微生物遺傳-6-細菌基因轉(zhuǎn)移

第二章

原核和真核微生物的遺傳主要內(nèi)容細菌基因轉(zhuǎn)移和基因重組放線菌遺傳酵母遺傳絲狀真菌遺傳細菌的基因轉(zhuǎn)移和基因重組1.1細菌基因組

1.1.1概況（大腸桿菌K-12）基因組大?。?.6Mbp。基因組中87.8%的DNA編碼蛋白質(zhì)，0.8%編碼RNA，0.7%是非編碼的重復(fù)序列，約11%參與調(diào)解和其它功能。共有4288個基因，基因的平均長度951bp，4500-5100bp：4個，3000-4500bp：51個，381個基因長度小于300bp，最大基因7149bp。1.1.2編碼蛋白質(zhì)的基因操縱子轉(zhuǎn)錄單元是由啟動子、結(jié)構(gòu)基因及其終止子組成的一段DNA序列，如果功能上相關(guān)的幾個結(jié)構(gòu)基因前后相連，利用一個共同的啟動子和終止子，這種單元被稱為操縱子。E.coliK-12共有2584個轉(zhuǎn)錄單元1個基因：2192個（73%）兩個基因：16.6%3個基因：4.6%4個以上基因：6%1.1.3其它序列rRNA基因：一般一個轉(zhuǎn)錄單元含有三個rRNA基因（5SrDNA,16SrDNA,23SrDNA）tRNA基因：以基因簇的形式存在，簇集在復(fù)制起點附近重復(fù)序列：Rhs（5.7-9.6kb,5個）,REP,ERIC,Chi等插入序列和轉(zhuǎn)座子噬菌體1.2質(zhì)粒（plasmid）一般指存在于細菌、真菌等微生物細胞中，獨立于染色體外、能進行自我復(fù)制的遺傳因子。通常是共價、閉合、環(huán)狀雙鏈DNA。大?。?-1000Kb。也存在線狀DNA質(zhì)粒和RNA質(zhì)粒。質(zhì)粒的命名原則一般由三個英文字母及其編號組成第一個字母一律用小寫p表示，后兩個字母大寫，編號是阿拉伯?dāng)?shù)字質(zhì)粒編碼的遺傳表型致育質(zhì)粒（F因子）抗藥性質(zhì)粒（R質(zhì)粒）能使宿主微生物對抗生素、化學(xué)藥物或重金屬離子等殺菌劑表現(xiàn)出抗性。產(chǎn)生抗生素（SCP1）和細菌素的質(zhì)粒（Col）產(chǎn)生毒素的質(zhì)粒降解質(zhì)粒致病性質(zhì)粒、共生固氮質(zhì)粒隱蔽質(zhì)粒質(zhì)粒的拷貝數(shù)一般來說，拷貝數(shù)與分子量成反比；嚴緊性質(zhì)粒（小于10）和松弛性質(zhì)粒（10-100）質(zhì)粒之間的不相容性指親緣關(guān)系相近的兩種質(zhì)粒，在非選擇性條件下常不能穩(wěn)定地存在于同一個細胞中，經(jīng)過若干代的培養(yǎng)，只含有同一種質(zhì)粒的細胞越來越多，含兩種質(zhì)粒的細胞相對減少。與質(zhì)粒復(fù)制起始控制密切相關(guān)質(zhì)粒的不穩(wěn)定性包括分離的不穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性穩(wěn)定的遺傳至少滿足二個條件每個世代至少發(fā)生一次復(fù)制細胞分裂時要平均分配到兩個子細胞中主動分配（par區(qū)）一般包括編碼反式作用因子的基因和順式元件的序列（類著絲粒）隨機分配（無par區(qū)）需保持選擇壓力1.3基因轉(zhuǎn)移的種類和特點

