《微生物學(xué)》主要知識(shí)點(diǎn)-08第八章微生物的遺傳

1、第八章 微生物的遺傳 概述：遺傳（heredity or inheritance）和變異（variation）是生物體的最本質(zhì)的屬性之一。遺傳即生物的親代將一整套遺傳因子傳遞給子代的行為或功能。變異指生物體在某種外因或內(nèi)因的作用下所引起的遺傳物質(zhì)結(jié)構(gòu)或數(shù)量的改變?；蛐停╣enotype）某一生物個(gè)體所含有的全部基因的總和。表型（phenotype）某一生物所具有的一切外表特征及內(nèi)在特性的總和。飾變（modification）不涉及遺傳物質(zhì)結(jié)構(gòu)改變而發(fā)生在轉(zhuǎn)錄、翻譯水平上的表型變化。8.1 遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)8.1.1 三個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)1. 經(jīng)典轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)：1928年F.Griffith以Strep

2、tococcus pneumoniae為研究對(duì)象進(jìn)行轉(zhuǎn)化（transformation）實(shí)驗(yàn)。1944年O.T.Avery等人進(jìn)一步研究得出DNA是遺傳因子。2.噬菌體感染實(shí)驗(yàn)：1952年Alfred D.Hershey和Martha Chase用32P標(biāo)記病毒的DNA，用35S標(biāo)記病毒的蛋白質(zhì)外殼，證實(shí)了T2噬菌體的DNA是遺傳物質(zhì)。3.植物病毒的重建實(shí)驗(yàn)：1956年H.Fraenkel-Conrat用含RNA的煙草花葉病毒（tobacco mosaic virus,TMV）與TMV近源的霍氏車(chē)前花葉病毒（Holmes ribgrass mosaic virus,HRV）所進(jìn)行的拆分與重建實(shí)

3、驗(yàn)證明，RNA也是遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)。8.2 微生物的基因組結(jié)構(gòu)：基因組（genome）是指存在于細(xì)胞或病毒中的所有基因。細(xì)菌在一般情況下是一套基因，即單倍體（haploid）；真核微生物通常是有兩套基因又稱二倍體（diploid）?；蚪M通常是指全部一套基因。由于現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)許多非編碼序列具有重要的功能，因此目前基因組的含義實(shí)際上是指細(xì)胞中基因以及非基因的DNA序列的總稱，包括編碼蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)基因、調(diào)控序列以及目前功能還尚不清楚的DNA序列。微生物基因組隨不同類(lèi)型表現(xiàn)出多樣性。8.2.1大腸桿菌的基因組：大腸桿菌基因組為雙鏈環(huán)狀的DNA分子。在細(xì)胞中以緊密纏繞成的較致密的不規(guī)則小體（擬核，nuclo

4、id）形式存在于細(xì)胞中,其上結(jié)合有類(lèi)組蛋白蛋白質(zhì)和少量RNA分子，使其壓縮成腳手架形的（scaffold）致密結(jié)構(gòu)（大腸桿菌DNA分子長(zhǎng)度是其菌體長(zhǎng)度的1000倍，必須以一定的形式壓縮進(jìn)細(xì)胞中）。基因組全序列測(cè)定于1997年由Wisconsin大學(xué)的Blattner 等人完成。大腸桿菌基因組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：1.遺傳信息的連續(xù)性：個(gè)別細(xì)菌（鼠沙門(mén)氏菌和犬螺桿菌）和古生菌的 rRNA 和 tRNA 含有內(nèi)含子或間隔序列，其他絕大部分原核生物不含內(nèi)含子，遺傳信息是連續(xù)的而不是中斷的。2.功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因組成操縱子：大腸桿菌共有2584個(gè)操縱子，基因組測(cè)序推測(cè)出2190個(gè)操縱子。如此多的操縱子結(jié)構(gòu)可能與原

