微生物遺傳學(xué)基礎(chǔ)

微生物遺傳學(xué)基礎(chǔ)第一頁，共四十三頁，2022年，8月28日遺傳與變異的概念遺傳和變異是生物體的最本質(zhì)的屬性之一。遺傳(heredity)：親代生物的性狀在子代得到表現(xiàn)；親代生物傳遞給子代一套實現(xiàn)與其相同形狀的遺傳信息。特點：具穩(wěn)定性。遺傳型（genotype）：又稱基因型，指某一生物個體所含有的全部基因的總和；------是一種內(nèi)在可能性或潛力。

遺傳型+環(huán)境條件表型表型（phenotype）：指生物體所具有的一切外表特征和內(nèi)在特性的總和;------是一種現(xiàn)實存在，是具一定遺傳型的生物在一定條件下所表現(xiàn)出的具體性狀。代謝發(fā)育第二頁，共四十三頁，2022年，8月28日變異(variation):生物體在外因或內(nèi)因的作用下，遺傳物質(zhì)的結(jié)構(gòu)或數(shù)量發(fā)生改變。變異的特點：a.在群體中以極低的幾率出現(xiàn)，（一般為10-6～10-10）；b.形狀變化的幅度大；c.變化后形成的新性狀是穩(wěn)定的，可遺傳的。飾變（modification）：指不涉及遺傳物質(zhì)結(jié)構(gòu)改變而只發(fā)生在轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)譯水平上的表型變化。特點是：a.幾乎整個群體中的每一個個體都發(fā)生同樣的變化；b.性狀變化的幅度??；c.因遺傳物質(zhì)不變，故飾變是不遺傳的。引起飾變的因素消失后，表型即可恢復(fù)。例如：粘質(zhì)沙雷氏菌：在25℃下培養(yǎng)，產(chǎn)生深紅色的靈桿菌素；在37℃下培養(yǎng)，不產(chǎn)生色素；如果重新將溫度降到25℃，又恢復(fù)產(chǎn)色素的能力。第三頁，共四十三頁，2022年，8月28日1.1.1DNA作為遺傳物質(zhì)Avery在四十年代以更精密的實驗設(shè)計重復(fù)了以上實驗分別用降解DNA、RNA、蛋白質(zhì)的酶作用于有毒的S型菌細胞抽提物只有DNA被酶降解破壞的抽提物無轉(zhuǎn)化活性DNA是轉(zhuǎn)化所必需的轉(zhuǎn)化因子1.1遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)肺炎鏈球菌的轉(zhuǎn)化現(xiàn)象第四頁，共四十三頁，2022年，8月28日T2噬菌體感染實驗（1952年）侯喜-蔡斯（Hershey-Chase）第五頁，共四十三頁，2022年，8月28日1.1.2RNA作為遺傳物質(zhì)生化提取分別獲得含RNA的煙草花葉病毒蛋白質(zhì)外殼（病毒1）和核酸（病毒2）抗血清處理，證明雜種病毒的蛋白質(zhì)外殼來自病毒1，而非病毒2雜種病毒的后代的蛋白質(zhì)外殼表現(xiàn)為病毒2，而非病毒1遺傳物質(zhì)是核酸（RNA）而非蛋白質(zhì)普通的TMV與毒株霍氏車前花葉病毒（HR）的核酸和蛋白質(zhì)的拆開和相互對換重建的過程，同樣令人信服地證實了核酸是TMV的遺傳物質(zhì)基礎(chǔ)。第六頁，共四十三頁，2022年，8月28日煙草花葉病毒經(jīng)弱堿、尿素、去垢劑等處理，可以將其蛋白外殼與RNA分開，重新將蛋白外殼與RNA混合，病毒粒子又會重建。將普通的TMV外殼與毒株霍氏車前花葉病毒HR的RNA混合構(gòu)成雜種病毒。TMV抗體處理會使其鈍化，不能引起病斑。而用HR抗體處理，則不會影響雜種病毒的感染性，這說明雜種病毒的外殼確實是TMV病毒的外殼。雜種病毒感染煙草后，在煙葉上出現(xiàn)HR的病斑，而且從中分離到具HR外殼的HR病毒，這表明是TMV的RNA、而不是蛋白質(zhì)攜帶著病毒的所有遺傳信息。第七頁，共四十三頁，2022年，8月28日煙草花葉病毒經(jīng)弱堿、尿素、去垢劑等處理，可以將其蛋白外殼與RNA分開，重新將蛋白外殼與RNA混合，病毒粒子又會重建。