微生物遺傳-6-細(xì)菌基因轉(zhuǎn)移

第二章

原核和真核微生物的遺傳主要內(nèi)容細(xì)菌基因轉(zhuǎn)移和基因重組放線菌遺傳酵母遺傳絲狀真菌遺傳細(xì)菌的基因轉(zhuǎn)移和基因重組1.1細(xì)菌基因組

1.1.1概況（大腸桿菌K-12）基因組大?。?.6Mbp?；蚪M中87.8%的DNA編碼蛋白質(zhì)，0.8%編碼RNA，0.7%是非編碼的重復(fù)序列，約11%參與調(diào)解和其它功能。共有4288個(gè)基因，基因的平均長(zhǎng)度951bp，4500-5100bp：4個(gè)，3000-4500bp：51個(gè)，381個(gè)基因長(zhǎng)度小于300bp，最大基因7149bp。1.1.2編碼蛋白質(zhì)的基因操縱子轉(zhuǎn)錄單元是由啟動(dòng)子、結(jié)構(gòu)基因及其終止子組成的一段DNA序列，如果功能上相關(guān)的幾個(gè)結(jié)構(gòu)基因前后相連，利用一個(gè)共同的啟動(dòng)子和終止子，這種單元被稱為操縱子。E.coliK-12共有2584個(gè)轉(zhuǎn)錄單元1個(gè)基因：2192個(gè)（73%）兩個(gè)基因：16.6%3個(gè)基因：4.6%4個(gè)以上基因：6%1.1.3其它序列rRNA基因：一般一個(gè)轉(zhuǎn)錄單元含有三個(gè)rRNA基因（5SrDNA,16SrDNA,23SrDNA）tRNA基因：以基因簇的形式存在，簇集在復(fù)制起點(diǎn)附近重復(fù)序列：Rhs（5.7-9.6kb,5個(gè)）,REP,ERIC,Chi等插入序列和轉(zhuǎn)座子噬菌體1.2質(zhì)粒（plasmid）一般指存在于細(xì)菌、真菌等微生物細(xì)胞中，獨(dú)立于染色體外、能進(jìn)行自我復(fù)制的遺傳因子。通常是共價(jià)、閉合、環(huán)狀雙鏈DNA。大?。?-1000Kb。也存在線狀DNA質(zhì)粒和RNA質(zhì)粒。質(zhì)粒的命名原則一般由三個(gè)英文字母及其編號(hào)組成第一個(gè)字母一律用小寫p表示，后兩個(gè)字母大寫，編號(hào)是阿拉伯?dāng)?shù)字質(zhì)粒編碼的遺傳表型致育質(zhì)粒（F因子）抗藥性質(zhì)粒（R質(zhì)粒）能使宿主微生物對(duì)抗生素、化學(xué)藥物或重金屬離子等殺菌劑表現(xiàn)出抗性。產(chǎn)生抗生素（SCP1）和細(xì)菌素的質(zhì)粒（Col）產(chǎn)生毒素的質(zhì)粒降解質(zhì)粒致病性質(zhì)粒、共生固氮質(zhì)粒隱蔽質(zhì)粒質(zhì)粒的拷貝數(shù)一般來說，拷貝數(shù)與分子量成反比；嚴(yán)緊性質(zhì)粒（小于10）和松弛性質(zhì)粒（10-100）質(zhì)粒之間的不相容性指親緣關(guān)系相近的兩種質(zhì)粒，在非選擇性條件下常不能穩(wěn)定地存在于同一個(gè)細(xì)胞中，經(jīng)過若干代的培養(yǎng)，只含有同一種質(zhì)粒的細(xì)胞越來越多，含兩種質(zhì)粒的細(xì)胞相對(duì)減少。與質(zhì)粒復(fù)制起始控制密切相關(guān)質(zhì)粒的不穩(wěn)定性包括分離的不穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性穩(wěn)定的遺傳至少滿足二個(gè)條件每個(gè)世代至少發(fā)生一次復(fù)制細(xì)胞分裂時(shí)要平均分配到兩個(gè)子細(xì)胞中主動(dòng)分配（par區(qū)）一般包括編碼反式作用因子的基因和順式元件的序列（類著絲粒）隨機(jī)分配（無par區(qū)）需保持選擇壓力1.3基因轉(zhuǎn)移的種類和特點(diǎn)