5、核基因表達(dá)多采用轉(zhuǎn)錄調(diào)控有關(guān)。此外，有些功能相關(guān)的RNA基因也串聯(lián)在一起，如構(gòu)成核糖體的三種RNA基因轉(zhuǎn)錄在同一轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物中，依次是16S rRNA-23S rRNA-5S rRNA 。三種RNA在核糖體中的比例是11 1。3.結(jié)構(gòu)基因的單拷貝及rRNA 基因的多拷貝：大腸桿菌有7個(gè)rRNA操縱子其特征都與基因組的復(fù)制方向有關(guān)即按復(fù)制方向表達(dá)。7個(gè)rrn 就有6個(gè)分布在雙向復(fù)制起點(diǎn)oric(83min)附近，有利于核糖體的快速組裝。4.基因組的重復(fù)序列少而短：原核生物基因組存在一定數(shù)量的重復(fù)序列，但比真核生物少得多，重復(fù)序列一般為440 bp，重復(fù)程度十多次、上千次不等。8.2.2 啤酒酵母的基

6、因組：啤酒酵母是單細(xì)孢真核生物，1997年，有歐洲、美國(guó)、加拿大和日本共96個(gè)實(shí)驗(yàn)室的633為科學(xué)家是艱苦努力完成了全基因組的測(cè)序工作。是第一個(gè)完成測(cè)序的真核生物基因組?；蚪M大小13.5106 bp，分布在17個(gè)不連續(xù)的染色體中。酵母菌的DNA與四種主要的組蛋白（H2A 、H2B、H3 、H4）結(jié)合構(gòu)成染色質(zhì)（chromatin）的14bp核小體核心DNA；染色體DNA上有著絲粒（centromere）和端粒（telomere）沒(méi)有明顯的操縱子結(jié)構(gòu)，有間隔區(qū)或內(nèi)含子序列。酵母菌基因組的特點(diǎn)：高度重復(fù)；tRNA有250個(gè)拷貝。rRNA 只位于 號(hào)染色體的近端粒處，每個(gè)長(zhǎng)9137 bp，有100

7、200個(gè)拷貝。較高同源性的DNA重復(fù)序列稱為遺傳豐余（genetic redundancy）一種進(jìn)化的策略（有備無(wú)患）。8.2.3 詹氏甲烷球菌的基因組：詹氏甲烷球菌（Methanococcus jannaschii）屬于古菌，發(fā)現(xiàn)于1982年。生活在2600m深，2.63107 Pa（260個(gè)大氣壓），94的海底火山口附近。1996年由美國(guó)基因組研究所（The Institute for Genomic Research，簡(jiǎn)稱TIGER） 和其他5個(gè)單位共40人聯(lián)合完成了該菌的基因組全測(cè)序工作。這是完成的第一個(gè)古菌和自養(yǎng)型生物的基因組序列。根據(jù)對(duì)該菌全基因組序列分析結(jié)果完全證實(shí)了1977年由

8、Woese等人提出的三界學(xué)說(shuō)。詹氏甲烷球菌基因組的特點(diǎn)：詹氏甲烷球菌只有40%左右的基因與其他二界生物有同源性，其中有的類(lèi)似于真細(xì)菌，有的類(lèi)似于真核生物，有的二者融合。古菌在基因組結(jié)構(gòu)上類(lèi)似于細(xì)菌。詹氏甲烷球菌有1.66106 bp的 環(huán)形染色體DNA，具有1682個(gè)編碼蛋白質(zhì)ORF；功能相關(guān)的基因組成操縱子共轉(zhuǎn)錄成一個(gè)多順?lè)醋愚D(zhuǎn)錄子；有2個(gè)rRNA 操縱子；37個(gè)tRNA 基因，基本上無(wú)內(nèi)含子；無(wú)核膜。負(fù)責(zé)信息傳遞的基因類(lèi)似于真核生物。轉(zhuǎn)錄起始系統(tǒng)、RNA聚合酶的亞基組成及序列、啟動(dòng)子結(jié)構(gòu)、翻譯延伸因子、復(fù)制起始因子均與真核生物相似。古菌還含有5個(gè)組蛋白基因。8.3 質(zhì)粒和轉(zhuǎn)座因子：質(zhì)粒（p