第八頁，共四十三頁，2022年，8月28日1.1.3朊病毒的發(fā)現(xiàn)與思考亞病毒的一種：具有傳染性的蛋白質(zhì)致病因子，迄今為止尚為發(fā)現(xiàn)該蛋白內(nèi)含有核酸。其致病作用是由于動物體內(nèi)正常的蛋白質(zhì)PrPc改變折疊狀態(tài)為PrPsc所致，而這二種蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)并沒有改變。第九頁，共四十三頁，2022年，8月28日人的庫魯病(kuru)、克雅氏病(CreutzfeldtJakobdisease,CJD)等羊搔癢癥(scrapie)牛海綿狀腦病(spongiformencephalopathy)引起人與動物的致死性中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病第十頁，共四十三頁，2022年，8月28日Prusiner(1982)提出羊搔癢病因子是一種蛋白質(zhì)侵染顆粒（proteinaceousinfectiousparticle），并將之稱做Prion或Virino。-------朊病毒1997年，StanleyB.Prusiner榮獲諾貝爾獎第十一頁，共四十三頁，2022年，8月28日核酸存在的七個水平及質(zhì)粒細胞水平：存在于細胞核或核質(zhì)體，單核或多核細胞核水平:原與真核生物的細胞核結(jié)構(gòu)不同，核外DNA染色體水平:倍性(真核)和染色體數(shù)核酸水平：在原核中同染色體水平、存在部分二倍體 DNA或RNA，復(fù)合或裸露，雙鏈或單鏈基因水平：具自主復(fù)制能力的遺傳功能單位，長度與信息量，轉(zhuǎn)錄——翻譯密碼子水平： 信息單位,起始和終止,核苷酸水平： 突變或交換單位，四種堿基1.2遺傳物質(zhì)在細胞內(nèi)的存在部位和方式第十二頁，共四十三頁，2022年，8月28日第十三頁，共四十三頁，2022年，8月28日原核生物的核質(zhì)類核或擬核（nucleoids）習(xí)慣上仍稱為“梁色體”細菌類核結(jié)構(gòu)：也存在一些RNA可能不是必需組份分離中帶上蛋白質(zhì)和DNAE.coli的DNA大約45±10個形成超螺旋的環(huán)高度折疊的結(jié)構(gòu)使DNA分子長度壓縮了千余倍1.3微生物的染色體分子結(jié)構(gòu)1.3.1原核微生物擬核體第十四頁，共四十三頁，2022年，8月28日DNA分子形成環(huán)狀，這種環(huán)呈超螺旋狀它從致密的含蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)中伸出（支架）E.coli2.4×109Da，42000Kb（1300微米），閉合環(huán)狀，約編碼2000個基因。類核（nucleoid）。支架(scafford）50-100個DNA環(huán)組成，每200bp就有一個負超螺旋DNA這種高度折疊的結(jié)構(gòu)使DNA分子長度壓縮了千余倍。第十五頁，共四十三頁，2022年，8月28日1.3.2真核微生物染色體(1)染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)真核基因組的DNA是與蛋白質(zhì)結(jié)合的——染色質(zhì)染色質(zhì)：細胞核中被堿性染料所染的成分染色體：有絲分裂時所見的棒狀結(jié)構(gòu)染色質(zhì)核小體是染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單位第十六頁，共四十三頁，2022年，8月28日核小體結(jié)構(gòu)模型(2)染色體的結(jié)構(gòu)模型

染色體的結(jié)構(gòu)是由兩條染色單體(chromatid)組成的。每條染色單體包括一條染色線(chromonema)，以及位于線上許多染色很深、顆粒狀的染色粒(chromomere)

