微生物的遺傳和變異

微生物的遺傳和變異第1頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六

親代的性狀在子代表現(xiàn)出來，使子代與親代有相似的現(xiàn)象，叫遺傳。從分子水平上講，遺傳就是遺傳信息的復制和表達。親代與子代及子代各個體之間，無論在形態(tài)結(jié)構(gòu)和生理機能方面，總會有差異，這種同類型不同個體之間的差異稱為變異。從分子水平講，是遺傳信息發(fā)生了變化。

遺傳和變異是生物體最本質(zhì)的屬性之一。遺傳（heredity或inheritance）

變異（variation）

第2頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六遺傳型——生物體所攜帶的全部遺傳因子或基因的總稱，表型——具有一定遺傳性的個體在特定的外界環(huán)境中通過生長發(fā)育所表現(xiàn)出來的種種形態(tài)和生理特征的總和。有些基因結(jié)構(gòu)未發(fā)生變化僅表型改變不是變異，只能稱適應或飾變（modification）。變異是基因結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，而且往往是不可逆的變化，此變化可以遺傳給子代形成新的品種。遺傳是相對的，變異是絕對的；遺傳中有變異，變異中有遺傳。第3頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六第一節(jié)

微生物的遺傳

一、遺傳和變異的物質(zhì)基礎——DNA第4頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六一、遺傳和變異的物質(zhì)基礎——DNA三個經(jīng)典實驗：1、轉(zhuǎn)化實驗第5頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六噬菌體用放射性硫跟蹤蛋白質(zhì)表層用放射性磷跟蹤核心的DNA侵染攪拌

分離

細胞中無硫外表有硫細胞中有磷外表無磷2、噬菌體感染實驗第6頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六3、病毒的拆開和重建實驗第7頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六二、DNA的結(jié)構(gòu)與復制（一）DNA結(jié)構(gòu)一級結(jié)構(gòu)：DNA中核苷酸之間的連結(jié)方式及其排列順序。二級結(jié)構(gòu)：雙螺旋結(jié)構(gòu)?；咎攸c：（1）

DNA由兩天互相平行的脫氧核苷酸長鏈盤繞而成（2）脫氧核苷酸和磷酸交替連接，排列在外側(cè)，構(gòu)成基本骨架，堿基排列在內(nèi)側(cè)（3）兩條鏈上的堿基以氫鍵相結(jié)合形成堿基對第8頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六1、DNA的存在形式真核生物：染色體（DNA+組蛋白），絲狀結(jié)構(gòu)，所有染色體由核膜包成一個細胞膜原核生物：DNA細絲構(gòu)成環(huán)狀的染色體，質(zhì)粒2、基因:基因是一切生物體內(nèi)儲存信息的，有自我復制能力的遺傳功能單位。3、遺傳信息的傳遞中心法則：第9頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六(二）DNA的復制——半保留復制以親代DNA分子的兩條鏈為模板合成各自的互補鏈，形成兩個子代的DNA分子的過程稱為復制，這個過程是半保留復制即合成新的DNA分子時，子代DNA的一條鏈來自親代，另一條鏈為新合成的互補鏈。第10頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六過程如下：1、DNA解旋酶對DNA進行解旋.2、DNA結(jié)合蛋白結(jié)合在打開的DNA單鏈上，不與雙鏈結(jié)合，促使反應向偏向單鏈形成的方向進行，使DNA在大大低于Tm溫度下發(fā)生雙鏈的解離，雙螺旋則在復制叉的前方分開，并在復制叉處穩(wěn)定單鏈結(jié)構(gòu)，阻止再形成雙螺旋。第11頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六3、DNA復制在一段RNA引物的基礎上加進脫氧核苷酸。由RNA引物酶催化合成一段RNA。4、DNA聚合酶（I、II、III）催化DNA片段的延長。5、DNA連接酶。DNA后隨鏈上的復制是不連續(xù)的，岡崎片段形成后，5’端的RNA引物通過DNA聚合酶I催化的切口移位而降解，并為DNA片段所置換，形成的切口由DNA連接酶封閉。6、DNA回旋酶使松弛DNA變成負超螺旋第12頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六三、DNA的變性和復性（一）DNA變性

