微生物的遺傳與變異學時

微生物的遺傳與變異學時第一頁，共九十二頁，2022年，8月28日第六章微生物的遺傳與變異（4學時）第一節(jié)微生物的遺傳第二節(jié)微生物的變異第二頁，共九十二頁，2022年，8月28日微生物遺傳學微生物遺傳學：研究微生物遺傳物質的結構特點、遺傳信息的表達與調控以及遺傳變異的基本規(guī)律通過基因操作改變微生物的遺傳信息從而有效地控制或利用微生物第三頁，共九十二頁，2022年，8月28日基因型與表型基因型（genotype）：指某一生物個體所含有的全部基因的總和表型（phenotype）：指生物體所具有的一切外表特征和內在特性的總和；是具一定基因型的生物在一定條件下所表現出的具體性狀第四頁，共九十二頁，2022年，8月28日第一節(jié)微生物的遺傳物質一、微生物的遺傳物質二、微生物遺傳信息的表達三、微生物基因表達的調控第五頁，共九十二頁，2022年，8月28日一、微生物的遺傳物質（一）證明核酸是遺傳物質的經典實驗（二）微生物的染色體基因組（三）微生物染色體外的遺傳物質第六頁，共九十二頁，2022年，8月28日（一）證明核酸是遺傳物質的經典實驗1、細菌的轉化實驗2、噬菌體感染實驗3、病毒重建實驗第七頁，共九十二頁，2022年，8月28日1、細菌的轉化實驗細菌的轉化實驗：1928年，英國醫(yī)生Griffith以肺炎鏈球菌

(Streptococcuspneumoniae)作為研究對象第八頁，共九十二頁，2022年，8月28日1944年，Avery等人從熱死的S型菌體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實驗第九頁，共九十二頁，2022年，8月28日2、噬菌體感染實驗噬菌體感染實驗：1952年，Hershey和Chase培養(yǎng)獲得含32P-DNA的噬菌體和含35S-蛋白質的噬菌體；他們作了兩組對E.coli的感染實驗第十頁，共九十二頁，2022年，8月28日3、病毒重建實驗病毒重建實驗：1956年，Fraenkel用TMV的RNA與HRV的蛋白質外殼重建后的雜合病毒去感染煙草時，煙葉上出現的是典型的TMV病斑第十一頁，共九十二頁，2022年，8月28日核酸是遺傳物質以上三個實驗的結論：只有核酸才是貯存遺傳信息的真正物質細胞生物的遺傳物質：雙鏈DNA病毒的遺傳物質：可以是單鏈的或雙鏈的DNA或RNA第十二頁，共九十二頁，2022年，8月28日DNARNA堿基腺嘌呤(adennine,A)鳥嘌呤(guanine,G)胞嘧啶(cytosine,C)胸腺嘧啶(thymine,T)腺嘌呤鳥嘌呤胞嘧啶尿嘧啶(Uracil,U)戊糖脫氧核糖核糖磷酸磷酸磷酸第十三頁，共九十二頁，2022年，8月28日第十四頁，共九十二頁，2022年，8月28日第十五頁，共九十二頁，2022年，8月28日一、微生物的遺傳物質（一）證明核酸是遺傳物質的經典實驗（二）微生物的染色體基因組（三）微生物染色體外的遺傳物質第十六頁，共九十二頁，2022年，8月28日（二）微生物的染色體基因組染色體：微生物遺傳物質DNA的主要存在形式；不同種類，其DNA的數目、大小、結構差異顯著基因組（genome）：微生物單倍體的所有染色體及其所包含遺傳基因的總稱；包括編碼蛋白質的結構基因、調控序列以及目前功能尚不清楚的DNA序列基因（gene）：是有功能的DNA片段，含有合成有功能的蛋白質多肽鏈或RNA所必需的全部核苷酸序列，是遺傳的結構和功能單位第十七頁，共九十二頁，2022年，8月28日生物學名基因組大?。╞p）基因數λ噬菌體λphage5×10450T4噬菌體T4phage2×105150大腸桿菌Escherichiacoli4.7×1064100枯草芽孢桿菌Bacillussubtilis4.2×1064700啤酒酵母Saccharomycescerevisiae13.5×1065800脈孢菌Neurosporasp.6.0×1076000果蠅Drosophilamelanogaster

