微生物遺傳學(xué)專家講座

第八章

微生物遺傳學(xué)(1)微生物遺傳學(xué)第1頁遺傳（heredity

）:

上一代生物將本身一整套遺傳基因穩(wěn)定地傳遞給下一代特征。變異（variation）：

生物體在某種外因或內(nèi)因作用下，發(fā)生遺傳物質(zhì)結(jié)構(gòu)或數(shù)量改變，而且這種改變穩(wěn)定，含有可遺傳性。引言1.遺傳與變異遺傳確保了微生物種相對(duì)穩(wěn)定性、種存在和延續(xù)，而變異則推進(jìn)了種進(jìn)化和發(fā)展。微生物遺傳學(xué)第2頁2.遺傳型和表型遺傳型（genotype）表型(phenotype)某一生物體個(gè)體所含有全部遺傳因子，即基因總和

，又稱為基因型。某一生物體所含有一切外表特征及內(nèi)在特征總和。

表型實(shí)現(xiàn)是由生物體遺傳型和環(huán)境條件共同作用結(jié)果。微生物遺傳學(xué)第3頁飾變（modification）

表型差異只與環(huán)境相關(guān)。不包括遺傳物質(zhì)結(jié)構(gòu)改變而只發(fā)生在轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)譯水平上表型改變。

谷氨酸發(fā)酵溫度敏感菌株在30℃時(shí)菌體生長(zhǎng)而不產(chǎn)生氨基酸，不過當(dāng)溫度提升到37℃時(shí)，菌體大量合成谷氨酸。變異遺傳物質(zhì)改變，造成表型改變

3.飾變與變異（遺傳型變異,基因突變）特點(diǎn)：遺傳性、群體中極少數(shù)個(gè)體行為

（自發(fā)突變頻率通常為10-6-10-9）特點(diǎn)：暫時(shí)性、不可遺傳性、表現(xiàn)為全部個(gè)體行為。微生物遺傳學(xué)第4頁微生物是遺傳學(xué)研究中明星:微生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，營(yíng)養(yǎng)體普通為單倍體，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(zhǎng)繁殖。對(duì)環(huán)境原因作用敏感，易于取得各類突變株，操作性強(qiáng)。

微生物遺傳學(xué)第5頁第一節(jié)遺傳變異物質(zhì)基礎(chǔ)一、證實(shí)核酸是遺傳物質(zhì)基礎(chǔ)三個(gè)經(jīng)典試驗(yàn)二、遺傳物質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)存在部位和方式微生物遺傳學(xué)第6頁經(jīng)典轉(zhuǎn)化試驗(yàn):

證實(shí)DNA是遺傳變異物質(zhì)基礎(chǔ)。Avery在四十年代以更精密試驗(yàn)設(shè)計(jì)重復(fù)了以上試驗(yàn)分別用S型菌中提取DNA、RNA和蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化R型菌且DNA被酶降解破壞抽提物無轉(zhuǎn)化活性DNA是轉(zhuǎn)化所必需轉(zhuǎn)化因子一、三個(gè)經(jīng)典試驗(yàn)微生物遺傳學(xué)第7頁T2噬菌體感染試驗(yàn)2.噬菌體感染試驗(yàn)（1952年，A.D.Hershey和M.Chase）微生物遺傳學(xué)第8頁3.植物病毒重建試驗(yàn)證實(shí)雜種病毒蛋白質(zhì)外殼來自TMV還是HRV,可用血清學(xué)反應(yīng)判定證實(shí)核酸（RNA）是遺傳物質(zhì)基礎(chǔ)血清學(xué)反應(yīng)說明病毒蛋白質(zhì)特征由核酸而定H.Fraenkel-Conrat(1956年)病斑特征和病毒核酸一致微生物遺傳學(xué)第9頁二、遺傳物質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)存在部位和方式（一）七個(gè)水平細(xì)胞水平（單核，多核）細(xì)胞核水平（真核，擬核）染色體水平核酸水平（DNA，部分病毒為RNA；雙鏈，少數(shù)病毒為單鏈）基因水平（遺傳功效單位）密碼子水平（遺傳信息單位）核苷酸水平（最低突變單位和交換單位）周德慶p192-197;自學(xué)（一套，兩套,核外染色體）微生物遺傳學(xué)第10頁基因（gene）是什么?

