第42頁7.1.3 DNA變性與復(fù)性DNA變性 加熱引起DNA變性是試驗室最慣用辦法。A260：260nm波長處DNA對紫外輻射吸取值。Tm：解鏈溫度或熔解溫度，A260升高達到二分之一時溫度。DNA分子越大，G-C堿基越多，Tm值越高。第43頁第43頁7.1.3 DNA變性與復(fù)性DNA復(fù)性 變性DNA溶液經(jīng)適當處理后重新形整天然DNA過程叫復(fù)性，或叫退火。注意：DNA復(fù)性是隨機。即復(fù)性DNA不也許完全回復(fù)到本來狀態(tài)。第44頁第44頁7.1.4 RNA RNA（核糖核酸）和DNA很相同，不同是以核糖代替脫氧核糖，以尿嘧啶(U)代替胸腺嘧啶(T)。第45頁第45頁

19、7.1.4 RNA RNA有四種:tRNA、rRNA、mRNA和反義RNA，它們均由DNA轉(zhuǎn)錄而成。分別在蛋白質(zhì)合成過程中擔任不同角色。 mRNA叫信使 RNA， tRNA叫轉(zhuǎn)移RNA， 反義RNA起調(diào)整作用，決定mRNA翻譯合成速度。 rRNA（核糖體RNA）第46頁第46頁7.1.4 RNADNA轉(zhuǎn)錄成RNA第47頁第47頁mRNA翻譯模板CAACUGCAGACAUAUAUGAUACAAUUUGAUCAGUAU5/3/-Gln-Leu-Gln-Thr-Tyr-Met-Ile-Gln-Phe-Asp-Gln-Tyr-7.1.5 遺傳密碼第48頁第48頁 mRNA分子中，從5-3每三個相鄰 堿

20、基構(gòu)成三聯(lián)體，代表某個氨基酸, 共有64種。61種代表20種氨基酸3種UAA、UAG、UGA終止密碼(codon)AUG起始密碼甲硫氨酸（蛋氨酸） 密碼子：7.1.5 遺傳密碼第49頁第49頁遺傳密碼表第一堿基（5/-端）第 二 堿 基第三堿基（3/-端）終止終止*在mRNA起始部位AUG為起始信號第50頁第50頁密碼子特點(1)連續(xù)性:兩個密碼子之間無任何核苷酸加以隔開和重疊，如插入/刪除堿基，可發(fā)生移碼突變或框移5. UACGGACAUCUG.35.UACCGGACAUCUG.3酪甘組蛋酪精蘇半胱5. UACGACAUCUG.3酪天異亮插入缺失第51頁第51頁密碼子特點(2)簡并性: 除M

21、et（甲硫氨酸），Trp（色氨酸）外，其余氨基酸均由2個以上密碼子編碼（UUU和UUC都是苯丙氨酸密碼子，UCU、UCC、UCA、UCG、AGU和AGC都是絲氨酸密碼子）。其中 UAG,UAA,UGA是終止密碼子,AUG是起始密碼子同時又編碼甲硫氨酸；但細菌例外，在細菌中GUG表示起始甲酰蛋氨酸。(3)通用性:所有生物使用同一套密碼子，僅有少數(shù)例外，比如：線粒體起始密碼子為AUG、AUU;終止密碼為AGA，AGC；色氨酸為UGA等。 第52頁第52頁密碼子特點（四）擺動性：一個氨基酸可有多個密碼子 反密碼子與mRNA第三個核苷酸配對時，不嚴格遵從堿基配對原則，可出現(xiàn)U-G,I-C,I-A,此種

22、配對為不穩(wěn)定配對，又稱搖擺性。普通前兩個堿基決定其專一性，第三位堿基可有變異。tRNA反密碼環(huán)53UGUThrACG53mRNA第53頁第53頁規(guī)則雙螺旋結(jié)構(gòu)通常呈單鏈結(jié)構(gòu)脫氧核苷酸核糖核苷酸腺嘌呤（A）鳥嘌呤（G）腺嘌呤（A）鳥嘌呤（G）胞嘧啶（C）胸腺嘧啶（T）胞嘧啶（C）尿嘧啶（U）脫氧核糖核糖磷酸磷酸DNA與RNA分子比較第54頁第54頁7.1.6 微生物生長與蛋白質(zhì)合成 微生物生長主要活動是蛋白質(zhì)合成。 蛋白質(zhì)合成(翻譯)在核糖體上進行，與RNA復(fù)制（合成）及DNA復(fù)制（合成）相關(guān)。蛋白質(zhì)合成過程： DNA復(fù)制：相應(yīng)DNA鏈進行自我復(fù)制； 轉(zhuǎn)錄mRNA：由DNA轉(zhuǎn)錄成mRNA，同時也

