第一章微生物遺傳學緒論

遺傳（heredity）：是指生物繁殖過程中，親代與子代在各方面的相似現象。變異（variation）：是指子代個體發(fā)生了改變，在某些方面不同于親代。2023/6/4當前第1頁\共有63頁\編于星期五\21點遺傳生育傳染病遺傳病易感性微生物2023/6/4當前第2頁\共有63頁\編于星期五\21點微生物遺傳與育種微生物的遺傳規(guī)律微生物的育種方式2023/6/4當前第3頁\共有63頁\編于星期五\21點H7N9爆發(fā)2023/6/4當前第4頁\共有63頁\編于星期五\21點PB2PB1HANPNAMPNSPA6個內部片段來源于H9N2RNA病毒-H7N9當前第5頁\共有63頁\編于星期五\21點在新H7N9甲型禽流感的8個基因中，表面血凝素haemagglutinin蛋白基因來自于H7亞型病毒，神經氨酸酶neuraminidase基因來自H11N9，其余6個內核基因都來自H9N2。也就是說新H7N9甲型禽流感是由這三個病毒的基因重組產生的一個全新的基因。2023/6/4當前第6頁\共有63頁\編于星期五\21點政府應對2023/6/4當前第7頁\共有63頁\編于星期五\21點捕捉H7N9的30天上海郊區(qū)，金山，當前第8頁\共有63頁\編于星期五\21點2004年上海市政府一號工程當前第9頁\共有63頁\編于星期五\21點當前第10頁\共有63頁\編于星期五\21點H7N9

新H7N9甲型禽流感自4月1日國際衛(wèi)生組織正式公布以來，截止到4月7日，中國已經有18例確診。大部分確診的病例的病情嚴重，6人已確認死亡。目前尚未發(fā)現人與人之間傳播，并且確診的案例彼此并無關聯(lián)。然而，我們對這個新的病毒的許多方面都不了解，包括它的傳播性，致病性和起源，因此，導致了我們在判斷這個病毒是否會造成瘟疫時存在不確定性，以及我們的公共健康管理部門應該如何正確的應對。當前第11頁\共有63頁\編于星期五\21點科學界：一個全新的病毒在新H7N9甲型禽流感的8個基因中，表面血凝素haemagglutinin蛋白基因來自于H7亞型病毒，神經氨酸酶neuraminidase基因來自H11N9，其余6個內核基因都來自H9N2。也就是說新H7N9甲型禽流感是由這三個病毒的基因重組產生的一個全新的基因。中國杭州疾控中心和WHO中國流感中心共采集，分析了4個新H7N9甲型禽流感的基因組，并在GISAID數據庫上公布。我們用這4個基因組以及1193個已知的流感各亞型的基因組，做了一個全面的系統(tǒng)生成樹和進化分析。當前第12頁\共有63頁\編于星期五\21點病毒開始變異我們在haemagglutinin全長560個氨基酸中，發(fā)現了A/Shanghai/1/2013病毒有9個變異。這說明新H7N9甲型禽流感有很強的變異能力。由于表面血凝素haemagglutinin蛋白是病毒用來吸附感染動物細胞的，它的高變異能力可能導致它傳播感染能力和治病能力的變化，這需要引起我們的特別注意。當前第13頁\共有63頁\編于星期五\21點新H7N9甲型禽流感不是由經典的H7N9進化而來當前第14頁\共有63頁\編于星期五\21點基因重組的地點可能在江浙一帶當前第15頁\共有63頁\編于星期五\21點當前第16頁\共有63頁\編于星期五\21點CellHost&Microbe于9月19日在線發(fā)表第一次病毒重配事件產生了一個原初的H7N9病毒，它是由具有歐亞起源的禽流感病毒提供了HA和NA基因和中國野鳥攜帶的H9N2病毒提供內部基因。隨后，這種原初的H7N9病毒從野鳥傳入家禽中，并與原來在華東地區(qū)家禽中流行的H9N2病毒發(fā)生第二次重配。這次重配發(fā)生在2012年早期，從而導致了家禽中爆發(fā)了這次能感染人的多樣的新型H7N9病毒。2023/6/4當前第17頁\共有63頁\編于星期五\21點2023/6/4當前第18頁\共有63頁\編于星期五\21點國內知名機構中科院微生物所（北京）中科院病毒所（武漢）上海交大山東大學南開大學2023/6/4當前第19頁\共有63頁\編于星期五\21點楊勝利院士 （中科院上海生物工程研究中心）趙國屏院士 （中科院上海生命科學院）鄧子新院士 （上海交通大學）譚華榮 （中科院微生物研究所，中國遺傳學會微生物遺傳專業(yè)委員會主任委員）

