第九章微生物的遺傳與變異詳解演示文稿

第九章微生物的遺傳與變異詳解演示文稿當(dāng)前第1頁\共有85頁\編于星期五\22點1優(yōu)選第九章微生物的遺傳與變異當(dāng)前第2頁\共有85頁\編于星期五\22點2本章要點一微生物遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)二微生物的基因突變?nèi)⑸锏幕蛑亟M四微生物的遺傳育種當(dāng)前第3頁\共有85頁\編于星期五\22點3遺傳：親代與子代相似變異：親代與子代、子代間不同個體不完全相同遺傳（inheritance）和變異（variation）是生命的最本質(zhì)特性之一生物的全部遺傳因子及基因具有一定遺傳型的個體，在特定環(huán)境條件下通過生長發(fā)育所表現(xiàn)出來的形態(tài)等生物學(xué)特征的總和。表型是由遺傳型所決定，但也和環(huán)境有關(guān)。遺傳型（genotype）：表型（表現(xiàn)型）（phenotype）：當(dāng)前第4頁\共有85頁\編于星期五\22點4飾變（modification）：指生物體由于非遺傳因素引起的表型改變，變化發(fā)生在轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)譯水平，特點是幾乎整個群體中的每一個個體都發(fā)生同樣的變化，性狀變化的幅度小，不遺傳，引起飾變的因素消失后，表型即可恢復(fù)。當(dāng)前第5頁\共有85頁\編于星期五\22點5表型飾變：表型的差異只與環(huán)境有關(guān)特點：暫時性、不可遺傳性、表現(xiàn)為全部個體的行為橘生淮南則為橘，生于淮北則為枳。遺傳型變異（基因變異、基因突變）：遺傳物質(zhì)改變，導(dǎo)致表型改變特點：遺傳性、群體中極少數(shù)個體的行為（自發(fā)突變頻率通常為10-6-10-9）當(dāng)前第6頁\共有85頁\編于星期五\22點6微生物是遺傳學(xué)研究中的明星：微生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)簡單，營養(yǎng)體一般為單倍體，方便建立純系。很多常見微生物都易于人工培養(yǎng)，快速、大量生長繁殖。對環(huán)境因素的作用敏感，易于獲得各類突變株，操作性強(qiáng)。當(dāng)前第7頁\共有85頁\編于星期五\22點7第一節(jié)遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)一、DNA作為遺傳物質(zhì)二、RNA作為遺傳物質(zhì)三、朊病毒的發(fā)現(xiàn)與思考當(dāng)前第8頁\共有85頁\編于星期五\22點81928年，Griffith進(jìn)行了以下幾組實驗：（1）動物實驗

對小鼠注射活R菌或死S菌————小鼠存活

對小鼠注射活S菌————————小鼠死亡

對小鼠注射活R菌和熱死S菌———小鼠死亡抽取心血分離活的S菌

（一）轉(zhuǎn)化實驗（transformation）：F.Griffith，研究對象：Streptococcuspneumoniae（肺炎雙球菌）S型菌株：有致病性，菌落表面光滑，有莢膜R型菌株：無致病性，菌落表面粗糙，無莢膜一DNA作為遺傳物質(zhì)當(dāng)前第9頁\共有85頁\編于星期五\22點9（2）細(xì)菌培養(yǎng)實驗