23、轉(zhuǎn)錄成其它幾種RNA； 翻譯：由tRNA完畢； 蛋白質(zhì)合成：合成多肽，最后身成含有特定功效蛋白質(zhì)。第55頁第55頁7.1.6 微生物生長與蛋白質(zhì)合成第56頁第56頁TCATGATT AAG T AC TA A T DNA平面結(jié)構(gòu)圖細胞核中第57頁第57頁AG T AC TA A T ACGU游離核糖核苷酸DNA 解旋，一條鏈為模板合成RNA細胞核中ACGU第58頁第58頁AG T AC TA A T DNA與RNA堿基互補配對細胞核中聚合酶ACGU游離核糖核苷酸ACGUUU4dNTP第59頁第59頁 細胞質(zhì) 核孔DNAmRNA在細胞核中合成 細胞核內(nèi)UCAUGAUUAAG T AC TA A

24、T mRNA第60頁第60頁UCAUGAUUAmRNAAG T AC TA A T UCAUGAUUAmRNA 細胞核內(nèi)第61頁第61頁 tRNA在氨基酰-tRNA合成酶幫助下，能夠辨認相應(yīng)氨基酸，并通過tRNA氨基酸臂3-OH與氨基酸羧基形成活化酯氨基酰-tRNA。 氨基酰-tRNA 合成酶氨基酸+ATP+tRNA+H2O 氨基酰-tRNA+ AMP +PPi3-OH反密碼子第62頁第62頁 密碼子 密碼子 密碼子 密碼子 mRNA上決定一個氨基酸三個相鄰堿基UCAUGAUAmRNAU第63頁第63頁AAUACUAUG 亮氨酸 天冬氨酸 異亮氨酸 氨基酸（原料）氨基酰-tRNA 合成酶第64

25、頁第64頁 tRNA一端運載著氨基酸 反密碼子 亮氨酸UAA天冬氨酸ACU 異亮氨酸AUG第65頁第65頁 核糖體UCAUGAUAmRNAU 亮氨酸UAA天冬氨酸ACU 異亮氨酸AUG氨基酰-tRNA通過反密碼臂上三聯(lián)體反密碼子辨認mRNA上相應(yīng)遺傳密碼，并將所攜帶氨基酸按mRNA遺傳密碼順序安置在特定位置，最后在核糖體中合成肽鏈。第66頁第66頁細胞質(zhì)中 核糖體UCAUGAUAmRNAU 亮氨酸UAA第67頁第67頁細胞質(zhì)中 核糖體UCAUGAUAmRNAU 亮氨酸UAA天冬氨酸ACU 異亮氨酸AUG第68頁第68頁細胞質(zhì)中 核糖體UCAUGAUAmRNAU 亮氨酸UAA天冬氨酸ACU 異亮

26、氨酸AUG縮合第69頁第69頁 亮氨酸天冬氨酸 異亮氨酸以mRNA為模板形成了有一定氨基酸順序蛋白質(zhì) 細胞質(zhì)中UCAUGAUAmRNAU第70頁第70頁第71頁第71頁第72頁第72頁第73頁第73頁7.1.7 微生物細胞分裂 由于DNA復(fù)制和蛋白質(zhì)合成而使兩者成倍增長后一個有秩序過程，即微生物細胞分裂。 成倍增長核物質(zhì)和蛋白質(zhì)均等地分給兩個子細胞，在細胞中部合成橫隔閡并逐步內(nèi)陷，最后將兩個子細胞分開。第74頁第74頁一、變異實質(zhì) 在微生物遺傳過程中，由于某種原因影響，DNA上堿基對發(fā)生差錯，出現(xiàn)堿基缺失、置換或插入，改變了基因內(nèi)原有堿基順序，造成后代性狀改變。當這種改變能夠遺傳時，就是發(fā)生了