是實(shí)體，其物質(zhì)基礎(chǔ)是DNA

（或RNA）；

是一個(gè)含有特定遺傳信息DNA分子區(qū)段；

是遺傳信息傳遞和性狀分化發(fā)育依據(jù)；

基因是可分，依據(jù)功效不一樣，分為：編碼蛋白質(zhì)基因結(jié)構(gòu)基因（結(jié)構(gòu)蛋白，酶）調(diào)整基因（阻遏蛋白或激活蛋白）無翻譯產(chǎn)物基因tRNA基因（簡(jiǎn)稱tDNA）

rRNA基因（簡(jiǎn)稱rDNA）不轉(zhuǎn)錄DNA區(qū)段開啟子（promotor）操縱基因（operator）基因是一個(gè)含有特定遺傳信息核苷酸序列，它是遺傳功效單位。微生物遺傳學(xué)第11頁第二節(jié)質(zhì)粒P196質(zhì)粒（plasmid）一個(gè)獨(dú)立于染色體外，能進(jìn)行自主復(fù)制細(xì)胞質(zhì)遺傳因子，主要存在于各種微生物細(xì)胞中。附加體(episome)指哪些既能夠整合到核染色體上，作為染色體一部分而進(jìn)行復(fù)制，又能夠再游離出來或攜帶一些寄主染色體基因游離出來，這類質(zhì)粒被稱為附加體。

微生物遺傳學(xué)第12頁1、質(zhì)粒分子結(jié)構(gòu)(1)結(jié)構(gòu)通常以共價(jià)閉合環(huán)狀(covalentlyclosedcircle，簡(jiǎn)稱CCC)超螺旋雙鏈DNA分子存在于細(xì)胞中；也發(fā)覺有線型雙鏈DNA質(zhì)粒和RNA質(zhì)粒；質(zhì)粒分子大小范圍從1kb左右到1000kb；（細(xì)菌質(zhì)粒多在10kb以內(nèi)）微生物遺傳學(xué)第13頁2.質(zhì)粒分離堿提取法：①菌體培養(yǎng)和搜集：普通采取豐富培養(yǎng)基對(duì)菌體進(jìn)行培養(yǎng)，當(dāng)細(xì)胞生長(zhǎng)到指數(shù)期后期時(shí)，離心搜集細(xì)胞。②溶菌：普通用溶菌酶去壁以形成原生質(zhì)體或原生質(zhì)球。③堿變性處理：在SDS等表面活性劑存在下加NaOH液使pH升至12.4，可使菌體蛋白質(zhì)、染色體DNA以及質(zhì)粒DNA變性。④質(zhì)粒復(fù)性：加入pH4.8KAc-HAc緩沖液，將提取液調(diào)至中性，因?yàn)橘|(zhì)粒分子量小而輕易復(fù)性，并穩(wěn)定存在于溶液中；染色體DNA分子量太大，在復(fù)性過程中形成DNA之間交聯(lián)造成其形成更大分子不溶性物質(zhì)。⑤離心分離：經(jīng)高速離心能夠使細(xì)胞碎片和已變性菌體蛋白及染色體DNA一起沉淀，上清液中主要是質(zhì)粒DNA，經(jīng)乙醇沉淀后，可取得質(zhì)粒DNA。微生物遺傳學(xué)第14頁（參見P197）3.質(zhì)粒檢測(cè)提取全部胞內(nèi)DNA后電鏡觀察；氯化銫-溴化乙啶密度梯度超速離心；

對(duì)于試驗(yàn)室慣用菌，可用質(zhì)粒所帶一些特點(diǎn)，如抗藥性初步判斷。對(duì)于因?yàn)槿N構(gòu)型同時(shí)存在時(shí)造成多帶現(xiàn)象（提取質(zhì)粒時(shí)造成或自然存在），能夠進(jìn)行特異性單酶切，使其成為一條帶。