熱死S菌—————不生長

活R菌—————長出R菌

熱死S菌+活R菌—————長出大量R菌和10-6S菌（3）S型菌的無細(xì)胞抽提液試驗

活R菌+S菌無細(xì)胞抽提液————長出大量R菌和少量S菌以上實驗說明：加熱殺死的S型細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)可能存在一種轉(zhuǎn)化物質(zhì)，它能通過某種方式進(jìn)入R型細(xì)胞并使R型細(xì)胞獲得穩(wěn)定的遺傳性狀當(dāng)前第10頁\共有85頁\編于星期五\22點10一、DNA作為遺傳物質(zhì)第一節(jié)遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)當(dāng)前第11頁\共有85頁\編于星期五\22點11①加S菌DNA②加S菌DNA及DNA酶以外的酶③加S菌的DNA和DNA酶④加S菌的RNA⑤加S菌的蛋白質(zhì)⑥加S菌的莢膜多糖活R菌長出S菌只有R菌和M.McCarty從熱死S型S.pneumoniae中提純了可能作為轉(zhuǎn)化因子的各種成分，在離體條件下進(jìn)行了轉(zhuǎn)化試驗：Avery等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(xì)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)化因子當(dāng)前第12頁\共有85頁\編于星期五\22點12（二）噬菌體感染實驗A.D.Hershey和M.Chase，1952年（1）含32P-DNA的一組：放射性85%在沉淀中（2）含35S-蛋白質(zhì)的一組：放射性75%在上清液中所以，進(jìn)入細(xì)胞的是噬菌體的核酸而不是蛋白質(zhì)。當(dāng)前第13頁\共有85頁\編于星期五\22點13第一節(jié)遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)T2噬菌體感染實驗（1952年）當(dāng)前第14頁\共有85頁\編于星期五\22點14TMVHR第一節(jié)遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)二、RNA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)病毒拆開重建實驗當(dāng)前第15頁\共有85頁\編于星期五\22點15第一節(jié)遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)三、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。當(dāng)前第16頁\共有85頁\編于星期五\22點16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)當(dāng)前第17頁\共有85頁\編于星期五\22點17引起人與動物的致死性中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病當(dāng)前第18頁\共有85頁\編于星期五\22點18Prusiner(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榮獲諾貝爾獎當(dāng)前第19頁\共有85頁\編于星期五\22點19第一節(jié)遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)三、朊病毒的發(fā)現(xiàn)與思考1）蛋白質(zhì)是否可以作為遺傳物質(zhì)？prion是生命的一個特例？還是僅僅為表達(dá)調(diào)控的一種形式？2）蛋白質(zhì)折疊與功能的關(guān)系，是否存在折疊密碼？DNA→RNA→肽鏈→蛋白質(zhì)當(dāng)前第20頁\共有85頁\編于星期五\22點20第二節(jié)微生物的基因組結(jié)構(gòu)一、概念基因組（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(xì)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。有時為雙倍體當(dāng)前第21頁\共有85頁\編于星期五\22點21第二節(jié)微生物的基因組結(jié)構(gòu)二、微生物與人類基因組計劃人類基因組計劃（HumanGenomeProject）1985年提出；1990年正式開始實施；2001年2月，測序工作完成；后基因組時代（PostgenomeEra）當(dāng)前第22頁\共有85頁\編于星期五\22點22第二節(jié)微生物的基因組結(jié)構(gòu)二、微生物與人類基因組計劃微生物基因組測序工作是在人類基因組計劃的促進(jìn)下開始的，最開始是作為模式生物，后來不斷發(fā)展，已成為研究微生物學(xué)的最有力的手段。截止到2001年4月：