27、突變。因此說基因突變是微生物發(fā)生變異實質(zhì)。 在真核微生物中，變異也會發(fā)生在染色體水平上，如染色體缺失、重復(fù)、倒位和易位等，都會引起遺傳信息改變，稱為染色體畸變。7.2 微生物變異第75頁第75頁 1、依據(jù)突變體表型不同營養(yǎng)缺點型：喪失合成一個或幾個生長因子、堿基、或氨基酸能力?？剐酝蛔冃停寒a(chǎn)生對某化學藥品或致死物理因子抗性變異類型。條件致死突變型：改變可影響正常生長、繁殖形態(tài)突變型：個體或菌落形態(tài)變異，普通屬非選擇性突變?？乖蛔冃停杭毎乖Y(jié)構(gòu)發(fā)生變異類型，普通也屬非選擇性變異其它突變型：如毒力、糖發(fā)酵能力、代謝產(chǎn)物種類和產(chǎn)量以及對某 種藥品依賴性等突變型。7.2 微生物變異凡能用選擇性培養(yǎng)

28、基快速選擇出來突變型，稱為選擇性突變株(selective mutant)，如營養(yǎng)缺點型、抗性突變型和條件致死型等；反之則稱為非選擇性突變株(non-selective mutant)，二、突變類型選擇性突變(死活突變)非選擇性突變(非死活突變)第76頁第76頁突變基因突變基因重組誘發(fā)突變自發(fā)突變點突變?nèi)旧w畸變堿基置換移碼突變轉(zhuǎn)換顛換缺失添加缺失添加易位倒位第77頁第77頁二、突變類型2、依據(jù)突變條件和原因（突變機理）自發(fā)突變：微生物在自然條件下，沒有些人工參加而發(fā)生基因突變。 多原因低劑量誘變效應(yīng) 背景原因和環(huán)境原因誘變 微生物本身有害代謝產(chǎn)物誘變 互變異構(gòu)效應(yīng) 堿基配對A-T、G-C，在

29、DNA復(fù)制時出現(xiàn)與前不同堿基對：G-T、C-A。 環(huán)出效應(yīng)誘發(fā)突變 堿基正確置換 點突變 移碼突變 染色體畸變7.2 微生物變異第78頁第78頁誘發(fā)突變第79頁第79頁堿基對置換7.2 微生物變異 堿基正確置換可分成兩個亞類：一類是DNA 鏈上一個嘌呤被另一個嘌呤或是一個嘧啶被另一個嘧啶所置換，稱為轉(zhuǎn)換；另一類是DNA 鏈上一個嘌呤被另一個嘧啶或是一個嘧啶被另一個嘌呤所置換，稱為顛換. （實線代表轉(zhuǎn)換，虛線代表顛換） 直接引起置換誘變劑：可直接與核酸堿基發(fā)生化學反應(yīng)誘變劑，比如亞硝酸、羥胺和各種烷化劑。 間接引起置換誘變劑：堿基類似物，通過細胞代謝活動滲入到DNA分子中引起。 第80頁第80頁

30、腺嘌呤次黃嘌呤腺嘌呤氧化脫氨后形成烯醇式次黃嘌呤（He） He通過互變異構(gòu)效應(yīng)形成酮式次黃嘌呤（HK）DNA復(fù)制時，HK 與胞嘧啶（C）配對 DNA第二次復(fù)制時，C與G正常配對，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)換。第81頁第81頁堿基轉(zhuǎn)換分子機制以亞硝酸為例 HNO2胞嘧啶（C） 尿嘧啶（U） HNO2腺嘌呤（A） 次黃嘌呤（H） HNO2 鳥嘌呤（G） 黃嘌呤（X）這些反應(yīng)及形成物均可在DNA復(fù)制中產(chǎn)生影響，主要是使堿基對發(fā)生轉(zhuǎn)換。第82頁第82頁第83頁第83頁移碼突變7.2 微生物變異 指誘變劑會使DNA序列中一個或少數(shù)幾種核苷酸發(fā)生增添(插入)或缺失，從而使該部位后面所有遺傳密碼發(fā)生轉(zhuǎn)錄和翻譯錯誤一類突變。

31、能引起移碼突變原因是一些吖啶類染料，包括原黃素、吖啶黃、吖啶橙和-氨基吖啶等，以及一系列“ICR”類化合物。 第84頁第84頁吖啶類化合物誘發(fā)移碼突變及其回復(fù)突變圖示：第85頁第85頁第86頁第86頁染色體畸變7.2 微生物變異 一些強烈理化因子，如X射線等輻射及烷化劑、亞硝酸等，除了能引起上述點突變外，還會引起DNA大損傷染色體畸變，既包括染色體結(jié)構(gòu)上缺失、重復(fù)、插入、易位和倒位，也包括染色體數(shù)目的改變。 第87頁第87頁染色體畸變（chromosomal aberration）一些理化因子，如X射線等輻射及烷化劑、亞硝酸等，除了能引起點突變外，還會引起DNA大損傷（macrolesion）