9、lasmid）和轉(zhuǎn)座因子（transposable element）都是細(xì)胞中除染色體以外的另外兩類(lèi)遺傳因子。前者是一種獨(dú)立于染色體外，能進(jìn)行自主復(fù)制的細(xì)胞質(zhì)遺傳因子，主要存在于各種微生物細(xì)胞中；后者是位于染色體或質(zhì)粒上的一段能改變自身位置的DNA序列，廣泛分布于原核和真核細(xì)胞中。8.3.1 質(zhì)粒1.質(zhì)粒的分子結(jié)構(gòu)：通常以共價(jià)閉合環(huán)狀（covalently closed circular,CCC）的超螺旋雙鏈DNA分子存在于細(xì)胞中，從細(xì)胞中分離的質(zhì)粒大多是三種構(gòu)型即CCC型、OC型（open circular）、L型（linear form）。近年來(lái)在疏螺旋體、鏈霉菌和酵母菌中也發(fā)現(xiàn)了線形雙鏈

10、DNA質(zhì)粒和RNA質(zhì)粒。質(zhì)粒分子大小范圍1 kb1000 kb。2.質(zhì)粒的主要類(lèi)型：質(zhì)粒所含有的基因?qū)λ拗骷?xì)胞一般是非必須的，只是在某些特殊條件下，質(zhì)粒能賦予宿主細(xì)胞以特殊的機(jī)能，從而使宿主得到生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)。根據(jù)質(zhì)粒所編碼的功能和賦予宿主的表型效應(yīng)，可將其分為不同的類(lèi)型。1、致育因子（fertility factor，F(xiàn)因子）：又稱F質(zhì)粒，大小約100kb，是最早發(fā)現(xiàn)的一種與大腸桿菌的有性生殖現(xiàn)象（結(jié)合作用）有關(guān)的質(zhì)粒。2、抗性因子（resistance factor，R因子）：包括抗藥性和抗重金屬兩大類(lèi)。3、Col質(zhì)粒（colicinogenic factor）：產(chǎn)大腸桿菌素因子，能編碼大腸桿菌

11、素（colicin）屬于細(xì)菌毒素（bacteriocin）。4、Ti質(zhì)粒（tumor inducing plasmid ）5、代謝質(zhì)粒（metabolic plasmid ）6、隱秘質(zhì)粒（cryptic plasmid ）：不顯示任何表型效應(yīng)。只有通過(guò)物理的方法，如凝膠電泳檢測(cè)細(xì)胞抽提液等方法才能發(fā)現(xiàn)。酵母的2m 質(zhì)粒。根據(jù)質(zhì)粒的拷貝數(shù)、宿主范圍分：高拷貝數(shù)質(zhì)粒（high copy number plasmid ）：每個(gè)宿主細(xì)胞中可以有10100個(gè)拷貝。又稱松弛型質(zhì)粒（relaxed plasmid ）。低拷貝數(shù)質(zhì)粒（low copy number plasmid ）：每個(gè)宿主細(xì)胞中可以有14

12、個(gè)拷貝。又稱嚴(yán)謹(jǐn)型質(zhì)粒（stringent plasmid）。窄宿主范圍質(zhì)粒（narrow host range plasmid ）：復(fù)制起始點(diǎn)（origin of replication）較特異。廣宿主范圍質(zhì)粒（broad host range plasmid ）：復(fù)制起始點(diǎn)不太特異。附加體（episome）：能整合進(jìn)染色體而隨染色體的復(fù)制而進(jìn)行復(fù)制且又能脫離的質(zhì)粒。3.質(zhì)粒的不親和性（incompatibility）：細(xì)菌通常含有一種或多種穩(wěn)定遺傳的質(zhì)粒，這些質(zhì)粒即為彼此親和的（compatible）。如果將一種類(lèi)型的質(zhì)粒通過(guò)接合或其他方式（轉(zhuǎn)化）導(dǎo)入某一合適的但已含另一種質(zhì)粒的宿主細(xì)胞，

