第6章 微生物遺傳與變異

第六章

微生物的遺傳和變異主要內(nèi)容微生物的遺傳微生物的變異基因重組突變體的檢測與篩選分子遺傳學技術(shù)在環(huán)境工程和環(huán)境保護中的應用

一.遺傳與變異的物質(zhì)基礎——DNA第一節(jié)微生物的遺傳證據(jù)1：1928年格里菲斯肺炎鏈球菌轉(zhuǎn)化實驗1941年艾弗里肺炎鏈球菌轉(zhuǎn)化補充實驗證據(jù)2：1952年赫西和蔡斯大腸桿菌T2噬菌體感染大腸桿菌實驗

基本組成元素：C、H、O、N、P

基本單位：脫氧核苷酸

（一）DNA的結(jié)構(gòu)二、DNA的結(jié)構(gòu)與復制

DNA的分子組成:

DNA的平面結(jié)構(gòu)：脫氧核苷酸長鏈

DNA的空間結(jié)構(gòu):雙螺旋結(jié)構(gòu)1、DNA的存在形式

真核微生物原核微生物DNA+組蛋白→染色體+核膜→真核DNA+少量蛋白→環(huán)狀染色體→擬核2、基因—遺傳因子基因—是具有固定的起點和終點的核苷酸或密碼的線性序列。是編碼多肽、tRNA或rRNA的多核苷酸序列?；虬垂δ芸煞譃槿N結(jié)構(gòu)基因—編碼蛋白質(zhì)或酶的結(jié)構(gòu)操縱區(qū)—“開關(guān)”，操縱結(jié)構(gòu)基因的表達調(diào)節(jié)基因—編碼調(diào)節(jié)蛋白，與操縱區(qū)結(jié)合，控制結(jié)構(gòu)基因表達大腸桿菌乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)及調(diào)節(jié)RPO結(jié)構(gòu)基因3個Z、Y、A：結(jié)構(gòu)基因P：啟動子O：操縱基因R：調(diào)節(jié)基因

Z

Y

Aβ-半乳糖苷酶

β-半乳糖苷酶透過酶

β-半乳糖苷酶乙酰氨基轉(zhuǎn)移酶

RPOZ

Y

A阻遏蛋白阻抑蛋白封閉操縱區(qū)，結(jié)構(gòu)基因不表達RPOZY

A阻遏蛋白誘導物與阻抑蛋白結(jié)合，阻抑蛋白不能封閉操縱區(qū)，結(jié)構(gòu)基因得以表達誘導物

3、遺傳信息的傳遞—中心法則（二）DNA的復制—半保留復制三、DNA的變性和復性（一）DNA的變性

概念—當天然雙鏈DNA受熱或其他因素的作用下，兩條鏈之間的結(jié)合力被破壞而分開成單鏈DNA，即稱為DNA變性。導致DNA變性的因素加熱——80℃

~100℃，完全解鏈提高pH

——pH≥11.3，完全變性變性試劑——尿素和甲硫胺（G+C）%=（Tm-69.3）×2.44（二）DNA的復性（退火）概念—變性DNA在適當條件下，分開的兩條單鏈分子按照堿基互補原則重新恢復天然的雙螺旋構(gòu)象的現(xiàn)象。復性的DNA是隨機結(jié)合的，只能部分保持原有性狀。四、RNA1、RNA和DNA組成的區(qū)別核糖代替脫氧核糖尿嘧啶（U）代替胸腺嘧啶（T）2、RNA的種類mRNA（信使RNA）tRNA（轉(zhuǎn)運RNA）rRNA（核糖體RNA）反義RNA（調(diào)節(jié)DNA復制、轉(zhuǎn)錄和翻譯）五、微生物的生長1.微生物的生長主要是蛋白質(zhì)的合成平衡生長：當微生物的生長進入對數(shù)期，細胞中全部的生化組成都以相同的速率進行合成，這個過程稱為平衡生長。2.蛋白質(zhì)合成過程DNA復制DNA轉(zhuǎn)錄tRNA翻譯蛋白質(zhì)合成原核微生物的轉(zhuǎn)錄過程轉(zhuǎn)錄的酶——RNA聚合酶

RNA聚合酶組成：α2ββ’ω+σα亞基—解開前方DNA雙螺旋、恢復后面的DNA雙螺旋；β亞基—催化磷酸二酯鍵的形成；β’亞基—與DNA非模板鏈結(jié)合；σ亞基—識別DNA轉(zhuǎn)錄的起始部位，從而引導全酶結(jié)合上去。ω亞基：在全酶中存在，功能不清楚。核心酶全酶

轉(zhuǎn)錄起始轉(zhuǎn)錄延長階段σ亞基脫落起始：RNA聚合酶與DNA模板的啟動子(promoter)結(jié)合-35-10Pribnowbox(普里布諾盒)轉(zhuǎn)錄過程

延長：在RNA聚合酶催化下，以模板鏈為模板按5′→3′方向合成互補的RNA鏈。5′5′3′3′5′3′RNA聚合酶DNARNA終止：RNA聚合酶到達轉(zhuǎn)錄終止區(qū)，則停止轉(zhuǎn)錄。終止子—能夠使RNA轉(zhuǎn)錄停止的DNA序列。