43種微生物完成了全基因組測序；100多個正在進(jìn)行之中；當(dāng)前第23頁\共有85頁\編于星期五\22點23第二節(jié)微生物的基因組結(jié)構(gòu)二、微生物與人類基因組計劃被選擇進(jìn)行全基因組測序的微生物：1、人類基因組計劃中的模式生物a）從技術(shù)上從低等入手，建立技術(shù)、積累經(jīng)驗。通過對基因組結(jié)構(gòu)相對簡單生物，特別是微生物基因組的測序，對大規(guī)模測序的策略及技術(shù)進(jìn)行檢驗，積累經(jīng)驗；b）理論上利用基因組在進(jìn)化上的連續(xù)性進(jìn)行比較研究通過對不同進(jìn)化程度的基因組的分析、比較揭示更多的基本生物學(xué)信息。通過研究較為簡單的基因組而解答復(fù)雜的人類基因組問題，當(dāng)前第24頁\共有85頁\編于星期五\22點24第二節(jié)微生物的基因組結(jié)構(gòu)二、微生物與人類基因組計劃被選擇進(jìn)行全基因組測序的微生物：1、人類基因組計劃中的模式生物2、與人類生活關(guān)系密切的微生物重要的致病菌及一些工業(yè)生產(chǎn)菌3、對闡明生物學(xué)基本問題有價值的微生物例如一些古生菌：如Methanococcusjannaschii(詹氏甲烷球菌)等，它們是微生物世界多樣性的代表，它們的序列比較有助于找出其進(jìn)化關(guān)系。當(dāng)前第25頁\共有85頁\編于星期五\22點25第二節(jié)微生物的基因組結(jié)構(gòu)三、微生物基因組結(jié)構(gòu)的特點1、原核生物（細(xì)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(xì)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(xì)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)。例外：布氏疏螺旋體(Borreliaburgdorferi)的染色體是線狀的當(dāng)前第26頁\共有85頁\編于星期五\22點26第二節(jié)微生物的基因組結(jié)構(gòu)三、微生物基因組結(jié)構(gòu)的特點1、原核生物（細(xì)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）；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)參見表8-1（通常以1000bp～1500bp為一個基因進(jìn)行計算）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(xì)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)含子或間插序列當(dāng)前第27頁\共有85頁\編于星期五\22點27第二節(jié)微生物的基因組結(jié)構(gòu)三、微生物基因組結(jié)構(gòu)的特點1、原核生物（細(xì)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）；2）基因組上遺傳信息具有連續(xù)性；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(xì)菌。但是信息傳遞系統(tǒng)(復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯)則與細(xì)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。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。當(dāng)前第28頁\共有85頁\編于星期五\22點28第二節(jié)微生物的基因組結(jié)構(gòu)三、微生物基因組結(jié)構(gòu)的特點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；當(dāng)前第29頁\共有85頁\編于星期五\22點29第三節(jié)質(zhì)粒和轉(zhuǎn)座因子質(zhì)粒（plasmid）：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。轉(zhuǎn)座因子（transposableelement）：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。質(zhì)粒和轉(zhuǎn)座因子是細(xì)胞中除染色體以外的另外二類遺傳因子當(dāng)前第30頁\共有85頁\編于星期五\22點30第三節(jié)質(zhì)粒和轉(zhuǎn)座因子一、質(zhì)粒的分子結(jié)構(gòu)1、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(xì)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(xì)菌質(zhì)粒多在10kb以內(nèi)）當(dāng)前第31頁\共有85頁\編于星期五\22點31第三節(jié)質(zhì)粒和轉(zhuǎn)座因子一、質(zhì)粒的分子結(jié)構(gòu)2、質(zhì)粒的檢測提取所有胞內(nèi)DNA后電鏡觀察；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(jìn)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。當(dāng)前第32頁\共有85頁\編于星期五\22點32第三節(jié)質(zhì)粒和轉(zhuǎn)座因子二、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(xì)胞以特殊的機(jī)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?xì)胞一般是非必需的；當(dāng)前第33頁\共有85頁\編于星期五\22點33第三節(jié)質(zhì)粒和轉(zhuǎn)座因子二、質(zhì)粒的主要類型質(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(xì)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）當(dāng)前第34頁\共有85頁\編于星期五\22點34第三節(jié)質(zhì)粒和轉(zhuǎn)座因子二、質(zhì)粒的主要類型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(dāng)于雄性），無F質(zhì)粒的菌株稱為F-菌株（相當(dāng)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(xì)胞中，所以又稱之為附加體(episome)。有關(guān)內(nèi)容在講細(xì)菌的接合作用（conjugation）時具體介紹當(dāng)前第35頁\共有85頁\編于星期五\22點35第三節(jié)質(zhì)粒和轉(zhuǎn)座因子二、質(zhì)粒的主要類型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(fù)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(xì)菌間的傳遞是細(xì)菌產(chǎn)生抗藥性的重要原因之一。當(dāng)前第36頁\共有85頁\編于星期五\22點36第三節(jié)質(zhì)粒和轉(zhuǎn)座因子二、質(zhì)粒的主要類型3、產(chǎn)細(xì)菌素的質(zhì)粒（Bacteriocinproductionplasmid）細(xì)菌素結(jié)構(gòu)基因、涉及細(xì)菌素運(yùn)輸及發(fā)揮作用（processing）的蛋白質(zhì)的基因、賦予宿主對該細(xì)菌素具有“免疫力”的相關(guān)產(chǎn)物的基因一般都位于質(zhì)?；蜣D(zhuǎn)座子上，因此，細(xì)菌素可以殺死同種但不攜帶該質(zhì)粒的菌株。當(dāng)前第37頁\共有85頁\編于星期五\22點37第三節(jié)質(zhì)粒和轉(zhuǎn)座因子二、質(zhì)粒的主要類型3、產(chǎn)細(xì)菌素的質(zhì)粒（Bacteriocinproductionplasmid）細(xì)菌素一般根據(jù)產(chǎn)生菌的種類進(jìn)行命名：大腸桿菌（E.coli）產(chǎn)生的細(xì)菌素為colicins（大腸桿菌素），而質(zhì)粒被稱為Col質(zhì)粒。由G+細(xì)菌產(chǎn)生的細(xì)菌素或與細(xì)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(xì)菌產(chǎn)生的細(xì)菌素NisinA能強(qiáng)烈抑制某些G+細(xì)菌的生長，而被用于食品工業(yè)的保藏。當(dāng)前第38頁\共有85頁\編于星期五\22點38第三節(jié)質(zhì)粒和轉(zhuǎn)座因子二、質(zhì)粒的主要類型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當(dāng)前第39頁\共有85頁\編于星期五\22點39第三節(jié)質(zhì)粒和轉(zhuǎn)座因子二、質(zhì)粒的主要類型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(jìn)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(jī)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(hù)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：當(dāng)前第40頁\共有85頁\編于星期五\22點40第三節(jié)質(zhì)粒和轉(zhuǎn)座因子二、質(zhì)粒的主要類型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(xì)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）當(dāng)前第41頁\共有85頁\編于星期五\22點41第三節(jié)質(zhì)粒和轉(zhuǎn)座因子二、質(zhì)粒的主要類型高拷貝數(shù)(highcopynumber)質(zhì)粒（每個宿主細(xì)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(xì)胞中可以有1-4個拷貝）