8×107

12000人human3×10950000第十八頁，共九十二頁，2022年，8月28日1、大腸桿菌的基因組染色體：只有一條，大小為4.7×106bp；雙鏈、環(huán)狀DNA，與類組蛋白等結合成致密的手腳架形基因的轉錄與翻譯在細胞質耦合發(fā)生遺傳信息具有連續(xù)性，一般不含內含子功能相關的結構基因組成操縱子（operon）結構基因的單拷貝重復序列少而短，一般為4~40個堿基第十九頁，共九十二頁，2022年，8月28日第二十頁，共九十二頁，2022年，8月28日第二十一頁，共九十二頁，2022年，8月28日第二十二頁，共九十二頁，2022年，8月28日2、啤酒酵母的基因組染色體：16條，總大小為13.5×106bp；染色體由核小體組成，其上有著絲粒和端粒；每一條染色體只含有一條線狀、雙鏈DNA基因的轉錄在細胞核內進行，而翻譯則在細胞質的核糖體上發(fā)生高度重復：tRNA基因在每條染色體上至少有4個，共約250個拷貝沒有明顯的操縱子結構，有間隔區(qū)或內含子序列第二十三頁，共九十二頁，2022年，8月28日第二十四頁，共九十二頁，2022年，8月28日第二十五頁，共九十二頁，2022年，8月28日原核微生物與真核生微物基因組的比較比較項目原核微生物真核微生物基因組大小小,106大,107-9染色體一般1條，環(huán)狀多條，線狀核小體無有基因連續(xù)性強弱（有內含子）重復序列和不編碼序列少多操縱子結構普遍存在一般沒有轉錄、轉譯部位同在細胞質中進行在核中轉錄，在細胞質中轉譯第二十六頁，共九十二頁，2022年，8月28日3、λ噬菌體的基因組染色體：包裝到二十面體頭內，大小為48,502bp；dsDNA，線狀許多功能相關的基因聚集成簇排列復制和裂解過程中．基因組程序性開啟或關閉第二十七頁，共九十二頁，2022年，8月28日第二十八頁，共九十二頁，2022年，8月28日第二十九頁，共九十二頁，2022年，8月28日一、微生物的遺傳物質（一）證明核酸是遺傳物質的經典實驗（二）微生物的染色體基因組（三）微生物染色體外的遺傳物質第三十頁，共九十二頁，2022年，8月28日（三）微生物染色體外的遺傳物質細胞器DNA：真核微生物的葉綠體、線粒體等細胞器都有自己的獨立于染色體的環(huán)狀雙鏈DNA；編碼自身所需要的與能量轉換有關的蛋白質質粒（plasma）：是宿主染色體外決定某些性狀（如抗藥性、接合作用等）的閉合、環(huán)狀、雙鏈DNA；目前僅發(fā)現于原核微生物和酵母菌中；能自我復制；不是宿主生長所必需的轉座因子：是微生物細胞中可在染色體上改變自身座位的一段DNA序列；在原核微生物和真核微生物中都有存在第三十一頁，共九十二頁，2022年，8月28日第三十二頁，共九十二頁，2022年，8月28日第三十三頁，共九十二頁，2022年，8月28日第三十四頁，共九十二頁，2022年，8月28日第三十五頁，共九十二頁，2022年，8月28日二、微生物遺傳信息的表達（一）DNA的復制（二）