DNA的雙螺旋由氫鍵維持，當天然雙螺旋DNA受熱或其他因素作用下，兩條鏈之間的結(jié)合力被破壞而分開成為單鏈DNA，即稱為DNA變性。DNA變性伴隨著許多物理性質(zhì)的變化，特別有用的是增色效應。DNA變性過程中，A260值先是緩慢上升到達一個溫度值后驟然上升，吸收值增加的中點稱為融解溫度（meltingtemperature，Tm）。一般Tm在85-95度之間，Tm取決于DNA的G+C含量，含量高，Tm也高。第13頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六（二）DNA復性熱變性DNA若緩慢冷卻，已分開的互補鏈又可重新形成天然DNA的過程叫復性或退火。復性的DNA是隨機結(jié)合的。由DNA復性研究發(fā)展成的一種實驗技術是分子雜交，雜交可以發(fā)生在DNA之間或DNA與RNA之間，DNA之間雜交可用于估測DNA間的同源序列，不同生物在進化過程中相關性。DNA與RNA雜交可通過RNA轉(zhuǎn)錄來檢測DNA中特定基因的存在。第14頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六1、mRNA——messageRNA，信使RNA它的生物功能是從DNA上把遺傳密碼即蛋白質(zhì)中氨基酸排列順序的信息接受過來，并起模板作用合成蛋白質(zhì)。四、RNARNA分子的主要生物功能是參與蛋白質(zhì)的生物合成，可分為tRNA、rRNA、mRNA和反義RNA，都由DNA轉(zhuǎn)錄而來。第15頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六2、tRNA——transferRNA轉(zhuǎn)移RNA是mRNA與氨基酸之間的接合體，帶有能和mRNA互補的反密碼子，3’末端AMP上結(jié)合氨基酸，反密碼子與mRNA上的密碼子互補。一個氨基酸有一種或多種tRNA。三葉草結(jié)構(gòu)第16頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六3、rRNA——ribosomalRNA核糖體RNA:rRNA與蛋白質(zhì)共同組成核糖體。原核生物：5S、16S、23S真核生物：5S、5.8S、16S、28S4、反義RNA——antisenseRNA與mRNA序列相同的那條DNA鏈稱為編碼鏈，并把另一條鏈根據(jù)堿基互補原則指導mRNA合成的DNA鏈稱為反義鏈，因為只有mRNA攜帶的遺傳信息才被用來指導蛋白質(zhì)生物合成。第17頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六五、微生物生長和蛋白質(zhì)合成微生物生長的主要活動是蛋白質(zhì)的合成，DNA的復制合成和RNA的復制合成最終目的在于蛋白質(zhì)的合成。

蛋白質(zhì)合成的過程：（1）DNA復制（2）RNA轉(zhuǎn)錄：以無義鏈作模板（3）mRNA翻譯成蛋白質(zhì)第18頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六核糖體蛋白質(zhì)tRNA氨基酸第19頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六1、翻譯的起始。原核生物mRNA上的起始密碼子常為AUG—甲硫氨酸，少數(shù)情況下也為GUG起始復合物的形成：原核細胞中多肽的合成都由甲硫氨酸開始，以N-甲酰甲硫氨酸-tRNA（fMet-tRNA）形式開始。mRNA首先與核糖體的30S亞基結(jié)合，有起始因子3（IF3）參加，再進一步與fMet-tRNA、GTP相結(jié)合，釋放出IF3，最后50S亞基再結(jié)合上去。此時fMet-tRNA占據(jù)了核糖體上的肽酰位點（P），空出A位點準備接受另一個氨酰tRNA，為肽鏈的延伸作好準備。第20頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六第21頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六2、蛋白質(zhì)的合成——肽鏈的延伸新進入的氨酰-tRNA結(jié)合到70S核糖體的A位點上，其反密碼子必須在A位點mRNA上的密碼子互補。進入A位點的氨酰-tRNA上的氨基與P位點上氨酰-tRNA的羧基形成一個新的肽鍵。同時P位點tRNA卸下肽鏈成為無負載的tRNA，此時A位點上tRNA所攜帶的就不是一個氨基酸而是一個二肽。移位（translocation）：指核糖體沿mRNA作相對移動（5’→3’），每次移動一個密碼子的距離，移位的結(jié)果是使A位點上的tRNA回到P點，P點上的tRNA離開。移位反應由移位酶、GTP完成。第22頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六3、肽鏈合成的中止與釋放首先是對mRNA上終止信號的識別，然后完工的肽酰-tRNA酰鍵水解，新合成的肽鏈釋放。終止密碼子是UAA、UAG、UGA。終止密碼子沒有相應的tRNA分子，當核糖體到達此處時蛋白質(zhì)合成不能繼續(xù)，釋放因子進入空的A位點，激發(fā)合成的肽鏈從核糖體上釋放，亞基拆分。真核生物細胞蛋白質(zhì)合成的機理相似但更復雜，核糖體更大；起始tRNA為Met-tRNA不是fMet-tRNA；起始密碼子為AUG。第23頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六六、微生物的細胞分裂微生物將倍增的核物質(zhì)和蛋白質(zhì)均等地分配給兩個細胞，在細胞的中部合成橫隔膜并逐漸內(nèi)陷，最終將兩個子細胞分開，細胞分裂完成。第24頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六第二節(jié)