32、染色體畸變，它包括：染色體結(jié)構(gòu)上改變：缺失（deletion）重復(fù)（duplication）易位（translocation）倒位（inversion）染色體數(shù)目的改變第88頁第88頁分為染色體內(nèi)畸變和染色體間畸變兩類。染色體內(nèi)畸變：只涉及一條染色體上改變，如發(fā)生染色體部分缺失或重復(fù)時，其結(jié)果可造成基因減少或增長；如發(fā)生倒位或易位時，則可造成基因排列順序改變，但數(shù)目卻不改變。倒位-是指斷裂下來一段染色體旋轉(zhuǎn)180后，重新插入到本來染色體原位置上，從而使其基因順序與其它基因順序相反；易位-是指斷裂下來一小段染色體再順向或逆向地插入到同一條染色體其它部位上。染色體間畸變：指非同源染色體間易位。第8

33、9頁第89頁第90頁第90頁若干誘變劑作用機制及誘變功效 誘變原因在DNA上初級效應(yīng) 遺傳效應(yīng) 堿基類似物 摻入作用 AT=GC雙向轉(zhuǎn)換 羥 胺 與胞嘧啶起反應(yīng) GCAT轉(zhuǎn)換 亞硝酸 A、G、C氧化脫氨作用AT=GC雙向轉(zhuǎn)換 交 聯(lián) 缺失 烷化劑 烷化堿基（主要是G） AT=GC雙向轉(zhuǎn)換 烷化磷酸基團 ATTA顛換 喪失烷化嘌呤 GCCG顛換糖-磷酸骨架斷裂 巨大損傷（缺失、重復(fù)、倒位、易位） 丫啶類 堿基之間互相作用（雙鏈變形） 碼組移動（或）紫外線 形成嘧啶水合物 GCAT轉(zhuǎn)換 形成嘧啶二聚體 碼組移動（或） 交 聯(lián) 電離輻射 堿基羥基化核降解 AT=GC雙向轉(zhuǎn)換 DNA降解 碼組移動（或

34、） 糖-磷酸骨架斷裂巨大損傷 （缺失、重復(fù)、倒位、易位） 加熱 C脫氨基 CGTA轉(zhuǎn)換 Mu噬菌體 結(jié)合到一個基因中間 碼組移動第91頁第91頁紫外輻射誘變作用機制7.2 微生物變異 紫外輻射生物學效應(yīng)主要是引起DNA改變。DNA鏈上堿基對紫外輻射很敏感，嘌呤和嘧啶吸取光波波長與紫外輻射波長靠近，可強烈吸取紫外輻射。 嘧啶對紫外線敏感性要比嘌呤強得多，其光化學反應(yīng)產(chǎn)物主要是嘧啶二聚體和水合物，相鄰嘧啶形成二聚體后造成局部DNA分子無法配對，從而引起微生物死亡或突變。 第92頁第92頁DNA損傷修復(fù)7.2 微生物變異紫外輻射對DNA破壞和DNA修復(fù) 第93頁第93頁DNA損傷修復(fù)7.2 微生物變

35、異光復(fù)活和暗復(fù)活重組修復(fù)SOS修復(fù)適應(yīng)性修復(fù) 第94頁第94頁切補修復(fù)暗修復(fù)為把它與光復(fù)活作用區(qū)分開，切補修復(fù)常稱為暗修復(fù)。它作為許多不同類型DNA損傷修復(fù)普遍系統(tǒng)，如嘧啶二聚體和錯誤堿基配對引發(fā)DNA損傷。B、C和基因產(chǎn)物結(jié)合形成一個核酸內(nèi)切酶，它能識別堿基改變所引發(fā)DNA螺旋扭曲。uvrABC內(nèi)切核酸酶在損傷任何一邊作一切口，聚合酶I切除和替換損傷部位堿基，DNA連接酶將缺口填補上。第95頁第95頁1、由核酸內(nèi)切酶切開二聚體5末端，形成3-OH和5-P單鏈缺口2、核酸外切酶從5-P到3-OH方向切除二聚體，并擴大缺口。3、DNA聚合酶以另一條互補鏈為模板，從原有鏈上暴露3-OH端起合成缺失