2023/6/4當前第20頁\共有63頁\編于星期五\21點參考教材：現代微生物遺傳學陳三鳳編，化工出版社2002盛祖嘉，《微生物遺傳學》，2007（第三版），科學出版社2023/6/4當前第21頁\共有63頁\編于星期五\21點大綱第一章緒論(1.5)第二章經典遺傳學概論(6)第三章遺傳的物質基礎(2)第四章細菌遺傳學(4)第五章放線菌遺傳學(1)第六章真菌的遺傳學(4)第七章基因突變與誘變育種(6)第八章轉座因子（1.5）第九章代謝控制育種（2）2023/6/4當前第22頁\共有63頁\編于星期五\21點緒論第一節(jié)微生物遺傳學的發(fā)展簡史第二節(jié)微生物作為遺傳學研究材料的優(yōu)越性第三節(jié)微生物遺傳學方法在高等動植物的遺傳與育種研究中的應用2023/6/4當前第23頁\共有63頁\編于星期五\21點第一節(jié)微生物遺傳學的發(fā)展簡史1.成為一門獨立的學科前2.發(fā)展成為一門獨立的學科3.分子遺傳學的發(fā)展2023/6/4當前第24頁\共有63頁\編于星期五\21點什么是科學庫恩的“范式”概念《科學革命的結構》范式是由理論要素、心理要素以及聯(lián)結這兩個要素的本體論和方法論要素組成的。理論要素包括概念、原理、定律、公式、實驗技術和設備等；心理要素包括科學家團體從事科學活動的共同心理功能，諸如信念、直覺、審美、靈感、頓悟、價值判斷等；本體論、方法論要素起著世界觀、思維方式、研究綱領的作用，以此指導科學共同體的工作2023/6/4當前第25頁\共有63頁\編于星期五\21點1.成為一門獨立的學科前微生物學發(fā)展的早期，微生物的遺傳變異現象已為許多人注意。如巴斯德觀察到炭疽桿菌在高溫培養(yǎng)后毒性大減而抗原性不變；科赫法則。由于20世紀40年代前遺傳學的研究只限于高等動物和植物，對在動物和植物中發(fā)現的遺傳學規(guī)律能否用于微生物持懷疑態(tài)度。認為細菌的核是分散的，細菌的變異不同于植物和動物的突變。2023/6/4當前第26頁\共有63頁\編于星期五\21點法國化學家和生物學家巴斯德是微生物學的偉大創(chuàng)立者。巴斯德（1822-1895）(1)徹底否定了"自然發(fā)生"學說(2)免疫學--預防接種(3)證實發(fā)酵是由微生物引起的(4)巴斯德消毒法2023/6/4當前第27頁\共有63頁\編于星期五\21點巴斯德與炭疽病炭疽病，馬、牛、羊很快死去，血液里發(fā)現了絲狀體。巴斯德得到比較純粹的炭疽病菌。。巴斯德提議，將那些患病的牲口令部殺掉，并燒掉尸體．深埋地下．以制止疾病蔓延。2023/6/4當前第28頁\共有63頁\編于星期五\21點接種預防巴斯德根據人類種牛痘可預防天花的現象，總結出接種免疫原理：接種什么病菌，就可以防治該病菌所引起的疾病。巴斯德重新回到炭疽病的防治研究上來。他將自己提純出來的炭疽病菌放在溫熱的雞湯里培養(yǎng)，這樣可以使病菌的毒性更快地減弱。在最終培養(yǎng)出毒性極弱的疫苗。2023/6/4當前第29頁\共有63頁\編于星期五\21點Koch證明了炭疽病由炭疽桿菌引起1882，發(fā)現結核桿菌1883，首次發(fā)表Koch法則。2023/6/4當前第30頁\共有63頁\編于星期五\21點其他重要研究1928年肺炎雙球菌中的轉化現象被發(fā)現。30年代中酵母菌、脈孢菌是進行系統(tǒng)的遺傳學研究的僅有的微生物，研究的內容基本只限于基因重組和定位。