———————嚴(yán)謹(jǐn)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(xì)胞中復(fù)制）廣宿主范圍質(zhì)粒(broadhostrangeplasmid)（可以在許多種細(xì)菌中復(fù)制）當(dāng)前第42頁\共有85頁\編于星期五\22點42第三節(jié)質(zhì)粒和轉(zhuǎn)座因子三、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)。當(dāng)前第43頁\共有85頁\編于星期五\22點43第三節(jié)質(zhì)粒和轉(zhuǎn)座因子四、轉(zhuǎn)座因子的類型和分子結(jié)構(gòu)五、轉(zhuǎn)座的遺傳學(xué)效應(yīng)當(dāng)前第44頁\共有85頁\編于星期五\22點44第四節(jié)基因突變及修復(fù)一個基因內(nèi)部遺傳結(jié)構(gòu)或DNA序列的任何改變基因突變：當(dāng)前第45頁\共有85頁\編于星期五\22點45第四節(jié)基因突變及修復(fù)一個基因內(nèi)部遺傳結(jié)構(gòu)或DNA序列的任何改變基因突變：基因突變是重要的生物學(xué)現(xiàn)象，它是一切生物變化的根源，連同基因轉(zhuǎn)移、重組一起提供了推動生物進(jìn)化的遺傳多變性。基因突變DNA損傷修復(fù)機(jī)制突變自發(fā)突變誘變環(huán)境因素的影響，DNA復(fù)制過程的偶然錯誤等而導(dǎo)致，一般頻率較低，通常為10-6-10-9。某些物理、化學(xué)因素對生物體的DNA進(jìn)行直接作用，突變以較高的頻率產(chǎn)生。前者可以通過DNA復(fù)制而成為真正的突變，也可以重新變?yōu)樵瓉淼慕Y(jié)構(gòu)，這取決于修復(fù)作用和其它多種因素。當(dāng)前第46頁\共有85頁\編于星期五\22點461、特點1）非對應(yīng)性2）稀有性3）規(guī)律性4）獨(dú)立性5）遺傳和回復(fù)性6）可誘變性第四節(jié)基因突變及修復(fù)一、基因突變的特點當(dāng)前第47頁\共有85頁\編于星期五\22點47證明突變的性狀與引起突變的原因間無直接對應(yīng)關(guān)系！如何證明基因突變的非對應(yīng)性？三個經(jīng)典實驗變量實驗、涂布實驗、影印實驗一、基因突變的特點2、實驗證據(jù)當(dāng)前第48頁\共有85頁\編于星期五\22點48變量實驗（fluctuationanalysis）SalvadorLuriaandMaxDelbruck（1943）SalvadorLuriaMaxDelbruckTheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1969當(dāng)前第49頁\共有85頁\編于星期五\22點49Newcombe的涂布實驗（1949）當(dāng)前第50頁\共有85頁\編于星期五\22點50影印實驗（replicaplating）JoshuaLederbergandEstherLederberg（1952）JoshuaLederbergJ.LederbergisawardedtheNoblePrizeinMedicineandPhysiologyin1958當(dāng)前第51頁\共有85頁\編于星期五\22點51突變真的與選擇壓力無關(guān)嗎？適應(yīng)性突變（adaptivemutability）和高頻突變（hypermutation）BensonS.Adaptivemutation:ageneralphenomenonorspecialcase?Bioessays.1997Jan;19(1):9-11.Review.GalitskiT,RothJR.