細胞分裂過程中染色質(zhì)線卷縮成為一定形態(tài)結(jié)構(gòu)的染色體第十七頁，共四十三頁，2022年，8月28日第十八頁，共四十三頁，2022年，8月28日(3)著絲粒和端體

著絲粒是染色體的縮縊部位，是細胞分裂過程中紡錘絲(spindlefiber)結(jié)合的區(qū)域。端粒的功能防止染色體末端為DNA酶酶切；防止染色體末端與其它DNA分子的結(jié)合使染色體末端在DNA復(fù)制過程中保持完整第十九頁，共四十三頁，2022年，8月28日2.4微生物基因組基因組（genome）：一個物種的單倍體的所有染色體及其所包含的遺傳信息的總稱原核生物（如細菌），多為單倍體（在一般情況下只有一條染色體）真核微生物，多條染色體，例如啤酒酵母有16條染色體。有時為雙倍體有代表性的生物體內(nèi)DNA大小分子量堿基對（bp)最簡單的微生物SV40病毒3×1065×103λ噬菌體3.4×1075×104細菌大腸桿菌2.2×1094.6×106哺乳動物小鼠1.5×10122.3×109人1.8×10122.8×109第二十頁，共四十三頁，2022年，8月28日1.4.1原核生物（細菌、古生菌）的基因組1）染色體為雙鏈環(huán)狀的DNA分子（單倍體）；鏈環(huán)狀的染色體在細胞中以緊密纏繞成的較致密的不規(guī)則小體形式存在于細胞中，該小體稱為擬核(nucliod)，其上結(jié)合有類組蛋白蛋白質(zhì)和少量RNA分子，使其壓縮成一種手腳架形的致密結(jié)構(gòu)。第二十一頁，共四十三頁，2022年，8月28日2）基因組上遺傳信息具有連續(xù)性；基因數(shù)基本接近由它的基因組大小所估計的基因數(shù)微生物基因組DNA絕大部分用來編碼蛋白質(zhì)、RNA；用作為復(fù)制起點、啟動子、終止子和一些由調(diào)節(jié)蛋白識別和結(jié)合的位點等信號序列。一般不含內(nèi)含子，遺傳信息是連續(xù)的而不是中斷的。真核生物基因組的一個重要特點就是含有內(nèi)含子個別細菌(鼠傷寒沙門氏菌和犬螺桿菌)和古生菌的rRNA和tRNA中也發(fā)現(xiàn)有內(nèi)含子或間插序列第二十二頁，共四十三頁，2022年，8月28日3）功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因組成操縱子結(jié)構(gòu)；4）結(jié)構(gòu)基因的單拷貝及rRNA基因的多拷貝；5）基因組的重復(fù)序列少而短；古生菌的基因組在結(jié)構(gòu)上類似于細菌。但是信息傳遞系統(tǒng)(復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯)則與細菌不同而類似于真核生物。操縱子（operon）：功能相關(guān)的幾個基因前后相連，再加上一個共同的調(diào)節(jié)基因和一組共同的控制位點（啟動子、操作子等）在基因轉(zhuǎn)錄時協(xié)同動作。第二十三頁，共四十三頁，2022年，8月28日1.4.2真核微生物（啤酒酵母）的基因組1）典型的真核染色體結(jié)構(gòu)；2）沒有明顯的操縱子結(jié)構(gòu)；啤酒酵母基因組大小為13.5×106bp，分布在16條染色體中。3）有間隔區(qū)（即非編碼區(qū)）和內(nèi)含子序列；4）重復(fù)序列多；第二十四頁，共四十三頁，2022年，8月28日1.5染色體外遺傳成份基因不僅存在在染色體上，還存在于細胞中的染色體外的遺傳因子上核外染色體真核生物的“質(zhì)粒”原核生物的質(zhì)粒 線粒體細胞質(zhì)基因 葉綠體（質(zhì)體） 中心體 動體共生生物： 卡巴顆粒酵母菌的2m質(zhì)粒F因子R因子Col質(zhì)粒Ti質(zhì)粒巨大質(zhì)粒降解性質(zhì)粒第二十五頁，共四十三頁，2022年，8月28日1.5.1原核微生物核外遺傳物質(zhì)質(zhì)粒（plasmid）：一種獨立于染色體外，能進行自主復(fù)制的細胞質(zhì)遺傳因子，主要存在于各種微生物細胞中。(1)質(zhì)粒的分子結(jié)構(gòu)通常以共價閉合環(huán)狀(covalentlyclosedcircle，簡稱CCC)的超螺旋雙鏈DNA分子存在于細胞中；也發(fā)現(xiàn)有線型雙鏈DNA質(zhì)粒和RNA質(zhì)粒；質(zhì)粒分子的大小范圍從1kb左右到1000kb；（細菌質(zhì)粒多在10kb以內(nèi)）第二十六頁，共四十三頁，2022年，8月28日質(zhì)粒的檢測提取所有胞內(nèi)DNA后電鏡觀察；第二十七頁，共四十三頁，2022年，8月28日超速離心或瓊脂糖凝膠電泳后觀察；對于實驗室常用菌，可用質(zhì)粒所帶的某些特點，如抗藥性初步判斷。對于由于三種構(gòu)型同時存在時造成的多帶現(xiàn)象（提取質(zhì)粒時造成或自然存在），可以進行特異性單酶切，使其成為一條帶。