36、片段。4、連接酶將新合成3-OH與原有5-P相連接。第96頁第96頁重組修復(fù)(復(fù)制后修復(fù))胸腺嘧啶二聚體不能被復(fù)制，不是在此位點阻塞，而是DNA聚合酶能跳過該損傷部位，沿著下面DNA模板，恢復(fù)DNA繼續(xù)合成。在新合成DNA子鏈上二聚體對面留下一個缺口。由于需要一個完整鏈作為模板，不能用切補修復(fù)來恢復(fù)。而這個缺口能由RecA蛋白調(diào)控通過與母鏈DNA螺旋發(fā)生重組來填補。母鏈DNA在二聚體對面應(yīng)當含有完整序列。盡管重組并不能修復(fù)損傷，它確創(chuàng)造了兩個新DNA分子，通過切補修復(fù)完畢了修復(fù)功效。第97頁第97頁細胞在不切除二聚體情況下，以帶有二聚體這條鏈為模板合成互補單鏈，但在每個二聚體附近留有一空隙。通

37、過染色體互換，空隙部位就不在面對著胸腺嘧啶二聚體，而是面對著正常單鏈，在這種條件下，DNA聚合酶和連接酶起作用將空隙部位進行修復(fù)，重組修復(fù)中DNA損傷并沒有清除，但伴隨微生物傳代繁殖，損傷百分比逐步減少。第98頁第98頁SOS修復(fù)系統(tǒng)細胞中有許多基因和操縱子受RecA蛋白協(xié)同調(diào)控和LexA蛋白阻遏轉(zhuǎn)錄。它涉及處理DNA損傷和稱為SOS修復(fù)系統(tǒng)。為一個傾向差錯修復(fù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)與DNA聚合酶互相作用，使之通過嘧啶二聚體繼續(xù)復(fù)制DNA。35校正讀碼能力酶被克制，結(jié)果堿基能隨機插入二聚體對面，沒有準確堿基對(參見C2)，這個機制是紫外線因此致突變主要原因，由于大多數(shù)其它系統(tǒng)是準確修復(fù)DNA。SOS修復(fù)

38、系統(tǒng)是由RecA蛋白誘導(dǎo)，由于存在DNA損傷，RecA蛋白構(gòu)型改變顯示出激活態(tài)。激活態(tài)熱RecA蛋白引起LexA蛋白被蛋白水解酶切開，結(jié)果LexA蛋白不再作為一個轉(zhuǎn)錄阻遏物。只要細胞中存在DNA損傷，SOS修復(fù)系統(tǒng)基因就能表示。一旦DNA損傷被消除，RecA蛋白不再有活性，不再作為LexA蛋白水解誘導(dǎo)物，IexA蛋白在細胞中累積，并且克制SOS修復(fù)基因轉(zhuǎn)錄。第99頁第99頁第100頁第100頁7.2 微生物變異突變與育種 定向哺育和馴化 定向哺育是指用某一特定原因長期處理某一微生物培養(yǎng)物，同時不斷對它們進行傳代，以達到累積并選擇相應(yīng)自發(fā)突變體一個古老育種辦法。由于定向哺育自發(fā)突變頻率較低，變異

39、程度較輕微，因此哺育新種過程十分緩慢。 環(huán)境工程仍采用定向哺育辦法哺育菌種，也稱為馴化。 第101頁第101頁7.2 微生物變異突變與育種 誘變育種 誘變育種是指利用物理或化學誘變劑處理均勻而分散微生物細胞群，增進其突變頻率大幅度提升，然后設(shè)法采用簡便、快速高效篩選辦法，從中挑選少數(shù)符合育種目的突變株，以供生產(chǎn)實踐或科學試驗之用。 誘變育種不但能提升菌種生產(chǎn)性能而增長產(chǎn)品產(chǎn)量外，并且還可達到改進產(chǎn)品質(zhì)量、擴大品種和簡化生產(chǎn)工藝等目的，故仍是當前使用最廣泛育種手段之一。第102頁第102頁7.2 微生物變異 誘變育種第103頁第103頁變異基因突變基因重組(gene recombination)