Asearchforageneralphenomenonofadaptivemutability.Genetics.1996Jun;143(2):645-59.DanI.Andersson,E.SusanSlechta,andJohnR.RothEvidenceThatGeneAmplificationUnderliesAdaptiveMutabilityoftheBacteriallacOperon。Science1998November6;282:1133-1135.

GodoyVG,FoxMS.

Transposonstabilityandaroleforconjugationaltransferinadaptivemutability.ProcNatlAcadSciUSA.2000Jun20;97(13):7393-8.BullHJ,McKenzieGJ,HastingsPJ,RosenbergSM.Evidencethatstationary-phasehypermutationintheEscherichiacolichromosomeispromotedbyrecombination.Genetics.2000Apr;154(4):1427-37.當(dāng)前第52頁\共有85頁\編于星期五\22點52點突變：堿基置換轉(zhuǎn)換：嘧啶嘧啶；嘌呤嘌呤TCAG顛換：嘧啶嘌呤；嘌呤嘧啶ATACGTGC第四節(jié)基因突變及修復(fù)二、常見的微生物突變類型移碼突變?nèi)笔В篈BCABABCABC插入：ABCABCADBC畸變：缺失：abchijk添加：重復(fù)：abcabcdefghi插入：abcpqrdefghi易位：abcpqrstdefghi