特定的質(zhì)粒提取方法和后處理使染色體和RNA均被除掉。第二十八頁，共四十三頁，2022年，8月28日(2)質(zhì)粒的主要類型在某些特殊條件下，質(zhì)粒有時能賦予宿主細胞以特殊的機能，從而使宿主得到生長優(yōu)勢。質(zhì)粒所含的基因?qū)λ拗骷毎话闶欠潜匦璧模毁|(zhì)粒所編碼的功能和賦予宿主的表型效應(yīng)致育因子（Fertilityfactor，F(xiàn)因子）抗性因子（Resistancefactor，R因子）產(chǎn)細菌素的質(zhì)粒（Bacteriocinproductionplasmid）毒性質(zhì)粒（virulenceplasmid）代謝質(zhì)粒（Metabolicplasmid）隱秘質(zhì)粒（crypticplasmid）第二十九頁，共四十三頁，2022年，8月28日1)致育因子(Fertilityfactor，F(xiàn)因子)又稱F質(zhì)粒，其大小約100kb，這是最早發(fā)現(xiàn)的一種與大腸桿菌的有性生殖現(xiàn)象（接合作用）有關(guān)的質(zhì)粒。攜帶F質(zhì)粒的菌株稱為F+菌株（相當于雄性），無F質(zhì)粒的菌株稱為F-菌株（相當于雌性）。F因子能以游離狀態(tài)(F+)和以與染色體相結(jié)合的狀態(tài)(Hfr)存在于細胞中，所以又稱之為附加體(episome)。第三十頁，共四十三頁，2022年，8月28日2)抗性因子（Resistancefactor，R因子）包括抗藥性和抗重金屬二大類，簡稱R質(zhì)粒。R100質(zhì)粒(89kb)可使宿主對下列藥物及重金屬具有抗性：汞（mercuricion，mer）四環(huán)素（tetracycline，tet）鏈霉素(Streptomycin,Str)、磺胺(Sulfonamide,Su)、氯霉素(Chlorampenicol,Cm)夫西地酸（fusidicacid，fus）并且負責(zé)這些抗性的基因是成簇地存在于抗性質(zhì)粒上。抗性質(zhì)粒在細菌間的傳遞是細菌產(chǎn)生抗藥性的重要原因之一。第三十一頁，共四十三頁，2022年，8月28日3)產(chǎn)細菌素的質(zhì)粒（Bacteriocinproductionplasmid）細菌素結(jié)構(gòu)基因、涉及細菌素運輸及發(fā)揮作用（processing）的蛋白質(zhì)的基因、賦予宿主對該細菌素具有“免疫力”的相關(guān)產(chǎn)物的基因一般都位于質(zhì)粒或轉(zhuǎn)座子上，因此，細菌素可以殺死同種但不攜帶該質(zhì)粒的菌株。第三十二頁，共四十三頁，2022年，8月28日細菌素一般根據(jù)產(chǎn)生菌的種類進行命名：大腸桿菌（E.coli）產(chǎn)生的細菌素為colicins（大腸桿菌素），而質(zhì)粒被稱為Col質(zhì)粒。由G+細菌產(chǎn)生的細菌素或與細菌素類似的因子與colicins有所不同，但通常也是由質(zhì)?；蚓幋a，有些甚至有商業(yè)價值，例如一種乳酸細菌產(chǎn)生的細菌素NisinA能強烈抑制某些G+細菌的生長，而被用于食品工業(yè)的保藏。第三十三頁，共四十三頁，2022年，8月28日4)毒性質(zhì)粒（virulenceplasmid）許多致病菌的致病性是由其所攜帶的質(zhì)粒引起的，這些質(zhì)粒具有編碼毒素的基因，其產(chǎn)物對宿主（動物、植物）造成傷害。產(chǎn)毒素大腸桿菌是引起人類和動物腹瀉的主要病原菌之一，其中許多菌株含有為一種或多種腸毒素編碼的質(zhì)粒。蘇云金桿菌含有編碼δ內(nèi)毒素(伴孢晶體中)的質(zhì)粒根癌土壤桿菌所含Ti質(zhì)粒是引起雙子葉植物冠癭瘤的致病因子第三十四頁，共四十三頁，2022年，8月28日5)代謝質(zhì)粒（Metabolicplasmid）質(zhì)粒上攜帶有有利于微生物生存的基因，如能降解某些基質(zhì)的酶，進行共生固氮，或產(chǎn)生抗生素（某些放線菌）等。將復(fù)雜的有機化合物降解成能被其作為碳源和能源利用的簡單形式，環(huán)境保護方面具有重要的意義。假單胞菌：具有降解一些有毒化合物，如芳香簇化合物(苯)、農(nóng)藥(2,4dichlorophenoxyaceticacid)、辛烷和樟腦等的能力。降解質(zhì)粒：第三十五頁，共四十三頁，2022年，8月28日6)隱秘質(zhì)粒（crypticplasmid）隱秘質(zhì)粒不顯示任何表型效應(yīng)，它們的存在只有通過物理的方法，例如用凝膠電泳檢測細胞抽提液等方法才能發(fā)現(xiàn)。它們存在的生物學(xué)意義，目前幾乎不了解。在應(yīng)用上，很多隱秘質(zhì)粒被加以改造作為基因工程的載體（一般加上抗性基因）第三十六頁，共四十三頁，2022年，8月28日高拷貝數(shù)(highcopynumber)質(zhì)粒（每個宿主細胞中可以有10-100個拷貝）