終止的方式：

（1）依賴于（Rho）因子的終止（2）不依賴于（Rho）因子的終止（1）依賴于

因子的終止RNARNA聚合酶（2）不依賴于

因子的終止莖環(huán)/發(fā)夾結(jié)構(gòu)細菌mRNA多數(shù)不用加工，轉(zhuǎn)錄與翻譯是偶聯(lián)的。少數(shù)多順反子信使RNA（一種能作為兩種或多種多肽鏈翻譯模板的信使RNA

）必須由內(nèi)切酶切成較小的單位，然后翻譯。如核糖體大亞基蛋白與RNA聚合酶的β亞基基因組成混合操縱子，轉(zhuǎn)錄后需經(jīng)RNA酶III切開，各自翻譯。因為RNA聚合酶的合成水平低得多，切開有利于各自的翻譯調(diào)控。轉(zhuǎn)錄后加工真核微生物的轉(zhuǎn)錄過程轉(zhuǎn)錄的酶——3種RNA聚合酶

酶位置產(chǎn)物相對活性RNA聚合酶Ⅰ核仁rRNA(5.8S、18S、28S)50%~70%RNA聚合酶Ⅱ核質(zhì)mRNA20%~40%RNA聚合酶Ⅲ核質(zhì)tRNA,5SrRNA~10%轉(zhuǎn)錄過程起始RNA聚合酶Ⅱ接合在起始位點附近，由轉(zhuǎn)錄因子（TFⅡ）協(xié)助識別啟動子。目前已知RNA聚合酶Ⅱ至少有六種不同的蛋白因子參與轉(zhuǎn)錄復合體的形成。這些蛋白因子被稱為轉(zhuǎn)錄因子（trans-criptionalfactor,TF)。包括TFⅡA，TFⅡB，TFⅡD，TFⅡE，TFⅡF，TFⅡ-I。

延長終止

真核生物轉(zhuǎn)錄終止的機制，目前了解尚不多，而且3種RNA聚合酶的轉(zhuǎn)錄終止不完全相同。RNA聚合酶Ⅰ催化的轉(zhuǎn)錄有18bp的終止子序列，可被輔助因子識別。RNA聚合酶II和III催化轉(zhuǎn)錄的終止子，可能有與原核生物不依賴ρ因子的終止子相似的結(jié)構(gòu)和終止機制，即有富含GC的莖-環(huán)結(jié)構(gòu)(stem-loopstructure)和連續(xù)的U。由于成熟的mRNA3’端已被切除了一段并加入了polyA尾，具體的轉(zhuǎn)錄終止點目前尚未認識。轉(zhuǎn)錄后加工加帽：轉(zhuǎn)錄合成前體RNA（hnRNA）在磷酸酶的作用下，將5'-端的磷酸基水解，然后再加上鳥苷三磷酸，形成GpppN的結(jié)構(gòu)，再對G進行甲基化;加尾：這一過程也是細胞核內(nèi)完成，首先由核酸外切酶切去3‘-端一些過剩的核苷酸，然后再加入polyA。剪接：核內(nèi)小RNA（snRNA）與蛋白質(zhì)結(jié)合形成小核核糖核蛋白顆粒（snRNP

），可識別內(nèi)含子和外顯子的交接位點，從而將內(nèi)含子切割下來，并準確地將各外顯子拼接好，成為完好的具有功能的mRNA。外顯子原核微生物和真核微生物轉(zhuǎn)錄過程的區(qū)別

真核微生物RNA的轉(zhuǎn)錄是在細胞核內(nèi)進行的，而蛋白質(zhì)的合成則是在細胞質(zhì)內(nèi)進行的。所以，RNA轉(zhuǎn)錄后首先必須從核內(nèi)運輸?shù)郊毎|(zhì)內(nèi)，才能指導蛋白質(zhì)的合成。

真核微生物一個mRNA分子一般只含有一個基因，編碼一條多肽鏈；原核微生物的一個mRNA分子通常含有多個基因。在原核微生物中只有一種RNA聚合酶，催化所有RNA的合成；而在真核微生物中則有RNA聚合酶Ⅰ、RNA聚合酶Ⅱ和RNA聚合酶Ⅲ三種不同酶，分別催化不同種類型RNA的合成。原核生物中RNA聚合酶可以直接起始轉(zhuǎn)錄合成RNA，真核生物則不能獨立轉(zhuǎn)錄RNA。在真核生物中，三種RNA聚合酶都必須在蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)錄因子的協(xié)助下才能進行RNA的轉(zhuǎn)錄。另外，RNA聚合酶對轉(zhuǎn)錄啟動子的識別，也比原核生物更加復雜。六、微生物的細胞分裂DNA復制蛋白質(zhì)合成核物質(zhì)蛋白質(zhì)均勻分配形成橫隔膜子細胞子細胞第二節(jié)微生物的變異一、變異的實質(zhì)—基因突變

生物DNA堿基系列的任何改變，包括一對或少數(shù)幾對堿基的