倒位：abcfedghi當(dāng)前第53頁\共有85頁\編于星期五\22點53第四節(jié)基因突變及修復(fù)二、常見的微生物突變類型表型基因型這里主要介紹幾種常用的由于基因突變而造成微生物表型變化的突變型及其分離當(dāng)前第54頁\共有85頁\編于星期五\22點54第四節(jié)基因突變及修復(fù)二、常見的微生物突變類型1）營養(yǎng)缺陷型（auxotroph）一種缺乏合成其生存所必須的營養(yǎng)物（包括氨基酸、維生素、堿基等）的突變型，只有從周圍環(huán)境或培養(yǎng)基中獲得這些營養(yǎng)或其前體物（precursor）才能生長。營養(yǎng)缺陷型是微生物遺傳學(xué)研究中重要的選擇標(biāo)記和育種的重要手段表型判斷的標(biāo)準(zhǔn)：在基本培養(yǎng)基上能否生長當(dāng)前第55頁\共有85頁\編于星期五\22點55第四節(jié)基因突變及修復(fù)二、常見的微生物突變類型1）營養(yǎng)缺陷型（auxotroph）特點：在選擇培養(yǎng)基（一般為基本培養(yǎng)基）上不生長負(fù)選擇標(biāo)記突變株不能通過選擇平板直接獲得當(dāng)前第56頁\共有85頁\編于星期五\22點561）營養(yǎng)缺陷型（auxotroph）影印平板（Replicaplating）法是Lederberg夫婦在1952年建立當(dāng)前第57頁\共有85頁\編于星期五\22點57第四節(jié)基因突變及修復(fù)二、常見的微生物突變類型營養(yǎng)缺陷型的表示方法：1）營養(yǎng)缺陷型（auxotroph）基因型：所需營養(yǎng)物的前三個英文小寫斜體字母表示：hisC（組氨酸缺陷型，其中的大寫字母C同一表型中不同基因的突變）表型：同上，但第一個字母大寫，且不用斜體：HisC在具體使用時多用hisC-和hisC+，分別表示缺陷型和野生型。當(dāng)前第58頁\共有85頁\編于星期五\22點58第四節(jié)基因突變及修復(fù)二、常見的微生物突變類型2）抗藥性突變型（resistantmutant）基因突變使菌株對某種或某幾種藥物，特別是抗生素，產(chǎn)生抗性。特點：正選擇標(biāo)記（突變株可直接從抗性平板上獲得-----在加有相應(yīng)抗生素的平板上，只有抗性突變能生長。所以很容易分離得到。）表示方法：所抗藥物的前三個小寫斜體英文字母加上“r”表示strr和strs分別表示對鏈霉素的抗性和敏感性當(dāng)前第59頁\共有85頁\編于星期五\22點59第四節(jié)基因突變及修復(fù)二、常見的微生物突變類型3）條件致死突變型（conditionallethalmutant）

在某一條件下具有致死效應(yīng)，而在另一條件下沒有致死效應(yīng)的突變型。常用的條件致死突變是溫度敏感突變，用ts（temperaturesensitive）表示，這類突變在高溫下（如42℃）是致死的，但可以在低溫（如25-30℃）下得到這種突變。特點：負(fù)選擇標(biāo)記這類突變型常被用來分離生長繁殖必需的突變基因當(dāng)前第60頁\共有85頁\編于星期五\22點60第四節(jié)基因突變及修復(fù)二、常見的微生物突變類型4）形態(tài)突變型（morphologicalmutant）造成形態(tài)改變的突變型特點：非選擇性突變突變株和野生型菌株均可生長，但可從形態(tài)特征上進(jìn)行區(qū)分。舉例：產(chǎn)蛋白酶缺陷突變株的篩選菌落顏色變化β半乳糖苷酶基因的插入失活，使重組子菌落為白色而與蘭色的非重組子分開。形成芽孢缺陷菌株細(xì)胞水平上的形態(tài)突變，突變株的檢出更加困難。當(dāng)前第61頁\共有85頁\編于星期五\22點61第四節(jié)基因突變及修復(fù)二、常見的微生物突變類型5）其它突變類型毒力、生產(chǎn)某種代謝產(chǎn)物的發(fā)酵能力的變化等在實際應(yīng)用中具有重要意義，突變類型一般都不具有很明顯或可直接檢測到的表型。其突變株的獲得往往需要較大的工作量。當(dāng)前第62頁\共有85頁\編于星期五\22點62第四節(jié)基因突變及修復(fù)三、誘變劑與致癌物質(zhì)——Ames試驗a）利用各種誘變劑獲得各類遺傳突變，進(jìn)行誘變育種；c）危害人類自身的健康b）對有害微生物進(jìn)行控制；很多種化學(xué)物質(zhì)，能以各種機(jī)制導(dǎo)致DNA的突變當(dāng)前第63頁\共有85頁\編于星期五\22點63“生物化學(xué)統(tǒng)一性”法則：人和細(xì)菌在DNA的結(jié)構(gòu)及特性方面是一致的，能使微生物發(fā)生突變的誘變劑必然也會作用于人的DNA，使其發(fā)生突變，最后造成癌變或其他不良的后果。當(dāng)前第64頁\共有85頁\編于星期五\22點64誘變劑的共性原則：化學(xué)藥劑對細(xì)菌的誘變率與其對動物的致癌性成正比