總之，40年代以前的微生物遺傳學的研究是不系統(tǒng)的、局限的。2023/6/4當前第31頁\共有63頁\編于星期五\21點40年代前大量的微生物遺傳變異現象的觀察，及酵母菌和脈孢菌中的經典遺傳學研究都為以后的發(fā)展打下基礎。在高等動物和植物的遺傳學研究中也逐漸認識到研究基因的作用機制這一類問題時有必要采用微生物作為研究材料。40年代初期抗生素工業(yè)的興起給微生物遺傳學研究以很大的推動力。2023/6/4當前第32頁\共有63頁\編于星期五\21點2發(fā)展成為一門獨立的學科40年代主要有5個方面的工作促使微生物遺傳學發(fā)展成為一門獨立的學科。（1）脈孢菌中營養(yǎng)缺陷型的發(fā)現（2）細菌的抗性突變的證實（3）細菌基因重組的發(fā)現（4）轉化因子的化學本質的鑒定（5）噬菌體遺傳學研究的開展2023/6/4當前第33頁\共有63頁\編于星期五\21點（1）脈孢菌中營養(yǎng)缺陷型的發(fā)現40年代前已發(fā)現X射線能誘發(fā)霉菌細胞的突變。研究果蠅基因作用機制的遺傳學家比德爾（G.W.Beadle）和生物化學家塔特姆（E.L.Tatum）用X射線處理脈孢菌的分生孢子，得到預期的營養(yǎng)缺陷型。營養(yǎng)缺陷型——因突變而喪失產生某種生物合成酶的能力，并因而成為必須在培養(yǎng)基中添加某種物質才能生長的突變類型。2023/6/4當前第34頁\共有63頁\編于星期五\21點研究營養(yǎng)缺陷型的重要意義①為生物合成代謝途徑的研究提供了有效的手段;lys-②提出了一個基因一種酶的假設；③利用營養(yǎng)缺陷型探索代謝途徑的原理在遺傳學各個領域中得到廣泛應用；④除研究基因的原初功能外，還被應用于研究基因結構和基因突變;⑤應用營養(yǎng)缺陷作為標記,發(fā)現了細菌接合。2023/6/4當前第35頁\共有63頁\編于星期五\21點（2）細菌的抗性突變的證實1943年以前對于細菌的抗性是否來源于基因突變已有許多討論，但缺乏嚴密的實驗論證。1943年盧里亞（）和物理學家德爾布呂克（M.Delbruck）用嚴密的實驗證實細菌的抗性是基因突變的結果。使人們認識到可能所有的生物都有著基本相同的遺傳變異規(guī)律。嚴密的實驗方法開始被應用到微生物遺傳學領域?？剐酝蛔冃汀蛲蛔兌a生了對某種化學藥物或致死物理因子的抗性2023/6/4當前第36頁\共有63頁\編于星期五\21點抗性突變的爭論一種觀點認為，突變是通過適應而發(fā)生的，即各種抗性是由其環(huán)境（指其中所含的抵抗對象）誘發(fā)出來的，突變的原因和突變的性狀間是相對應的，并認為這就是“定向變異”，也有人稱它為“馴化”或“馴養(yǎng)”。另一種看法則認為，基因突變是自發(fā)的，且與環(huán)境是不相對的。由于其中有自發(fā)突變、誘發(fā)突變、誘變劑與選擇條件等多種因素錯綜在一起，所以難以探究問題的實質。從1943年起，經過幾個嚴密而巧妙的實驗設計，主要攻克了檢出在接觸抗性因子前已產生的自發(fā)突變株的難題，終于解決了這場紛爭。2023/6/4當前第37頁\共有63頁\編于星期五\21點基因突變的自發(fā)性和不對應性的證明變量試驗涂布試驗平板影印培養(yǎng)試驗2023/6/4當前第38頁\共有63頁\編于星期五\21點大腸桿菌稀釋培養(yǎng)物10ml10ml(培養(yǎng)前先分成50小管)(在同一個大管中作整體培養(yǎng))3714435