13、只經(jīng)少數(shù)幾代后，大多數(shù)子細(xì)胞只含有其中一種質(zhì)粒，那么這兩種質(zhì)粒是不親和的（ incompatibility ）。根據(jù)某些質(zhì)粒在同一細(xì)菌中能否并存的情況，可將質(zhì)粒分成許多不親和群（ incompatibility group），能在同一細(xì)菌中并存的質(zhì)粒屬于不同的不親和群，而在同一細(xì)菌中不能并存的質(zhì)粒屬于同一不親和群。當(dāng)兩種同一不親和群的質(zhì)粒共處同一細(xì)胞時(shí)，其中一種由于不能復(fù)制因而在細(xì)胞的不斷分裂過(guò)程中被稀釋（diluted out）或被消除（curing）。8.3.2 轉(zhuǎn)座因子：轉(zhuǎn)座因子（transposable element）是細(xì)胞中能改變自身位置的一段DNA序列。廣泛存在于原核和真核細(xì)胞中

14、。原核和真核生物中的轉(zhuǎn)座因子 原核生物中的轉(zhuǎn)座因子有三種類(lèi)型：插入序列（insertion sequence,IS）；轉(zhuǎn)座子（transposon,Tn）；某些特殊病毒（Mu、D108）。轉(zhuǎn)座的遺傳學(xué)效應(yīng)：1、插入突變；2、產(chǎn)生染色體畸變；3、基因的移動(dòng)和重排。8.4 基因突變和誘變育種8.4.1 基因突變（gene mutation）：生物體內(nèi)遺傳物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)發(fā)生的可遺傳的變化。1、突變類(lèi)型：營(yíng)養(yǎng)突變型（auxotroph）；抗性突變型（resistant mutant）；條件致死突變型（conditional lethal mutant）；形態(tài)突變型（morphological muta

15、nt）；抗原突變型（antigenic mutant）；產(chǎn)量突變型。2、突變率（mutation rate）：每一細(xì)胞在每一世代中發(fā)生某一性狀突變的幾率。突變率一般為10-610-9。3、突變的特點(diǎn)：不對(duì)應(yīng)性、自發(fā)性、稀有性、獨(dú)立性、誘變性、穩(wěn)定性、可逆性。4、基因突變的自發(fā)性和不對(duì)應(yīng)性的證明：變量試驗(yàn)（fluctuation test）；涂布試驗(yàn)（Newcombe experiment）；平板影印培養(yǎng)試驗(yàn)（replica plating）。5、 基因突變的機(jī)制1）誘變機(jī)制：堿基的置換（substitution）：分為轉(zhuǎn)換（transition）和顛換（transversion）；移碼突變（f

16、rame-shift mutation）；染色體畸變（chromosomal aberration）。2）自發(fā)突變機(jī)制：背景輻射和環(huán)境因素的誘變；微生物自身有害代謝產(chǎn)物的誘變效應(yīng)；互變異構(gòu)效應(yīng)；環(huán)出效應(yīng)6、 紫外線對(duì)DNA的損傷及其修復(fù)：紫外線（U.V.，ultraviolet ray）主要作用是使同鏈DNA的相鄰嘧啶間形成共價(jià)結(jié)合的胸腺嘧啶二聚體。光復(fù)活作用（photoreactivation）；暗修復(fù)作用（dark repair）又稱切除修復(fù)（excision repair）。8.4.2 突變與育種1.自發(fā)突變與育種從生產(chǎn)中選育定向培養(yǎng)優(yōu)良品種采用梯度平板法（gradient plate）