瓊脂糖凝膠電泳后觀察；微生物遺傳學(xué)第15頁4.質(zhì)粒特征(1)位于核基因組外；(3)自主復(fù)制；(2)cccDNA鏈霉菌和酵母菌中發(fā)覺了線狀dsDNA質(zhì)粒和RNA質(zhì)粒(4)有質(zhì)粒可整合到核染色體上；(5)可重組（質(zhì)粒與質(zhì)粒間，質(zhì)粒與染色體間）；(6)人為消除（丫叮類，UV，電離輻射，利福平等）(7)有質(zhì)?？稍诩?xì)胞間轉(zhuǎn)移（F因子，R因子）質(zhì)粒所含基因?qū)λ拗骷?xì)胞普通是非必需；有時(shí)能賦予宿主細(xì)胞以特殊機(jī)能，從而使宿主得到生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)微生物遺傳學(xué)第16頁5、質(zhì)粒主要類型依據(jù)質(zhì)粒所編碼功效和賦予宿主表型效應(yīng)分類:致育因子（Fertilityfactor，F(xiàn)因子）抗性質(zhì)粒（Resistancefactor，R因子）產(chǎn)細(xì)菌素質(zhì)粒（Bacteriocinproductionplasmid）毒性質(zhì)粒（virulenceplasmid）代謝質(zhì)粒（Metabolicplasmid）隱秘質(zhì)粒（crypticplasmid）2μm質(zhì)粒微生物遺傳學(xué)第17頁（參見P197）(1)致育因子(Fertilityfactor，F(xiàn)因子)又稱F質(zhì)粒，其大小約100kb，這是最早發(fā)覺一個(gè)與大腸桿菌有性生殖現(xiàn)象（接合作用）相關(guān)質(zhì)粒。攜帶F質(zhì)粒菌株稱為F+菌株（相當(dāng)于雄性），無F質(zhì)粒菌株稱為F-菌株（相當(dāng)于雌性）。F因子能以游離狀態(tài)(F+)和以與染色體相結(jié)合狀態(tài)(Hfr)存在于細(xì)胞中，所以又稱之為附加體(episome)。在志賀氏菌屬（Shigella）、沙門氏菌屬（Salmonella）和鏈球菌屬（Streptococcus）等其它細(xì)菌中也發(fā)覺了與大腸桿菌類似致育因子。在放線菌中，天藍(lán)色鏈霉菌含有SCP1和SCP2兩種致育質(zhì)粒，這兩種質(zhì)粒在天藍(lán)色鏈霉菌接合過程中起主要作用，帶動(dòng)染色體從供體細(xì)胞向受體細(xì)胞轉(zhuǎn)移。微生物遺傳學(xué)第18頁（參見P197）(2)抗性因子（Resistancefactor，R因子）包含抗藥性和抗重金屬二大類，簡(jiǎn)稱R質(zhì)粒。R100質(zhì)粒(89kb)可使宿主對(duì)以下藥品及重金屬含有抗性：汞（mercuricion，mer）四環(huán)素（tetracycline，tet）鏈霉素(Streptomycin,str)、磺胺(Sulfonamide,sul)、氯霉素(Chlorampenicol,cml)夫西地酸（fusidicacid，fus）負(fù)責(zé)這些抗性基因是成簇地存在于抗性質(zhì)粒上?？剐再|(zhì)粒在細(xì)菌間傳遞是細(xì)菌產(chǎn)生抗藥性主要原因之一。微生物遺傳學(xué)第19頁(3)Col質(zhì)粒：產(chǎn)細(xì)菌素質(zhì)粒（Bacteriocinproductionplasmid）細(xì)菌素結(jié)構(gòu)基因、包括細(xì)菌素運(yùn)輸及發(fā)揮作用（processing）蛋白質(zhì)基因、賦予宿主對(duì)該細(xì)菌素含有“免疫力”相關(guān)產(chǎn)物基因普通都位于質(zhì)粒或轉(zhuǎn)座子上，所以，細(xì)菌素能夠殺死同種但不攜帶該質(zhì)粒菌株。細(xì)菌素：許多細(xì)菌都能產(chǎn)生一些代謝產(chǎn)物，抑制或殺死其它近緣細(xì)菌或同種不一樣菌株，因?yàn)檫@些代謝產(chǎn)物是由質(zhì)粒編碼蛋白質(zhì)，不象抗生素那樣含有很廣殺菌譜，所以稱為細(xì)菌素（bacteriiocin）微生物遺傳學(xué)第20頁細(xì)菌素種類很多,普通依據(jù)產(chǎn)生菌種類進(jìn)行命名：大腸桿菌（E.coli）產(chǎn)生細(xì)菌素為colicins（大腸桿菌素），而質(zhì)粒被稱為Col質(zhì)粒。另外還有枯草桿菌素、乳酸菌素、根瘤菌素等。由G+細(xì)菌產(chǎn)生細(xì)菌素或與細(xì)菌素類似因子與colicins有所不一樣，但通常也是由質(zhì)粒基因編碼，有些甚至有商業(yè)價(jià)值，比如一個(gè)乳酸細(xì)菌產(chǎn)生細(xì)菌素NisinA能強(qiáng)烈抑制一些G+細(xì)菌生長(zhǎng)，而被用于食品工業(yè)保藏。大腸桿菌素是產(chǎn)自大腸桿菌一個(gè)蛋白質(zhì)，含有專一性地殺死其親緣關(guān)系很近、不具Col質(zhì)粒其它腸道細(xì)菌功效。微生物遺傳學(xué)第21頁(4)毒性質(zhì)粒（virulenceplasmid）許多致病菌致病性是由其所攜帶質(zhì)粒引發(fā)，這些質(zhì)粒含有編碼毒素基因，其產(chǎn)物對(duì)宿主（動(dòng)物、植物）造成傷害。產(chǎn)毒素大腸桿菌是引發(fā)人類和動(dòng)物腹瀉主要病原菌之一，其中許多菌株含有為一個(gè)或各種腸毒素編碼質(zhì)粒。蘇云金桿菌含有編碼δ內(nèi)毒素(伴孢晶體中)質(zhì)粒根癌土壤桿菌所含Ti質(zhì)粒是引發(fā)雙子葉植物冠癭瘤致病因子微生物遺傳學(xué)第22頁(5)