抗噬菌體菌落數抗噬菌體菌落數變量試驗

甲管乙管噬菌體起淘汰原始未突變株和鑒別抗噬菌體突變株的作用。（10mL）（10mL）1943年，S.E.Luria和M.Delbrück根據統(tǒng)計學原理設計。加入噬菌體2023/6/4當前第39頁\共有63頁\編于星期五\21點（3）細菌基因重組的發(fā)現細菌能否通過有性生殖而導致基因重組這一問題早在20年代便曾有人提出并企圖用實驗解答?？墒怯捎诜椒ǖ木窒薅貌坏綉械慕Y果。應用細菌的營養(yǎng)缺陷型為材料，在1946-1947年萊德伯格（J.Lederberg）和泰特姆報道了大腸桿菌中的基因重組。2023/6/4當前第40頁\共有63頁\編于星期五\21點1946年，J.Lederberg的大腸桿菌

雜交試驗：材料：大腸桿菌(Escherichiacoli)K12菌株的兩個營養(yǎng)缺陷型品系：菌株A—甲硫氨酸缺陷型met-和生物素缺陷型bio-；菌株B—蘇氨酸缺陷型thr-和亮氨酸缺陷型leu-。方法：將A、B兩菌株混和，在基本培養(yǎng)基(固體)上涂布培養(yǎng)。結果：平板上長出原養(yǎng)型菌落(++++)。2023/6/4當前第41頁\共有63頁\編于星期五\21點

A品系：met－

bio－

leu＋thr＋

B品系：met＋bio＋leu－thr－

AA+BB

基本培養(yǎng)基

met

＋bio

＋

leu＋

thr＋2023/6/4當前第42頁\共有63頁\編于星期五\21點使人們更為明確地認識到微生物和高等動植物在遺傳規(guī)律上的一致性。通過基本相同的方法，以后陸續(xù)在霉菌、放線菌等各種生物中發(fā)現基因重組，從此遺傳學研究遍及任何一種生物。探索基因重組促使在50年代發(fā)現了轉導，遺傳學研究的手段得以擴充。2023/6/4當前第43頁\共有63頁\編于星期五\21點（4）轉化因子的化學本質的鑒定1928年格里菲斯（F.Griffith）在肺炎雙球菌中發(fā)現轉化現象（非致病的R型肺炎球菌可以轉變?yōu)橹虏〉腟型肺炎球菌）后，直到1944年轉化因子的本質才被艾弗里(O.T.Avery)所鑒定。這是說明遺傳的物質基礎是DNA的第一個明確的實驗根據。是1953年DNA分子雙螺旋模型的提出和分子遺傳學發(fā)展的前奏。2023/6/4當前第44頁\共有63頁\編于星期五\21點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、和M。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。2023/6/4當前第45頁\共有63頁\編于星期五\21點（5）噬菌體遺傳學研究的開展噬菌體是體制最簡單的生物。噬菌體遺傳學的研究非但把遺傳學規(guī)律推廣到最簡單的生物，而且溫和噬菌體及轉導作用的發(fā)現成為微生物遺傳學、分子遺傳學研究的有效手段。2023/6/4當前第46頁\共有63頁\編于星期五\21點同時期，遺傳學的發(fā)展2023/6/4當前第47頁\共有63頁\編于星期五\21點1.遺傳學初創(chuàng)時期(1900-1910)(1).1900年，三位植物學家：狄·弗里斯（DeVrisH.）科倫斯（CorrensC.）馮·切爾邁克（VonTschermakE.）在不同國家用多種植物進行了與孟德爾早期研究相類似的雜交育種試驗è獲得與孟德爾相似的解釋è證實孟爾遺傳規(guī)律è確認重大意義。

1900年孟德爾遺傳規(guī)律的重新發(fā)現è標志著遺傳學的建立和開始發(fā)展è孟德爾被公認為現代遺傳學的創(chuàng)始人。

1910年起將孟德爾遺傳規(guī)律è孟德爾定律。2023/6/4當前第48頁\共有63頁\編于星期五\21點遺傳學初創(chuàng)時期(1900-1910)(2).1901-1903年，狄·弗里斯發(fā)表“突變學說”，認為，突變是生物進化的因素。(3).1903年，Sutton和Boveri分別提出染色體遺傳理論，認為：遺傳因子位于細胞核內染色體上（即薩頓-鮑維里假說），從而將孟德爾遺傳規(guī)律與細胞學研究結合起來(4).1906年，貝特森（英國的遺傳學家）首創(chuàng)“遺傳學(Genetics)”，并引入了F1代F2代、等位基因、合子等概念(5).1909年，約翰生（丹麥的遺傳學家）發(fā)表“純系學說”，并提出“gene”、“基因型（genotype)”、和“表現型(phenotype)”等概念，以代替孟德爾所謂的“遺傳因子”(6).1908年，哈德和溫伯格分別推導出群體遺傳平衡定律2023/6/4當前第49頁\共有63頁\編于星期五\21點遺傳學全面發(fā)展時期(1910-1952)

形成了近代遺傳學的主要內容與研究領域(1).細胞遺傳學/經典遺傳學(1910-1940)