4種形式：1）轉(zhuǎn)化2）轉(zhuǎn)導(dǎo)：由噬菌體介導(dǎo)3）接合：由F因子介導(dǎo)4）原生質(zhì)體融合特點：1）片段性2）單向性3）基因轉(zhuǎn)移機制多樣1.3.1F因子（Fertilityfactor）和轉(zhuǎn)化F因子是一種質(zhì)粒（plasmid），由共價環(huán)狀閉合DNA雙鏈構(gòu)成，全長94.5Kb，主要分為三個區(qū)域：1、重組區(qū)；2、自主復(fù)制區(qū)；3、轉(zhuǎn)移區(qū)。這是最早發(fā)現(xiàn)的一種質(zhì)粒。F因子編碼在細菌表面產(chǎn)生性菌毛。F因子的特性為可以促進供體菌向受體菌傳遞染色體DNA或質(zhì)粒。F因子決定編碼的性菌毛可在供體與受體菌間形成交通通連接結(jié)構(gòu)，從而可使兩個雜交細菌間形成胞漿內(nèi)連接橋。F因子的四種細胞形式a）F-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因子而變成雄性菌株（F+）；b）F+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(nèi)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。Hfr菌株的F因子插入到染色體DNA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細菌染色體傳遞給F-細胞并發(fā)生重組，由此而得名為高頻重組菌株（能十分有效地轉(zhuǎn)移細菌基因）。2）Hfr×F-雜交F-

Hfr菌株仍然保持著F+細胞的特征，具有F性菌毛，并象F+一樣與F-細胞進行接合。所不同的是，當(dāng)OriT序列被缺刻螺旋酶識別而產(chǎn)生缺口后，F(xiàn)因子的先導(dǎo)區(qū)(leadingregion)結(jié)合著染色體DNA向受體細胞轉(zhuǎn)移，F(xiàn)因子除先導(dǎo)區(qū)以外，其余絕大部分是處于轉(zhuǎn)移染色體的末端，由于轉(zhuǎn)移過程常被中斷，因此F因子不易轉(zhuǎn)入受體細胞中，故Hfr×F-雜交后的受體細胞大多數(shù)仍然是F-（即不能使受體菌變成供體）。染色體上越靠近F因子的先導(dǎo)區(qū)的基因，進入的機會就越多，在F-中出現(xiàn)重組子的的時間就越早，頻率也高。中斷雜交（interruptedmating）技術(shù)和基因定位利用Hfr×F-的接合過程，在不同時間取樣，并把樣品猛烈攪拌以分散接合中的細菌，然后分析受體細菌基因型，以時間(分鐘)為單位繪制遺傳圖譜，該圖譜是細菌染色體上基因順序的直接反映。圖9.27不同Hfr菌株的形成方式，以不同的起點不同的順序轉(zhuǎn)移基因。（a）細菌染色體為環(huán)狀，可以不同的IS位點打開，F(xiàn)質(zhì)粒插入進去。（b）Hfr菌株的部分基因順序。大腸桿菌基因組很大（全部轉(zhuǎn)移需要100分鐘），其遺傳圖譜須用多株F因子整合在不同位置的Hfr菌才能完成三親結(jié)合轉(zhuǎn)移供體基因攜帶菌輔助質(zhì)粒攜帶菌受體菌1.3.2轉(zhuǎn)導(dǎo)（transduction）由噬菌體介導(dǎo)的細菌細胞間進行遺傳交換的一種方式，一個細胞的DNA通過病毒載體的感染轉(zhuǎn)移到另一個細胞中由轉(zhuǎn)導(dǎo)作用而獲得供體細胞部分遺傳性狀的重組受體細胞稱為轉(zhuǎn)導(dǎo)子（transductant）

攜帶供體部分遺傳物質(zhì)（DNA片段）的噬菌體稱為轉(zhuǎn)導(dǎo)噬菌體。細菌轉(zhuǎn)導(dǎo)的二種類型普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)

（generalizedtransduction）定義：通過完全缺陷噬菌體對供體基因組上的任何DNA片段進行“誤包”，而將其遺傳性狀傳遞給受體細胞的現(xiàn)象。轉(zhuǎn)導(dǎo)模型轉(zhuǎn)導(dǎo)噬菌體為什么“錯”將宿主的DNA包裹進去?噬菌體的DNA包裝酶也能識別染色體DNA上類似pac的位點并進行切割，以“headful”的包裝機制包裝進P22噬菌體外殼，形成只含宿主DNA的轉(zhuǎn)導(dǎo)噬菌體顆粒（假噬菌體）因為染色體上的pac與P22DNA的pac序列不完全相同，利用效率較低，這種“錯裝”機率一般僅約10-6-10-8形成轉(zhuǎn)導(dǎo)顆粒的噬菌體可以是溫和的，也可以是烈性的，但必須具有能偶爾識別宿主DNA的包裝