基因的轉錄（三）多肽鏈的翻譯第三十六頁，共九十二頁，2022年，8月28日第三十七頁，共九十二頁，2022年，8月28日（一）DNA的復制參與復制（replication）的物質：原料dNTP、模板DNA、DNA聚合酶、其他蛋白質因子復制方式：半保留復制，不連續(xù)復制復制起點：大多數細菌及病毒只有一個復制起點，一個復制子；真核生物是多起點的，多個復制子復制方向：大多數雙向進行，方向為5’→3’復制的三個階段：復制的起始、復制的延伸和復制的終止第三十八頁，共九十二頁，2022年，8月28日第三十九頁，共九十二頁，2022年，8月28日第四十頁，共九十二頁，2022年，8月28日DNA聚合酶III第四十一頁，共九十二頁，2022年，8月28日細菌DNA的形復制10～100

mm

復制叉復制叉復制原點真核生物DNA的多點復制第四十二頁，共九十二頁，2022年，8月28日二、微生物遺傳信息的表達（一）DNA的復制（二）基因的轉錄（三）多肽鏈的翻譯第四十三頁，共九十二頁，2022年，8月28日（二）基因的轉錄參與轉錄（transcription）的物質：原料NTP、模板DNA、RNA聚合酶、其他蛋白質因子轉錄的不對稱性：指導mRNA合成的DNA鏈稱為模板鏈，DNA僅有一條鏈可作為轉錄的模板啟動子：指能被RNA聚合酶識別、結合并啟動基因轉錄的一段DNA序列轉錄的三個階段：轉錄起始、RNA鏈延伸、轉錄終止，方向為5’→3’轉錄后加工：內含子的切除、外顯子的連接第四十四頁，共九十二頁，2022年，8月28日第四十五頁，共九十二頁，2022年，8月28日RNA聚合酶第四十六頁，共九十二頁，2022年，8月28日編碼鏈AACTGTATATTA模板鏈TTGACATATAAT3’5’轉錄起始點Probnow盒子啟動子3510+1轉錄區(qū)第四十七頁，共九十二頁，2022年，8月28日第四十八頁，共九十二頁，2022年，8月28日第四十九頁，共九十二頁，2022年，8月28日二、微生物遺傳信息的表達（一）DNA的復制（二）基因的轉錄（三）多肽鏈的翻譯第五十頁，共九十二頁，2022年，8月28日（三）多肽鏈的翻譯參與翻譯（translation）的物質：氨酰tRNA、成熟mRNA、核糖體（A位點、P位點）、其他蛋白質因子翻譯的三個階段：翻譯起始、肽鏈延長和翻譯終止，方向為5’→3’起始密碼子：AUG終止密碼子：UAA、UAG和UGA翻譯后加工：形成的肽鏈在蛋白伴侶（chaperone）的作用下形成大分子蛋白第五十一頁，共九十二頁，2022年，8月28日第五十二頁，共九十二頁，2022年，8月28日第五十三頁，共九十二頁，2022年，8月28日三、微生物基因表達的調控（一）轉錄水平調控（二）翻譯水平調控第五十四頁，共九十二頁，2022年，8月28日（一）轉錄水平調控轉錄水平調控（transcriptionallevel）：控制從DNA模板上轉錄特異的RNA的速度；這是一種最經濟的辦法，可以免去浪費從mRNA合成蛋白質的各種元件和材料；大多數基因表達都屬于這種調控負調控（negativeregulation）：調節(jié)蛋白與DNA的特定位點相作用，關閉或降低操縱子轉錄活性的調控方式正調控（positiveregulation）：調節(jié)蛋白與DNA的特定位點相結合，啟動或增強操縱子轉錄活性的調控方式第五十五頁，共九十二頁，2022年，8月28日第五十六頁，共九十二頁，2022年，8月28日三、微生物基因表達的調控（一）轉錄水平調控（二）翻譯水平