微生物的遺傳和變異

微生物的遺傳和變異第1頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四通過本章的學習，要求掌握：1、細菌基因重組的原理和方法。2、真菌基因重組的原理和方法。3、微生物誘變育種的原理和方法。4、基因工程的基本原理5、基因表達的調控重點：細菌的基因重組第2頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四微生物是遺傳學研究中的明星

微生物細胞結構簡單，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。物種和代謝類型多樣對環(huán)境因素的作用敏感，易于獲得各類突變株，操作性強。第3頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四遺傳性：生物的親代傳遞給其子代一套遺傳信息的特性；遺傳型：生物體所攜帶的全部基因總稱；表型：具有一定遺傳型的個體，在特定的外界環(huán)境中，通過生長和發(fā)育所表現(xiàn)出來的種種形態(tài)和生理特征的總和；變異：指生物體在某種內因或外因的作用下所引起的遺傳物質結構或數(shù)量的改變；飾變：同種遺傳型的生物，在不同的外界條件下，會呈現(xiàn)不同的表型。第4頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四第一節(jié)生物遺傳信息的載體①1928年，F(xiàn).Griffith；1944年O.T.Avery肺炎鏈球菌（Streptococcuspneumoniae）轉化試驗。②1952年，A.D.Hershy、M.Chase的噬菌體感染實驗。③1956年，H.Fraenkel-Conrat的TMV拆開和重建實驗。一、證明核酸是遺傳物質的經(jīng)典實驗第5頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四1、經(jīng)典轉化實驗——1928年，F(xiàn).Griffth肺炎鏈球菌：S型（菌體具莢膜，菌落表面光滑，有致病能力）R型（菌體無莢膜，菌落表面粗糙，無致病能力）第6頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四①加S菌DNA②加S菌DNA及DNA酶以外的酶③加S菌的DNA和DNA酶④加S菌的RNA⑤加S菌的蛋白質⑥加S菌的莢膜多糖活R菌長出S菌只有R菌1944年Avery、MacLeod和McCarty從熱死S型S.pneumoniae中提純了可能作為轉化因子的各種成分，并在離體條件下進行了轉化試驗：只有S型細菌的DNA才能將S.pneumoniae的R型轉化為S型。且DNA純度越高，轉化效率也越高。說明S型菌株轉移給R型菌株的，是遺傳因子DNA。第7頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四2、噬菌體感染實驗——1952年，A.D.Hershy、M.Chase第8頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四3、植物TMV重組實驗——證明RNA是TMV的遺傳物質第9頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四二、微生物基因組原核生物染色體真核生物染色體外遺傳成分質粒細胞器轉座因子插入序列（IS）轉座子（Tn）某些病毒（Mu噬菌體）第10頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四轉座因子：細胞中能改變自身位置（例如從染色體或質粒轉移到另一個位點，或者在兩個復制子之間轉移）的一段DNA序列。也稱跳躍基因或可移動基因。插入序列：能在染色體上和質粒的許多位點上插入并改換位點，也稱跳躍基因。

轉座子：能插入染色體或質粒不同位點的一般DNA序列，具有轉座功能，本身也可復制。轉座后在原來位置仍保留1份拷貝。

某些病毒：能自我復制，也可整合到染色體或質粒上，且可在微生物細胞之間進行轉移而可看作為一類微生物染色體外的遺傳物質。

第11頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四第12頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四轉座子第13頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四染色體基因組的編碼功能分配與遺傳圖譜

E.coligeneticmap第14頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四一切具有自主復制能力的遺傳功能單位都稱為基因。它的物質基礎是一個具有特定核苷酸順序的DNA片段。