40、誘變自發(fā)突變點突變?nèi)旧w畸變堿基置換移碼突變轉(zhuǎn)換顛換缺失添加缺失添加易位倒位基因重組又稱為遺傳重組，它是指把兩個不同性狀個體內(nèi)遺傳基因轉(zhuǎn)移到一起，經(jīng)過遺傳分子重新組合后，形成新遺傳型個體過程。第104頁第104頁微生物中各種基因重組形式比較整套染色體局部雜合高頻率低頻率部分染色體個別或少數(shù)基因細胞融合或連接性細胞真菌有性生殖體細胞真菌準性生殖細胞間暫時溝通細菌結(jié)合性導(dǎo)細胞間不接觸吸取游離DNA片段轉(zhuǎn)化噬菌體攜帶DNA轉(zhuǎn)導(dǎo)由噬菌體提供遺傳物質(zhì)完整噬菌體溶原轉(zhuǎn)變噬菌體DNA轉(zhuǎn)染第105頁第105頁7.3 基因重組重組是分子水平上概念，能夠理解成是遺傳物質(zhì)分子水平上雜交，而普通所說雜交是細胞水平上概

41、念。雜交中必定包括著重組，而重組則不限于雜交一個形式。真核微生物中有性雜交，準性生殖以及原核微生物中轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)導(dǎo)、接合和溶原轉(zhuǎn)變等都是基因重組在細胞水平上反應(yīng)。第106頁第106頁7.3 基因重組一、雜交（hybridization） 雜交是通過雙親細胞融合，使整套染色體基因重組，或是通過雙親細胞溝通，是部分染色體基因重組。有性雜交：普通指不同遺傳型兩性細胞間發(fā)生接合和隨之進行染色體重組，進而產(chǎn)生新遺傳型后代一個育種技術(shù)。 準性雜交：是一個類似于有性生殖但比它更為原始兩性生殖方式。它可使同一生物兩個不同起源體細胞經(jīng)融合后，不經(jīng)過減數(shù)分裂而造成低頻率基因重組。 第107頁第107頁7.3 基因重組

42、二、轉(zhuǎn)化（transformation）受體細胞直接吸取來自供體細胞DNA片段，并把它整合到自己基因組中，從而取得了供體細胞部分遺傳性狀現(xiàn)象，稱為轉(zhuǎn)化。轉(zhuǎn)化后受體菌，稱為轉(zhuǎn)化子。供體菌DNA片段稱為轉(zhuǎn)化因子。只有處于感受態(tài)細胞才干接受轉(zhuǎn)化因子，進行轉(zhuǎn)化作用。感受態(tài)細胞是能吸取外來DNA片斷，并能把它整合到自己染色體上以實現(xiàn)轉(zhuǎn)化細胞。轉(zhuǎn)化現(xiàn)象是在1928年由Griffith進行肺炎雙球菌研究中發(fā)覺。受體菌直接接受供體菌DNA片段而取得部分新遺傳性狀現(xiàn)象，就稱為轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)化作用。第108頁第108頁7.3 基因重組二、轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)化過程：感受態(tài)細胞出現(xiàn)DNA吸附DNA進入細胞DNA解鏈，形成受體DNA供體

43、DNA復(fù)合物DNA復(fù)制分離第109頁第109頁7.3 基因重組三、轉(zhuǎn)導(dǎo)（transfection）轉(zhuǎn)導(dǎo)現(xiàn)象由J.Lederberg等首先在鼠傷寒沙門氏菌中發(fā)覺，以后又在許多原核微生物中陸續(xù)發(fā)覺。通過溫和噬菌體媒介，把供體細胞小片段DNA攜帶到受體細胞中，通過互換與整合，使后者取得前者部分遺傳性狀現(xiàn)象，稱為轉(zhuǎn)導(dǎo)。由轉(zhuǎn)導(dǎo)作用而取得部分新遺傳性狀重組細胞，稱為轉(zhuǎn)導(dǎo)子。第110頁第110頁7.3 基因重組三、轉(zhuǎn)導(dǎo)（transfection）普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo) 由缺點型噬菌體誤包（而非整合）供體細菌DNA中任何一部分片段（包括核外遺傳物質(zhì)在內(nèi)）后，當它再次感染受體細菌時，使后者取得了這部分遺傳性狀現(xiàn)象，稱為普遍