代謝質(zhì)粒（Metabolicplasmid）

質(zhì)粒上攜帶有有利于微生物生存基因，如能降解一些基質(zhì)酶，進(jìn)行共生固氮，或產(chǎn)生抗生素（一些放線菌）等。將復(fù)雜有機(jī)化合物降解成能被其作為碳源和能源利用簡(jiǎn)單形式，環(huán)境保護(hù)方面含有主要意義。假單胞菌：含有降解一些有毒化合物，如芳香簇化合物(苯)、農(nóng)藥(2,4dichlorophenoxyaceticacid)、辛烷和樟腦等能力。降解質(zhì)粒TOL質(zhì)粒：含分解甲苯基因；CAM-OCT質(zhì)粒：含分解樟腦辛烷基因微生物遺傳學(xué)第23頁(6)隱秘質(zhì)粒（crypticplasmid）它們存在生物學(xué)意義，當(dāng)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載體（普通加上抗性基因）隱秘質(zhì)粒不顯示任何表型效應(yīng)，它們存在只有經(jīng)過物理方法，比如用凝膠電泳檢測(cè)細(xì)胞抽提液等方法才能發(fā)覺。微生物遺傳學(xué)第24頁(7)2μm質(zhì)粒

大多數(shù)酵母菌含有一個(gè)稱為2μm質(zhì)粒

,屬隱秘質(zhì)粒

-長(zhǎng)為2m6kb環(huán)狀雙鏈DNA分子

-位于酵母細(xì)胞核內(nèi)，50~100拷貝

-只攜帶與復(fù)制和重組相關(guān)4個(gè)基因，無遺傳表型

-質(zhì)粒上有兩個(gè)600bp長(zhǎng)IR，被一個(gè)2.7kb區(qū)域和一個(gè)2.3kb小區(qū)域所間隔

-兩個(gè)IR上都有一個(gè)專一重組位點(diǎn)(FRT)，經(jīng)過重組，可使質(zhì)?；プ儺惤M成A型和B型。意義：2μm質(zhì)粒是酵母菌中進(jìn)行分子克隆和基因工程主要載體，所以以它為基礎(chǔ)構(gòu)建克隆和表示載體已得到廣泛應(yīng)用。另首先，該質(zhì)粒也是研究真核基因調(diào)控和染色體復(fù)制一個(gè)十分有用模型

微生物遺傳學(xué)第25頁依據(jù)拷貝數(shù)或復(fù)制特點(diǎn)，質(zhì)?？煞譃椋焊呖截悢?shù)(highcopynumber)質(zhì)粒（每個(gè)細(xì)胞中能夠有10~100個(gè)拷貝,其復(fù)制和染色體復(fù)制不一樣時(shí)）如ColE1、ColE2等

———————松弛型質(zhì)粒(relaxedplasmid)低拷貝數(shù)(lowcopynumber)質(zhì)粒（每個(gè)細(xì)胞中只有1~2個(gè)拷貝,其復(fù)制行為與染色體復(fù)制同時(shí)）如F因子，R100

———————嚴(yán)謹(jǐn)型質(zhì)粒(stringentplasmid)窄宿主范圍質(zhì)粒(narrowhostrangeplasmid)（