結構基因：是為細胞結構、組成(如細胞生化反應所需的酶)及完成細胞功能所需的蛋白質等進行編碼的基因。調節(jié)基因：用于編碼調節(jié)蛋白的基因。操縱基因：是位于啟動基因和結構基因之間的一段堿基順序，能與調節(jié)蛋白相結合，以此來決定結構基因的轉錄是否能進行。重復基因：DNA片段重復跳躍基因：可在DNA上轉移位置的基因（IS因子、Tn因子）第15頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四信息大分子及遺傳信息流第16頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四乳糖操縱子調控模型第17頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四第二節(jié)細菌的基因重組基因重組generecombination兩個不同來源的遺傳物質進行交換，經(jīng)過基因的重新組合，形成新的基因型的過程。重組獲得的后代具有新的基因組合，表現(xiàn)出不同于親本的新性狀。原核微生物沒有有性生殖，其基因重組通過轉化、接合、轉導方式進行。第18頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四一、轉化轉化：指外源DNA（人工合成的或者從供體細胞中提取的）不經(jīng)任何媒介被直接吸收到受體細胞的過程。這些被轉化的游離的DNA片段稱為轉化因子。轉化后的受體菌，稱為轉化子。

供體菌受體菌DNA片段轉化需要的條件：

1、感受態(tài)細胞：受體菌最容易接受外源DNA片段并實現(xiàn)轉化的生理狀態(tài)稱為感受態(tài)

2、外源游離DNA分子第19頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四轉化過程轉化的特點：不需兩個細胞直接接觸，供體DNA提取出來，注入受體即可。第20頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四噬菌體DNA被感受態(tài)細胞攝取并產(chǎn)生有活性的病毒顆粒轉染(transfection)：轉染的特點：提純的噬菌體DNA以轉化的（而非感染）途徑進入細胞并表達后產(chǎn)生完整的病毒顆粒。人工轉化：在自然轉化的基礎上發(fā)展和建立的一項細菌基因重組手段，不是由細菌自身的基因所控制，是基因工程的奠基石和基礎技術。用CaCl2處理細胞，電穿孔等是常用的人工轉化手段。第21頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四二、轉導轉導：是指通過噬菌體介導的DNA在不同細菌細胞間轉移和基因重組的現(xiàn)象。細菌轉導的類型：普遍轉導局限轉導完全轉導流產(chǎn)轉導低頻轉導高頻轉導轉導噬菌體：能將細菌宿主的部分染色體和質粒DNA帶到另一個細菌的噬菌體。獲得了由噬菌體攜帶來的供體菌DNA片段的受體細胞稱為轉導子。在轉導中被轉移的染色體片段稱為轉導因子。