44、性轉(zhuǎn)導(dǎo)。它轉(zhuǎn)導(dǎo)頻率為 105108。 第111頁第111頁7.3 基因重組三、轉(zhuǎn)導(dǎo)（transfection）不足轉(zhuǎn)導(dǎo) 由溫和噬菌體侵染而形成某一溶源細菌群被誘導(dǎo)裂解時，其中很少數(shù)個體DNA也許與噬菌體DNA 發(fā)生若干特定基因互換，從而被整合到噬菌體基因組上，當該噬菌體再次感染受體細菌時，就使受體細菌取得了這一特定遺傳性狀現(xiàn)象，稱為不足轉(zhuǎn)導(dǎo)，它轉(zhuǎn)導(dǎo)頻率為 10-6。第112頁第112頁溶源轉(zhuǎn)變?nèi)茉崔D(zhuǎn)變(lysogenic conversion)：是一個與轉(zhuǎn)導(dǎo)相同，但本質(zhì)上卻不相同特殊現(xiàn)象，即當溫和噬菌體感染其宿主后，發(fā)生溶源化，因噬菌體基因整合到宿主核基因組上，而使后者取得除免疫性以外新性狀現(xiàn)

45、象，稱為溶源轉(zhuǎn)變。當宿主喪失這一噬菌體時，經(jīng)過溶源轉(zhuǎn)變而取得性狀也同時消失。溶源轉(zhuǎn)變與轉(zhuǎn)導(dǎo)有本質(zhì)上不同，首先是它溫和噬菌體不攜帶任何供體菌基因；其次，這種噬菌體是完整，而不是缺點。 第113頁第113頁原生質(zhì)體融合(protoplast fusion)經(jīng)過人為方法，使遺傳性狀不同兩細胞原生質(zhì)體發(fā)生融合，并進而發(fā)生遺傳重組以產(chǎn)生同時帶有雙親性狀、遺傳穩(wěn)定融合子(fusant)過程，稱為原生質(zhì)體融合。第114頁第114頁7.4 突變體檢測與篩選一、突變體檢測 直接檢測表現(xiàn)型 菌落、影印平板法等間接檢測法 通過控制培養(yǎng)條件取得，如Ames試驗。影印平板技術(shù) 第115頁第115頁7.4 突變體檢測與篩

46、選二、突變體篩選 為何進行突變體篩選？誘變處理使微生物群體中出現(xiàn)各種突變型，其中絕大多數(shù)是負變株。要取得預(yù)定效應(yīng)表型主要靠科學篩選方案和篩選辦法 。有效技術(shù)是創(chuàng)造一個只允許突變體生長，克制原養(yǎng)型菌生長培養(yǎng)基或生長環(huán)境條件。第116頁第116頁7.5 分子遺傳學新技術(shù)在環(huán)境工程與環(huán)境保護中應(yīng)用 遺傳工程是從分子遺傳學,尤其是從細菌質(zhì)粒和限制性酶等研究中發(fā)展起來一個分子遺傳學分支學科。它綜合采取了生物化學和微生物學當代技術(shù)和手段,尤其是酶學方法,將某種生物基因(DNA片段)轉(zhuǎn)移到另一生物細胞中去,經(jīng)過其復(fù)制以及表示,使該生物取得新遺傳性狀。遺傳工程可分為狹義和廣義兩種。狹義遺傳工程即指基因工程,廣

47、義遺傳工程還包含細胞工程,染色體工程,細胞器工程等。習慣上所說遺傳工程多指基因工程?；蚬こ逃址Q重組DNA技術(shù),就是在體外對不同起源DNA分子進行重組,將此重組DNA引入適當寄主細胞內(nèi),并使之復(fù)制和表示。 第117頁第117頁質(zhì)粒育種質(zhì)粒：染色體外DNA，游離于原核生物染色體外,含有獨立復(fù)制能力小型共價閉合環(huán)狀DNA分子，在細胞分裂過程中能復(fù)制將遺傳性狀傳給后代。 質(zhì)粒上攜帶著一些染色體上所沒有基因,使細菌等原核生物被賦予了一些對其生存可有可無特殊功效。外界原因可使質(zhì)粒發(fā)生丟失或轉(zhuǎn)移，喪失由該質(zhì)粒決定一些性狀，但菌體不死亡。質(zhì)粒可誘導(dǎo)產(chǎn)生。質(zhì)粒有重組功效。7.5 分子遺傳學新技術(shù)在環(huán)境工程與環(huán)境保護中應(yīng)用第