17、篩選抗代謝拮抗物的突變株。2.誘變育種利用物理或化學(xué)誘變劑（mutagen）處理均勻而分散的微生物細(xì)胞群，促進(jìn)其突變率顯著提高，然后采用簡(jiǎn)便、快速和高效的篩選方法，從中挑選少數(shù)符合育種目的的突變株，以供生產(chǎn)實(shí)踐或科學(xué)實(shí)驗(yàn)之用。誘變育種工作中應(yīng)遵循的原則1.選擇簡(jiǎn)便有效的誘變劑：潛在化學(xué)致癌劑的測(cè)定艾姆斯試驗(yàn)（Ames test）2.挑選優(yōu)良的出發(fā)菌株（original strain）3.處理單孢子（或單細(xì)胞）懸液4.選用最適誘變劑量5.充分利用復(fù)合處理的協(xié)同效應(yīng)（synergism）6.利用和創(chuàng)造形態(tài)、生理與產(chǎn)量間的相關(guān)指標(biāo)7.設(shè)計(jì)或采用高效篩選方案或方法Ames test (重點(diǎn)掌握!)營(yíng)養(yǎng)

18、缺陷突變株的篩選1.與篩選營(yíng)養(yǎng)缺陷突變株有關(guān)的三類(lèi)培養(yǎng)基基本培養(yǎng)基（MM,minimal medium）完全培養(yǎng)基（CM，complete medium）補(bǔ)充培養(yǎng)基（SM,supplemental medium）2.與篩選營(yíng)養(yǎng)缺陷突變有關(guān)的三類(lèi)遺傳型個(gè)體野生型（wild type）營(yíng)養(yǎng)缺陷型（auxotroph）原養(yǎng)型（prototroph）3.營(yíng)養(yǎng)缺陷型的篩選方法誘變劑處理淘汰野生型檢出缺陷型鑒定野生型8.5 基因重組：基因重組（gene recombination）：把兩個(gè)不同性狀的遺傳基因轉(zhuǎn)移到一起，經(jīng)過(guò)遺傳分子間的重新組合，形成新遺傳型個(gè)體的方式。8.5.1 原核微生物的基因重組1.轉(zhuǎn)

19、化（transformation）：受體菌（receptor）接受供體菌（donor）的DNA片段而獲得部分新的遺傳性狀的現(xiàn)象。2.轉(zhuǎn)導(dǎo)（transduction）：通過(guò)完全或部分缺陷噬菌體的媒介，把供體細(xì)胞的DNA小片段攜帶到受體細(xì)胞中，通過(guò)交換與整合，從而使后者獲得前者部分遺傳性狀的現(xiàn)象。3.接合（conjugation）：供體菌（“雄”）通過(guò)其性菌毛與受體菌（“雌”）相接觸，前者傳遞不同長(zhǎng)度的單鏈DNA給后者，并在后者細(xì)胞中進(jìn)行雙鏈化或進(jìn)一步與核染色體發(fā)生交換、整合，從而使后者獲得供體菌的遺傳性狀的現(xiàn)象。4.原生質(zhì)融合（protoplast fusion）:通過(guò)人為的方法，使遺傳性狀不同

20、的兩細(xì)胞的原生質(zhì)發(fā)生融合，并進(jìn)而發(fā)生遺傳重組以產(chǎn)生同時(shí)帶有雙親性狀的、遺傳性穩(wěn)定的融合子（fusant）的過(guò)程。8.5.2 真核微生物的基因重組1、有性雜交（sexual hybridization ）：性細(xì)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育種技術(shù)。2、準(zhǔn)性生殖（ parasexual reproduction或parasexuality）與準(zhǔn)性雜交（parasexual hybridization ）：準(zhǔn)性生殖是一種類(lèi)似于有性生殖，但更為原始的一種生殖方式，它可使同種生物兩個(gè)不同菌株的體細(xì)胞發(fā)生融合，且不以減數(shù)分裂的方式而導(dǎo)致低頻率的基因重組并產(chǎn)生重組子。常見(jiàn)于某些