第22頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四普遍轉導（generalizedtransduction）通過極少數(shù)完全缺陷噬菌體對供體菌基因組上任何小片段DNA進行誤包，而將其遺傳性狀傳遞給受體菌的現(xiàn)象。普遍性轉導的三種后果：外源DNA被降解，轉導失敗。進入受體的外源DNA通過與細胞染色體的重組交換而形成穩(wěn)定的轉導子流產(chǎn)轉導完全轉導第23頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四第24頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四轉導DNA不能進行整合、重組和復制，也不迅速消失，而是表現(xiàn)穩(wěn)定的轉錄、轉譯和性狀表達。因此群體中僅一個細胞含有DNA，而其它細胞只能得到其基因產(chǎn)物。流產(chǎn)轉導：第25頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四局限轉導（generalizedtransduction）指通過部分缺陷的溫和噬菌體把供體菌的少數(shù)特有基因攜帶到受體菌中，并與后者的基因組整合、重組，形成轉導子的現(xiàn)象。第26頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四低頻轉導：指通過一般溶源菌釋放的噬菌體所進行的轉導，因其只能形成極少數(shù)的轉導子而得名。高頻轉導：在局限轉導中，若對雙重溶源菌進行誘導，就會產(chǎn)生含50%左右的局限轉導噬菌體的高頻轉導裂解物，用這種裂解物去轉導受體菌，就可獲得高達50%左右的轉導子。低頻轉導裂解物正常噬菌體極少量的部分缺陷噬菌體（局限轉導噬菌體）轉導顆粒高感染復數(shù)雙重溶源菌缺陷噬菌體和正常噬菌體同步復制高頻轉導裂解物部分缺陷噬菌（局限轉導噬菌體）正常噬菌體等量轉導顆粒局限轉導子（大量）第27頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四三、接合接合：是指通過兩種細菌細胞的直接接觸而將DNA從一種細菌轉移到另一種細菌,并使后者獲得新遺傳性狀的現(xiàn)象。1946年，JoshuaLederberg和EdwardL.TatumE.colik12的多重營養(yǎng)缺陷型雜交實驗中間平板上長出的原養(yǎng)型菌落是兩菌株之間發(fā)生了遺傳交換和重組所致。第28頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四接合機制(大腸桿菌的接合機制)接合作用是由一種被稱為F因子的質粒介導。F因子的分子量通常為5×107，上面有編碼細菌產(chǎn)生性菌毛及控制接合過程進行的20多個基因。F因子特點：1）可經(jīng)接合作用而獲得；2）可通過一些理化因素的處理，而從細胞中消失；3）在大腸桿菌中，F(xiàn)因子的DNA含量約占總染色體含量的2%。第29頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四F因子的四種細胞形式：a）F-菌株(“雌性”菌株)，不含F(xiàn)因子，沒有性菌毛，但可以通過接合作用接收F因子而變成F+菌株；b）F+菌株(“雄性”菌株)，F(xiàn)因子獨立存在，細胞表面有性菌毛。c）Hfr菌株，F(xiàn)因子插入到染色體DNA上，細胞表面有性菌毛。d）F′菌株，Hfr菌株內的F因子因不正常切割而脫離染色體時，形成游離的但攜帶一小段染色體基因的F因子，特稱為F′因子。細胞表面同樣有性菌毛。第30頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四第31頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四F’菌株當Hfr菌株內的F因子因不正常切割而脫離其染色體組時，可形成游離的攜帶一小段染色體基因的F因子，特稱F’因子。攜帶有F’因子的菌株，其性狀介于F+與Hfr之間，這就是初生F’菌株。初生F’菌株與F-菌株接合，可使后者轉變成F’菌株，這就是次生F’菌株，它既獲得了F因子，又獲得了來自初生F’菌株的若干遺傳性狀。以這種接合來傳遞供體菌基因的方式，稱為F因子轉導(F-duction)、性導(sexduction)。在次生的F’群體中，大約有10%的F’因子重新整合到染色體組上，而恢復成Hfr菌。第32頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四四、原生質體融合將遺傳性狀不同的兩種菌的（包括種間、種內、及屬間）原生質體融合成為一個新的重組子的技術。原生質體融合步驟：1、原生質體制備2、原生質體融合和再生3、融合子的選擇第33頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四第34頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四第三節(jié)真核微生物的基因重組一、有性雜交二、準性雜交2、異核體形成1、菌絲聯(lián)合3、核配4、體細胞交換和單倍體化第35頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四有性雜交雜交是在細胞水平上發(fā)生的一種遺傳重組方式。有性雜交：指性細胞間的接合和隨之發(fā)生的染色體重組，并產(chǎn)生新遺傳型后代的一種方式。第36頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四 粗糙脈孢菌的有性雜交第37頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四第四節(jié)重組DNA技術基因工程：在基因水平上，改造遺傳物質，即將分離到的或合成的基因經(jīng)過改造，插入載體中，導入宿主細胞內，使其擴增和表達，從而獲得大量基因產(chǎn)物，或者令生物表現(xiàn)出新的性狀。克隆載體（cloningvector）：負責將外源DNA片段運送到細胞中進行復制與擴增。限制性核酸內切酶（restrictionendonuclease）：是指能識別雙鏈DNA分子的特定序列，并在識別位點或其附近切割DNA的一類核酸內切酶。一、基因工程第38頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四微生物在基因工程中的作用：