調控第五十七頁，共九十二頁，2022年，8月28日（二）翻譯水平調控翻譯水平調控（translationallevel）：在mRNA合成后，通過調節(jié)與核糖體的結合速度等控制從mRNA翻譯成多肽鏈的速度；這種調控比較少見SD序列與翻譯效率：在mRNA上起始密碼子上游有一段富含嘌呤的與SD序列，它與16SrRNA的互補程度以及從起始密碼子AUG到SD序列的距離都強烈影響翻譯起始的效率反義RNA的調控作用：反義RNA可與mRNA相結合，使核糖體不能翻譯或提前終止；或形成RNA-RNA二聚，增加了核酸內切酶的作用特異性從而使mRNA變得不穩(wěn)定第五十八頁，共九十二頁，2022年，8月28日第五十九頁，共九十二頁，2022年，8月28日第六章微生物的遺傳與變異（4學時）第一節(jié)微生物的遺傳第二節(jié)微生物的變異第六十頁，共九十二頁，2022年，8月28日第二節(jié)微生物的變異一、微生物的基因突變二、微生物的基因重組三、微生物的基因工程第六十一頁，共九十二頁，2022年，8月28日一、微生物的基因突變（一）基因突變的概念（二）基因突變的類型（三）基因的誘發(fā)突變（四）DNA的損傷修復第六十二頁，共九十二頁，2022年，8月28日（一）基因突變的概念基因突變（mutation）：遺傳物質核酸中的核苷酸順序突然發(fā)生了可遺傳的變化點突變：由于DNA鏈上的一對或少數幾對堿基發(fā)生改變而引起染色體畸變：DNA的大段變化現象，表現為插入、缺失、重復、易位、倒位第六十三頁，共九十二頁，2022年，8月28日突變的特性非對應性：突變的發(fā)生與環(huán)境因子無對應性稀有性：自發(fā)突變率很低，一般在10-6~10-9規(guī)律性：特定性狀的突變具有一定的規(guī)律性獨立性：引起各種性狀改變的突變彼此是獨立的遺傳性：突變是可以穩(wěn)定遺傳的回復性：有時突變可以回復可誘變性：通過理化因子等誘變劑的誘變可提高突變率，但不改變突變的本質第六十四頁，共九十二頁，2022年，8月28日一、微生物的基因突變（一）基因突變的概念（二）基因突變的類型（三）基因的誘發(fā)突變（四）DNA的損傷修復第六十五頁，共九十二頁，2022年，8月28日（二）基因突變的類型1、根據結構改變2、根據表型改變第六十六頁，共九十二頁，2022年，8月28日1、根據結構改變同義突變：是指某個堿基的變化沒有改變產物氨基酸序列（簡并密碼子）的變化錯義突變：是指某個堿基的變化引起了產物氨基酸的改變；有時影響到蛋白質活性甚至使之失活無義突變：是指某個堿基的改變，使蛋白質合成提前終止(UAA，UAG，UGA)，產生截短的蛋白質移碼突變：由于DNA序列中發(fā)生1-2個核苷酸的缺失或插入，使翻譯的閱讀框發(fā)生改變，從而導致之后氨基酸序列的完全變化第六十七頁，共九十二頁，2022年，8月28日第六十八頁，共九十二頁，2022年，8月28日2、根據表型改變形態(tài)突變型：是指造成形態(tài)改變的突變型，包括細胞形態(tài)和菌落形態(tài)以及噬菌斑形態(tài)等生化突變型：是指造成代謝途徑變異的突變型，如營養(yǎng)缺陷型、抗性突變型等致死突變型：是指導致個體死亡的突變型條件致死突變型：是指在某一條件下具有致死效應的突變型，如溫度敏感突變型第六十九頁，共九十二頁，2022年，8月28日一、微生物的基因突變（一）基因突變的概念（二）基因突變的類型（三）基因的誘發(fā)突變（四）DNA的損傷修復第七十頁，共九十二頁，2022年，8月28日（三）基因的誘發(fā)突變誘變劑：是指能夠提高基因突變頻率的物理、化學和生物因子；包括堿基類似物、強氧化劑、插入染料、輻射、噬菌體等誘變育種：利用誘變劑處理微生物以提高突變頻率，從中挑選突變株供生產實踐或科學實驗之用第七十一頁，共九十二頁，2022年，8月28日誘變因素作用機制遺傳效應堿基類似物摻入作用AT→GC轉換亞硝酸A、G、C的氧化脫氨AT→GC轉換烷化劑烷化堿基AT→TA顛換