1910，摩爾根等：性狀連鎖遺傳規(guī)律（對黑腹果蠅的研究）摩爾根等人認識到同一對染色體上的兩對等位基因，大都一起分離，即“連鎖”；少數則進行交換每兩個相互連鎖的基因間都有一定的交換值。根據交換值，摩爾根等人創(chuàng)造了染色體作圖法，并于1913年畫出了歷史上第一個果蠅基因位置圖。摩爾根是遺傳學史上的巨人，一生共寫了22本書和大約370篇文章，是第一個獲得諾貝爾獎的遺傳學家2023/6/4當前第50頁\共有63頁\編于星期五\21點遺傳學全面發(fā)展時期(1910-1952)(2).數量遺傳學與群體遺傳學基礎(1920-)

費希爾等：數理統(tǒng)計方法在遺傳分析中的應用

1918年，費希爾發(fā)表了重要文獻“根據孟德爾遺傳假設的親屬間相關的研究”，成功運用多基因假設分析資料，首次將數量變異劃分為各個分量，開創(chuàng)了數量性狀遺傳研究的思想方法。

1925年，首次提出了方差分析（ANOVA）方法,為數量遺傳學的發(fā)展奠定了基礎。2023/6/4當前第51頁\共有63頁\編于星期五\21點遺傳學全面發(fā)展時期(1910-1952)(3).微生物遺傳學及生化遺傳學(1940-1953)

1941，Beadle和Tatum等認為：一個基因相當于一個蛋白質，從而提出了“一個基因一個酶”假說（one-gene-one-enzymehypothesis)

1944，阿委瑞：肺炎雙球菌轉化,證明遺傳物質是DNA而不是蛋白質

1952，赫爾歇和蔡斯：噬菌體重組，用同位素32P和35S標記實驗證明DNA噬菌體的遺傳物質也是DNA而不是蛋白質(4).其它研究方向

1927，穆勒在果蠅、斯塔德勒在玉米中人工誘導基因突變，開始人工誘變的工作，豐富遺傳學內容，為育種提供依據

1937，布萊克斯里等：植物多倍體誘導（用秋水仙素）

雜種優(yōu)勢的遺傳理論2023/6/4當前第52頁\共有63頁\編于星期五\21點3.分子遺傳學的發(fā)展微生物遺傳學是在研究對象上區(qū)別于經典遺傳學的一個分支。分子遺傳學是在研究方法上區(qū)別于經典遺傳學的一個遺傳學分支；（基因）40年代中遺傳學家就意識到基因有兩個基本屬性：自體催化和異體催化。自體催化是DNA和染色體復制問題。1953年DNA分子結構的現代模型的提出為這方面的研究開辟了廣闊的前景。2023/6/4當前第53頁\共有63頁\編于星期五\21點異體催化是蛋白質合成問題。通過微生物營養(yǎng)缺陷型的研究提出了一個基因一種酶假設，它首先指出了基因在蛋白質合成中所起的作用。分子遺傳學的一個中心課題是遺傳密碼，而遺傳密碼是蛋白質合成問題的關鍵。關于這兩個屬性的認識也只有當遺傳學發(fā)展到應用微生物為研究材料后，才有一定的基礎，分子遺傳學才能發(fā)展起來。2023/6/4當前第54頁\共有63頁\編于星期五\21點微生物遺傳學是在經典遺傳學基礎上發(fā)展起來的，又在它的基礎上發(fā)展成為分子遺傳學。2023/6/4當前第55頁\共有63頁\編于星期五\21點第二節(jié)微生物作為遺傳學研究材料的優(yōu)越性1為什么在基因作用的研究中采用微生物為材料2.微生物作為遺傳學研究材料的優(yōu)越性3微生物遺傳學方法在高等動植物的遺傳和育種研究中的應用2023/6/4當前第56頁\共有63頁\編于星期五\21點1為什么在基因作用的研究中采用微生物為材料從整個遺傳學發(fā)展史來看，大約從1900年到1910年這一段時間中的主要成就便是在微生物以外的各種生物中證實了孟德爾規(guī)律的普遍性；大約從1910年到30年代中的主要成就是和細胞學相結合，闡明遺傳物質的傳遞規(guī)律；從40年代起主要是闡明基因突變機制和基因作用機制，而在這些研究中微生物方面的研究占有重要的地位。2023/6/4當前第57頁\共有63頁\編于星期五\21點比德爾等在30年代中用果蠅為材料研究基因的作用機制，逐漸認識到采用微生物為材料可能會收到更好的效果。研究果蠅中，發(fā)現基因突變有影響翅的、觸角的、復眼色素的等，用組織移植法。