超過95%的致癌物質(zhì)對微生物有誘變作用90%以上的非致癌物質(zhì)對微生物沒有誘變作用當(dāng)前第65頁\共有85頁\編于星期五\22點65回復(fù)突變(reversemutation或backmutation)：突變體失去的野生型性狀，可以通過第二次突變得到恢復(fù)，這種第二次突變稱為回復(fù)突變美國加利福尼亞大學(xué)的BruceAmes教授于1966年發(fā)明，因此稱為Ames試驗具體操作：檢測鼠傷寒沙門氏菌(Salmonellatyphmurium)組氨酸營養(yǎng)缺陷型菌株(his-)的回復(fù)突變率當(dāng)前第66頁\共有85頁\編于星期五\22點66Ames試驗當(dāng)前第67頁\共有85頁\編于星期五\22點67證明Ames試驗重要性的應(yīng)用實例：國外曾開發(fā)了一種降低婦女妊娠反應(yīng)的藥物“反應(yīng)停”，由于其藥效顯著，在60-70年代十分流行，但隨后人們就發(fā)現(xiàn)畸形兒的出生率明顯增高，而且生產(chǎn)畸形兒的婦女大多曾服用“反應(yīng)停”，后來采用Ames試驗發(fā)現(xiàn)這種物質(zhì)的確具有很強(qiáng)的致突變作用，因此這種藥物被禁止使用但如果能在這種藥物上市之前就進(jìn)行Ames試驗檢測，那么這種大量出生畸形兒的悲劇完全可以避免，當(dāng)前第68頁\共有85頁\編于星期五\22點68第四節(jié)基因突變及修復(fù)三、誘變劑與致癌物質(zhì)——Ames試驗由于生物體內(nèi)、體外可能存在的差異，可在體外加入哺乳動物（如大鼠）微粒體酶系統(tǒng)，使待測物活化，使Ames試驗的準(zhǔn)確率達(dá)80-90%。當(dāng)前第69頁\共有85頁\編于星期五\22點69第五節(jié)微生物的基因重組

基因重組——將兩個不同性狀個體細(xì)胞內(nèi)的基因轉(zhuǎn)移到一起，經(jīng)過遺傳分子間的重新組合，形成新遺傳個體的方式。也稱遺傳重組。原核微生物遺傳重組方式轉(zhuǎn)化作用轉(zhuǎn)導(dǎo)作用接合作用原生質(zhì)體融合真核微生物遺傳重組方式有性生殖準(zhǔn)性生殖原生質(zhì)體融合基因重組在細(xì)胞水平上的反應(yīng)當(dāng)前第70頁\共有85頁\編于星期五\22點701.原核微生物遺傳重組方式強(qiáng)調(diào)：缺乏有性系統(tǒng)，基因重組時，兩個親本細(xì)胞并不提供等量的遺傳信息給其子代，只是交換小部分遺傳信息。

供體——提供DNA的細(xì)菌細(xì)胞。受體——獲得DNA的細(xì)菌細(xì)胞。（1）轉(zhuǎn)化——受體細(xì)胞直接吸收來自供體細(xì)胞的DNA片段或質(zhì)粒DNA片段，并把它組合到自己的基因組中，從而獲得供體細(xì)胞部分遺傳性狀的現(xiàn)象。轉(zhuǎn)化子——含有供體DNA受體菌。三個階段：