GC→CG顛換吖啶類雙鏈變形移碼紫外線形成嘧啶二聚體GC→AT轉換

移碼Mu噬菌體結合到一個基因中間移碼第七十二頁，共九十二頁，2022年，8月28日誘變育種步驟選擇好的出發(fā)菌株：產量高、遺傳性單一、對誘變劑的敏感性大、變異幅度廣等使用復合誘變因素：利用復合因素來擴大誘變幅度、提高誘變效果選擇適宜的劑量：對不同微生物使用不同的劑量，可以用致死率作為選擇適宜劑量的依據變異菌株的篩選：一般從菌落形態(tài)變異類型著手，去發(fā)現與產量有關的特性第七十三頁，共九十二頁，2022年，8月28日一、微生物的基因突變（一）基因突變的概念（二）基因突變的類型（三）基因的誘發(fā)突變（四）DNA的損傷修復第七十四頁，共九十二頁，2022年，8月28日（四）DNA的損傷修復光修復：在光環(huán)境下，光解酶識別由紫外線引起的嘧啶二聚體將其恢復成兩個單獨的嘧啶堿切除修復：在暗環(huán)境下，特異性酶識別DNA鏈中的損傷部位，將其分別切離，在DNA聚合酶Ｉ和連接酶的作用下完成修復重組修復：必須在DNA進行復制的情況下進行，RceA蛋白結合在有缺口的單鏈DNA上，與完整雙鏈發(fā)生重組，由DNA聚合酶和連接酶進行修復SOS修復：SOS是一組修復基因，包括recA、lexA、uvrA等，它們?yōu)镈NA的損傷所誘導；是DNA受到重大損傷時的一種應急反應第七十五頁，共九十二頁，2022年，8月28日二、微生物的基因重組（一）原核微生物的基因重組（二）真核微生物的基因重組第七十六頁，共九十二頁，2022年，8月28日基因重組基因重組（generecombination）：是指兩個不同來源的遺傳物質進行交換，經過基因的重新組合，形成新基因型的過程自然發(fā)生：原核微生物主要包括轉化、轉導、接合等方式；真核微生物主要包括有性雜交、準性雜交等人工操作：主要包括誘變育種、原生質體融合、基因工程等手段第七十七頁，共九十二頁，2022年，8月28日（一）原核微生物的基因重組轉化(transformation)：受體菌直接吸收供體菌的DNA片段，并組合到其基因組中，從而獲得供體菌部分遺傳性狀的現象；可分為自然轉化和人工轉化轉導(transduction)：通過缺陷噬菌體的媒介，把供體細胞的DNA片段攜帶到受體細胞中，從而使后者獲得前者部分遺傳性狀的現象；可分為普遍性轉導和局限性轉導接合(conjugation)：通過供體菌和受體菌完整細胞間的直接接觸而傳遞大段DNA的過程，也稱雜交；接合菌株包括F+菌株、F-菌株、Hfr菌株和F′菌株等第七十八頁，共九十二頁，2022年，8月28日第七十九頁，共九十二頁，2022年，8月28日第八十頁，共九十二頁，2022年，8月28日第八十一頁，共九十二頁，2022年，8月28日二、微生物的基因重組（一）原核微生物的基因重組（二）真核微生物的基因重組第八十二頁，共九十二頁，2022年，8月28日（二）真核微生物的基因重組有性雜交：是指微生物性細胞間的接合和隨之發(fā)生的染色體重組，