4種形式：1）轉(zhuǎn)化2）轉(zhuǎn)導(dǎo)：由噬菌體介導(dǎo)3）接合：由F因子介導(dǎo)4）原生質(zhì)體融合特點(diǎn)：1）片段性2）單向性3）基因轉(zhuǎn)移機(jī)制多樣1.3.1F因子（Fertilityfactor）和轉(zhuǎn)化F因子是一種質(zhì)粒（plasmid），由共價(jià)環(huán)狀閉合DNA雙鏈構(gòu)成，全長(zhǎng)94.5Kb，主要分為三個(gè)區(qū)域：1、重組區(qū)；2、自主復(fù)制區(qū)；3、轉(zhuǎn)移區(qū)。這是最早發(fā)現(xiàn)的一種質(zhì)粒。F因子編碼在細(xì)菌表面產(chǎn)生性菌毛。F因子的特性為可以促進(jìn)供體菌向受體菌傳遞染色體DNA或質(zhì)粒。F因子決定編碼的性菌毛可在供體與受體菌間形成交通通連接結(jié)構(gòu)，從而可使兩個(gè)雜交細(xì)菌間形成胞漿內(nèi)連接橋。F因子的四種細(xì)胞形式a）F-菌株，不含F(xiàn)因子，沒有性菌毛，但可以通過接合作用接收F因子而變成雄性菌株（F+）；b）F+菌株，F(xiàn)因子獨(dú)立存在，細(xì)胞表面有性菌毛。c）Hfr菌株，F(xiàn)因子插入到染色體DNA上，細(xì)胞表面有性菌毛。d）F′菌株，Hfr菌株內(nèi)的F因子因不正常切割而脫離染色體時(shí)，形成游離的但攜帶一小段染色體基因的F因子，特稱為F′因子。細(xì)胞表面同樣有性菌毛。Hfr菌株的F因子插入到染色體DNA上，因此只要發(fā)生接合轉(zhuǎn)移過程，就可以把部分甚至全部細(xì)菌染色體傳遞給F-細(xì)胞并發(fā)生重組，由此而得名為高頻重組菌株（能十分有效地轉(zhuǎn)移細(xì)菌基因）。2）Hfr×F-雜交F-

Hfr菌株仍然保持著F+細(xì)胞的特征，具有F性菌毛，并象F+一樣與F-細(xì)胞進(jìn)行接合。所不同的是，當(dāng)OriT序列被缺刻螺旋酶識(shí)別而產(chǎn)生缺口后，F(xiàn)因子的先導(dǎo)區(qū)(leadingregion)結(jié)合著染色體DNA向受體細(xì)胞轉(zhuǎn)移，F(xiàn)因子除先導(dǎo)區(qū)以外，其余絕大部分是處于轉(zhuǎn)移染色體的末端，由于轉(zhuǎn)移過程常被中斷，因此F因子不易轉(zhuǎn)入受體細(xì)胞中，故Hfr×F-雜交后的受體細(xì)胞大多數(shù)仍然是F-（即不能使受體菌變成供體）。染色體上越靠近F因子的先導(dǎo)區(qū)的基因，進(jìn)入的機(jī)會(huì)就越多，在F-中出現(xiàn)重組子的的時(shí)間就越早，頻率也高。中斷雜交（interruptedmating）技術(shù)和基因定位利用Hfr×F-的接合過程，在不同時(shí)間取樣，并把樣品猛烈攪拌以分散接合中的細(xì)菌，然后分析受體細(xì)菌基因型，以時(shí)間(分鐘)為單位繪制遺傳圖譜，該圖譜是細(xì)菌染色體上基因順序的直接反映。圖9.27不同Hfr菌株的形成方式，以不同的起點(diǎn)不同的順序轉(zhuǎn)移基因。（a）細(xì)菌染色體為環(huán)狀，可以不同的IS位點(diǎn)打開，F(xiàn)質(zhì)粒插入進(jìn)去。（b）Hfr菌株的部分基因順序。大腸桿菌基因組很大（全部轉(zhuǎn)移需要100分鐘），其遺傳圖譜須用多株F因子整合在不同位置的Hfr菌才能完成三親結(jié)合轉(zhuǎn)移供體基因攜帶菌輔助質(zhì)粒攜帶菌受體菌1.3.2轉(zhuǎn)導(dǎo)（transduction）由噬菌體介導(dǎo)的細(xì)菌細(xì)胞間進(jìn)行遺傳交換的一種方式，一個(gè)細(xì)胞的DNA通過病毒載體的感染轉(zhuǎn)移到另一個(gè)細(xì)胞中由轉(zhuǎn)導(dǎo)作用而獲得供體細(xì)胞部分遺傳性狀的重組受體細(xì)胞稱為轉(zhuǎn)導(dǎo)子（transductant）

攜帶供體部分遺傳物質(zhì)（DNA片段）的噬菌體稱為轉(zhuǎn)導(dǎo)噬菌體。細(xì)菌轉(zhuǎn)導(dǎo)的二種類型普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)

（generalizedtransduction）定義：通過完全缺陷噬菌體對(duì)供體基因組上的任何DNA片段進(jìn)行“誤包”，而將其遺傳性狀傳遞給受體細(xì)胞的現(xiàn)象。轉(zhuǎn)導(dǎo)模型轉(zhuǎn)導(dǎo)噬菌體為什么“錯(cuò)”將宿主的DNA包裹進(jìn)去?噬菌體的DNA包裝酶也能識(shí)別染色體DNA上類似pac的位點(diǎn)并進(jìn)行切割，以“headful”的包裝機(jī)制包裝進(jìn)P22噬菌體外殼，形成只含宿主DNA的轉(zhuǎn)導(dǎo)噬菌體顆粒（假噬菌體）因?yàn)槿旧w上的pac與P22DNA的pac序列不完全相同，利用效率較低，這種“錯(cuò)裝”機(jī)率一般僅約10-6-10-8形成轉(zhuǎn)導(dǎo)顆粒的噬菌體可以是溫和的，也可以是烈性的，但必須具有能偶爾識(shí)別宿主DNA的包裝