微生物的變異

第25頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六一、變異的實質(zhì)——基因突變基因突變：DNA因某種因素引起堿基的缺失、置換或插入，改變了基因內(nèi)部原有的堿基排列順序，從而引起其后代表型的改變二、突變的類型（一）自發(fā)突變:指微生物在自然條件下，沒有人工參與而發(fā)生的基因突變1、多因素低劑量的誘變效應2、互變異構(gòu)效應3、環(huán)出效應第26頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六第27頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六（二）誘發(fā)突變凡提高突變率的理化因子都可稱誘變劑（mutagen）1、物理誘變:（1）紫外輻射誘變作用機制：主要的生物效應是DNA吸收紫外輻射，引起DNA結(jié)構(gòu)的變化。引起DNA結(jié)構(gòu)的變化有很多方面：DNA斷裂、DNA交聯(lián)、DNA與蛋白質(zhì)交聯(lián)、胞嘧啶與鳥嘌呤的水合作用及嘧啶二聚體的形成。第28頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六（2）DNA損傷的修復①光復活光復活：光裂合酶在可見光下（300-500nm）會因獲得光能而發(fā)生解離從而使二聚體重新分解成單體。

暗復活：切除修復和重組修復第29頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六②切除修復：需要三種酶協(xié)同作用，不需要可見光的激活。首先在二聚體兩側(cè)核酸內(nèi)切酶作用下造成單鏈斷裂并切除二聚體。DNA聚合酶I作用下修復，最后DNA連接酶縫合新合成的DNA片段和原DNA片段。③重組修復：必須在DNA進行復制的情況下進行，所以又稱復制后修復。大腸桿菌可以在不切除胸腺二聚體情況下以帶有二聚體的這一單鏈為模板而合成互補單鏈，但在二聚體附近留下了一個空隙，經(jīng)過染色體交換，使空隙部分面對正常單鏈，DNA聚合酶和連接酶將此修復。第30頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六④SOS修復：DNA大范圍損失作為一種求救信號引發(fā)設計DNA修復的多種細胞功能參加的誘導作用。正常的SOS系統(tǒng)被LexA蛋白所抑制，DNA損傷時激活RecA蛋白酶活性，使LexA蛋白失活，啟動SOS系統(tǒng)。一旦修復完成，SOS系統(tǒng)關閉。SOS系統(tǒng)是一種傾向差錯的DNA修復機制，可造成突變。第31頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六⑤適應性修復：細菌由于長期接觸低劑量誘變劑會產(chǎn)生修復蛋白酶，修復DNA上因甲基化而遭受的損傷。第32頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六2、化學誘變；化學誘變可造成堿基對的置換轉(zhuǎn)換（transition）：嘌呤被另一嘌呤或嘧啶被另一嘧啶取代顛換（transversion）：嘌呤被嘧啶取代化學誘變對DNA作用形式有三類：（1）直接引起置換的誘變劑

是一類可直接與核酸堿基發(fā)生化學反應的誘變劑。可與一個或幾個核苷酸發(fā)生化學反應，引起DNA復制時堿基配對的轉(zhuǎn)換。

第33頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六亞硝酸可使堿基發(fā)生氧化脫氨，使腺嘌呤A轉(zhuǎn)變?yōu)榇吸S嘌呤H，胞嘧啶C變成尿嘧啶U，引起A=T向G-=C轉(zhuǎn)換

①腺嘌呤氧化脫氨后形成烯醇式次黃嘌呤（He）②He通過互變異構(gòu)效應形成酮式次黃嘌呤（HK）③DNA復制時，HK與胞嘧啶（C）配對④DNA第二次復制時，C與G正常配對，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)換。第34頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六（2）間接引起置換的誘變劑：這類誘變劑是一些堿基類似物，5-溴尿嘧啶（5-Bu）、5-氨基尿嘧啶（5-Au）、8-氮鳥嘌呤（8-NG）、2-氨基嘌呤（2-AP）等。它們的作用是通過活細胞的代謝活動摻入到DNA分子后引起的，因此是間接的。（3）引起移碼突變的誘變劑：由誘變劑引起DNA分子中的一個或少數(shù)幾個核苷酸的增添、插入或缺失，從而使該部位后面的全部遺傳密碼發(fā)生轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)譯錯誤的一類突變。第35頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六第36頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六3、復合處理及協(xié)同效應

兩種或多種誘變劑先后使用；同一種誘變劑重復使用；兩種或多種誘變劑同時使用4、定向培育與馴化:用某一特定環(huán)境長期處理某一微生物群體，不斷移種傳代，從中選擇具有合格性狀的自發(fā)突變體。因自發(fā)突變率低，變異程度低，培育進程很緩慢。