———————松弛型質(zhì)粒(relaxedplasmid)低拷貝數(shù)(lowcopynumber)質(zhì)粒（每個宿主細胞中可以有1-4個拷貝）

———————嚴謹型質(zhì)粒(stringentplasmid)窄宿主范圍質(zhì)粒(narrowhostrangeplasmid)（只能在一種特定的宿主細胞中復(fù)制）廣宿主范圍質(zhì)粒(broadhostrangeplasmid)（可以在許多種細菌中復(fù)制）(3)質(zhì)粒的不親和性質(zhì)粒之間的不親和性、以及質(zhì)粒拷貝數(shù)的多少、能適應(yīng)的宿主范圍的寬窄等特性均與質(zhì)粒的復(fù)制控制類型有關(guān)。第三十七頁，共四十三頁，2022年，8月28日1.5.2真核微生物核外遺傳物質(zhì)(1)真核微生物質(zhì)粒多數(shù)酵母菌中也含有一種典型的質(zhì)粒稱為2μ質(zhì)粒

封閉環(huán)狀的雙鏈DNA分子，周長約2μm(6kb左右)

高拷貝數(shù)存在于酵母細胞中，每個單倍體基因組含60-100個拷貝

在細胞內(nèi)以兩種異構(gòu)體(A和B)形式存在；

不賦予宿主任何遺