21、真菌，尤其是半知菌中。代表：Aspergillus nidulans、Neurospora crassa。準(zhǔn)性生殖過(guò)程：1、菌絲聯(lián)結(jié)（anastomosis）；2、形成異核體（heterocaryon）；3、核融合（nuclear fusion）或核配（caryogamy）；4、體細(xì)胞交換（somatic crossing-over）和單倍體化。8.6 基因工程：基因工程（genetic engineering）或重組DNA技術(shù)（recombinant DNA technology）是指對(duì)遺傳信息的分子操作和施工，即把分離到的或合成基因經(jīng)過(guò)改造，插入載體中，導(dǎo)入宿主細(xì)胞內(nèi)使其擴(kuò)增和表達(dá)，從而獲

22、得大量基因產(chǎn)物，或令生物表現(xiàn)出新的性狀?；蚬こ淌窃诂F(xiàn)代生物學(xué)、化學(xué)和化學(xué)工程學(xué)以及其他數(shù)理科學(xué)的基礎(chǔ)上產(chǎn)生和發(fā)展起來(lái)的，并有賴于微生物學(xué)的理論和技術(shù)的發(fā)展和運(yùn)用，微生物在基因工程的興起和發(fā)展過(guò)程中起著不可替代的作用。8.6.1 基因工程的發(fā)展歷史：在20世紀(jì)70年代初開(kāi)始出現(xiàn)，三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的建立為基因工程奠定了基礎(chǔ)，這三項(xiàng)技術(shù)是：DNA的特異切割、DNA的分子克隆、DNA的快速測(cè)序。DNA的特異切割：1970年Smith等人從Hemophilus influenzae 中分離出特異切割DNA的限制酶。DNA的分子克?。?972年Berg等將SV40DNA與噬菌體 的基因相融合，最早組建成功D

23、NA的重組體。1973年Cohen和Boyer等將pSC101質(zhì)粒作為載體與R質(zhì)粒的四環(huán)素和卡那霉素的抗性基因相融合，并將重組體DNA轉(zhuǎn)化大腸桿菌，首次實(shí)現(xiàn)了DNA的分子克隆。DNA的快速測(cè)序：1975年Sanger實(shí)驗(yàn)室建立了酶法快速測(cè)定DNA序列的技術(shù)。1977年Gilbert實(shí)驗(yàn)室又建立了化學(xué)測(cè)定DNA序列的技術(shù)。第一個(gè)基因工程的產(chǎn)品：1977年Itakura 和Boyer用人工合成的生長(zhǎng)激素釋放抑制素（somatostatin,SMT）基因構(gòu)建表達(dá)載體，并在大腸桿菌細(xì)胞內(nèi)表達(dá)成功，得到第一個(gè)基因工程的產(chǎn)品。1982年，在建立轉(zhuǎn)基因植物和轉(zhuǎn)基因動(dòng)物的技術(shù)上均獲得重大突破。8.6.2 基因工程的基本操作1、目的基因的獲得：供體細(xì)胞DNA中分離、由mRNA 反轉(zhuǎn)錄成 cDNA、化學(xué)合成。2、載體的選擇3、目的基因與載體DNA的體外重組4、重組載體引入受體細(xì)胞8.6.3 基因工程的應(yīng)用及展望1、基因工程藥物：重組胰島素（recombinant insulin）、重組疫苗(recombinant vaccines)2、轉(zhuǎn)基因植物（transgenic plant）3、轉(zhuǎn)基因動(dòng)物（transgenic animals）4、基因治療（gene therapy）5、基因工程在微生物研究中的應(yīng)用8.7 菌種的衰退、復(fù)壯和保藏8.7.1 菌種的衰退與復(fù)壯菌種的衰退