環(huán)境工程中仍采用定向培育的方法培育菌種——馴化。第37頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六第三節(jié)基因重組

第38頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六

一、雜交

雜交是在細胞水平上發(fā)生的一種遺傳重組方式。有性雜交，一般指性細胞間的接合和隨之發(fā)生染色體重組，并產(chǎn)生新遺傳型后的一種方式。凡能產(chǎn)生有性孢子的酵母菌或霉菌，原則上都可應用與高等動、植物雜交育種相似的有性雜交方法進行育種?；蛑亟M：兩個不同性狀個體細胞的DNA融合，使基因重新組合，從而發(fā)生遺傳變異，產(chǎn)生新品種，此過程稱為基因重組。第39頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六準性雜交(parasexualhybridization)

準性生殖是一種類似于有性生殖但比它更為原始的一種生殖方式，它可使同一生物的兩個不同來源的體細胞經(jīng)融合后，不通過減數(shù)分裂而導致低頻率的基因重組。準性生殖常見于某些真菌，尤其是半知菌中。1、菌絲聯(lián)結(jié)

2、形成異核體

3、核融合或核配

4、體細胞交換第40頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六二、轉(zhuǎn)化transformation受體菌直接吸收來自供體菌的DNA片段，通過交換，把它組合到自己的基因組中，從而獲得供體菌部分遺傳性狀的現(xiàn)象，稱為轉(zhuǎn)化。轉(zhuǎn)化后的受體菌稱為轉(zhuǎn)化子。第41頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六兩個菌種和菌株間能否發(fā)生轉(zhuǎn)化，與它們在進化上的親緣關系有密切關系，但即使在轉(zhuǎn)化率極高的那些種中，不同菌株間也不一定能發(fā)生轉(zhuǎn)化，能進行轉(zhuǎn)化的細胞必須是感受態(tài)的。受體菌最易接受外源DNA片段并實現(xiàn)轉(zhuǎn)化的生理狀態(tài)稱為感受態(tài)。感受態(tài)因子是一種胞外蛋白，可能是細胞膜上的一種組分，可催化外來DNA片段的吸收或降解表面某種成分，讓細胞表面的DNA受體暴露出來。第42頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六轉(zhuǎn)化過程大體如下：1、雙鏈DNA片段與感受態(tài)受體菌的細胞表面特定位點結(jié)合2、DNA酶促分解3、DNA一條單鏈進入細胞，分子量小于4×105的不能進入4、轉(zhuǎn)化DNA單鏈與受體菌染色體組上的同源區(qū)段配對，受體染色體組的相應單鏈被切除，被外來的單鏈DNA片段取代，形成雜種DNA片段。5、受體菌染色體進行復制，形成一個轉(zhuǎn)化子第43頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六三、轉(zhuǎn)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，從而使后者獲得了前者部分遺傳性狀的現(xiàn)象，稱為轉(zhuǎn)導。1、普遍轉(zhuǎn)導(generalizedtransduction)

噬菌體可誤包供體菌中的任何基因(包括質(zhì)粒)，并使受體菌實現(xiàn)各種性狀的轉(zhuǎn)導，此即普遍性轉(zhuǎn)導。第44頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六第45頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六2、局限轉(zhuǎn)導(restrictedspecializedtransduction)指通過某些部分缺陷的溫和噬菌體把供體菌的少數(shù)特定基因轉(zhuǎn)移到受體菌中的轉(zhuǎn)導現(xiàn)象。第46頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六比較項目普通性轉(zhuǎn)導局限性轉(zhuǎn)導轉(zhuǎn)導的發(fā)生自然發(fā)生人工誘導噬菌體形成錯誤的裝配前噬菌體反常切除形成機制包裹選擇模型雜種形成模型內(nèi)含DNA只含宿主染色體DNA同時有噬菌體DNA和宿主DNA轉(zhuǎn)導性狀供體的任何性狀多為前噬菌體鄰近兩端的DNA片斷轉(zhuǎn)導過程通過雙交換使轉(zhuǎn)導DNA，替換了受體DNA同源區(qū)轉(zhuǎn)導DNA插入，使受體菌為部分二倍體轉(zhuǎn)導子不能使受體菌溶源化，轉(zhuǎn)導特性穩(wěn)定為缺陷溶源菌轉(zhuǎn)導特性不穩(wěn)定第47頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六第四節(jié)遺傳工程技術在環(huán)境保護中的應用第48頁，共53頁，2023年，2月20日，星期六一、遺傳工程技術在環(huán)境保護中的應用（一）質(zhì)粒育種質(zhì)粒是細菌體內(nèi)一種獨立于染色體外，與細菌細胞共生能獨立復制和穩(wěn)定