1.微生物作為克隆載體:質粒、病毒、噬菌體2.微生物生產(chǎn)基因工程工具酶；

1)、限制性核酸內切酶2)、DNA連接酶3.微生物作為克隆載體的宿主；

1)、原核生物宿主：大腸桿菌，枯草芽孢桿菌2)、真核生物宿主：釀酒酵母4.微生物作為基因產(chǎn)物的重要表達載體。5.理論基礎（主要來自對微生物的研究）；6.微生物的多樣性提供了豐富而獨特的基因資源。第39頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四獲得目的基因選擇基因載體體外重組外源基因導入（細菌、植物、動物、基因槍）篩選和鑒定應用基因工程的基本操作第40頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四結核分枝桿菌H37RV基因組pncAPCR擴增NdeI和XhoI雙酶切T4DNA連接酶連接基因克隆：指利用DNA體外重組技術，將一個特定的基因或者DNA序列插入到一個載體DNA分子上，然后引入適當?shù)募闹鬟M行擴增。AmpAmppncAXhoINdeIOriOriMCS載體第41頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四大腸桿菌感受態(tài)細胞AmpCaCl2

或者甘油鈣轉化或者電轉化轉化子含氨芐青霉素的LB培養(yǎng)基克隆子第42頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四二、基因突變基因突變：一個基因內部遺傳結構或DNA序列的任何可遺傳的改變?；蛲蛔儶M義：點突變（一對或少數(shù)幾對堿基的缺失、插入或置換）野生型（原始性狀）基因突變突變型（新性狀）廣義：基因突變和染色體畸變（大片段染色體的缺失、重 復、倒位）第43頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四自發(fā)突變：在自然條件下發(fā)生的基因突變。誘發(fā)突變：利用物理化學因子處理微生物使其產(chǎn)生的突變。

回復突變：突變菌株發(fā)生突變，回復到出發(fā)菌株的狀態(tài)。

基因突變分為

基因突變的類型同義突變：堿基的變化沒有改變產(chǎn)物氨基酸序列的變化。錯義突變：堿基序列的變化引起產(chǎn)物氨基酸的變化。無義突變：堿基的改變是密碼子變?yōu)榻K止密碼子。移碼突變：堿基的缺失或插入使翻譯的閱讀框發(fā)生改變，從而使氨基酸序列完全變化。不同的堿基變化對遺傳信息的改變不同：第44頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四第45頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四1）自發(fā)性2）不對應性3）稀有性基因突變的機制4）獨立性5）可誘變性6）遺傳性7）可逆性1、基因突變的特點：第46頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四2、基因突變的機制：（1）堿基的置換（轉換、顛換）堿基置換：堿基與堿基之間的交換導致突變的發(fā)生

轉換：嘌呤到嘌呤或嘧啶到嘧啶的堿基置換。顛換：嘌呤到嘧啶或嘧啶到嘌呤的堿基置換。腺嘌呤氨基式

A－T配對腺嘌呤亞氨基式

A－C配對結果：導致AT

GC（轉換）如果是AT

CG（顛換）亞氨式氨式第47頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四（2）移碼突變frame-shiftmutant

：添加或缺失核苷酸，引起閱讀錯誤第48頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四（3）染色體畸變chromosomalaberration

：缺失、重復、插入、易位、倒位第49頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四1、堿基類似物-------5-溴尿嘧啶引起堿基的轉換誘發(fā)突變指通過人為的方法，利用物理、化學或生物因素顯著提高基因自發(fā)突變頻率的手段。凡具有誘變效應的任何因素都稱為誘變劑。酮式烯醇式第50頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四2、與DNA堿基直接起化學反應的誘變劑亞硝酸引起DNA的堿基轉換腺嘌呤次黃嘌呤第51頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四3、插入染料第52頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四D、輻射和熱嘧啶嘧啶二聚體UV第53頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四第54頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四誘變育種：指利用各