感受態(tài)階段：受體菌成為易接受DNA片段的生理狀態(tài)。

DNA的結(jié)合和吸收雙鏈DNA片段與感受態(tài)細(xì)菌細(xì)胞表面的特定位點結(jié)合DNA分子的一條鏈被降解，另一條鏈進(jìn)入受體細(xì)胞。DNA的整合同源區(qū)段配對受體DNA的相應(yīng)單鏈片段被切割、降解供體DNA整合，形成雜合DNA片段，復(fù)制、分離。當(dāng)前第71頁\共有85頁\編于星期五\22點71轉(zhuǎn)化過程示意圖當(dāng)前第72頁\共有85頁\編于星期五\22點72（2）轉(zhuǎn)導(dǎo)作用——供體細(xì)胞的DNA通過噬菌體作為中間載體轉(zhuǎn)移至受體細(xì)胞中，通過交換、整合，從而獲得供體細(xì)胞部分遺傳性狀的現(xiàn)象。是利用溫和性噬菌體和溶源細(xì)胞的特性來進(jìn)行的。類型：

普遍轉(zhuǎn)導(dǎo)——通過完全缺陷噬菌體噬菌體把供體菌的任何DNA小片段攜帶到受體菌中，而實現(xiàn)其遺傳性狀傳遞的轉(zhuǎn)導(dǎo)現(xiàn)象。

完全缺陷噬菌體的獲得：噬菌體侵染供體菌，在其體內(nèi)復(fù)制增殖時，并不降解宿主DNA，而使宿主的染色體DNA斷裂。噬菌體裝配成熟時，極少數(shù)噬菌體衣殼包裝一小段供體菌DNA片段，即“誤包”，形成了一個完全不含噬菌體自身DNA的假噬菌體，即為完全缺陷噬菌體噬菌體。

特異轉(zhuǎn)導(dǎo)——通過部分缺陷的溫和性噬菌體把供體菌的少數(shù)特定基因攜帶到受體菌中，并獲得表達(dá)的轉(zhuǎn)導(dǎo)現(xiàn)象。當(dāng)前第73頁\共有85頁\編于星期五\22點73轉(zhuǎn)導(dǎo)示意圖當(dāng)前第74頁\共有85頁\編于星期五\22點74接合轉(zhuǎn)移——兩種細(xì)菌細(xì)胞通過性菌毛直接接觸將DNA從一種細(xì)菌轉(zhuǎn)移到另一種細(xì)菌的現(xiàn)象。強(qiáng)調(diào)：供體菌和受體菌都是完整的細(xì)胞

直接對接研究最清楚的是E.coli，決定其性別的是一種質(zhì)?！狥因子。根據(jù)F因子在細(xì)胞中的有無及存在方式的不同，分為四種接合類型：F+菌株：細(xì)胞中存在游離狀態(tài)的F因子，有相應(yīng)的性菌毛。F-菌株：細(xì)胞中無F因子，無性菌毛。Hfr菌株：F因子以整合狀態(tài)存在于核染色體DNA的特定位點上Hfr菌株與F-菌株接合后，發(fā)生的重組頻率要比F+菌株與F-菌株的重組頻率高出數(shù)百倍，故又名高頻重組菌株。F’菌株：當(dāng)Hfr菌株內(nèi)的F因子不正常切離而脫離染色體時，形成了游離的但

攜帶了一小段染色體基因的F因子。當(dāng)前第75頁\共有85頁\編于星期五\22點75當(dāng)前第76頁\共有85頁\編于星期五\22點76與F+菌株接合分離或消除與核染色體DNA整合正常切離不正常切離分離或消除與F’接合

F-菌株F+菌株Hfr菌株F’菌株F因子的存在方式與相互關(guān)系當(dāng)前第77頁\共有85頁\編于星期五\22點772.

真核微生物遺傳重組方式

有性生殖——兩個性細(xì)胞結(jié)合后形成新個體的繁殖方式。經(jīng)歷了質(zhì)配、核配和減數(shù)分裂三個過程。準(zhǔn)性生殖——是一些半知菌亞門真菌所特有的類似于有性生殖，但比有性生殖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(xì)胞經(jīng)質(zhì)配、核配，但不通過減數(shù)分裂而導(dǎo)致低頻率基因重組。三個階段：異核體的形成：兩個體細(xì)胞接合形成雙相異核體二倍體化：即核配，核融合，形成二倍體雜合子。體細(xì)胞交換和單倍體化：雜合的二倍體有絲分裂過程中，染色體可以進(jìn)行部分基因的