微生物學課件：第7章 微生物遺傳

第七章微生物遺傳1

本章提要一、微生物基因組二、質(zhì)粒三、誘變原理與修復機制四、細菌的基因轉移與重組五、真菌的基因重組六、微生物與基因工程2一、微生物基因組基因組：是指在細胞或病毒中存在著一套完整遺傳物質(zhì)的總和。

在真核和原核生物中它以DNA的形式存在；在病毒中以DNA或RNA形式存在。

細菌通常是含一套基因，稱為單倍體，真核生物通常含有二套基因，稱為二倍體。3（一）大腸桿菌基因組大組桿菌基因組：是環(huán)狀雙鏈DNA分子，大小為4.7×106bp，含4288個基因。

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1.擬核大腸桿菌的染色體DNA長度約1100～1400μm

，而細胞的長度約2μm

，所以必須以一定的組織結構壓縮在細胞內(nèi)。大腸桿菌的染色體DNA與類組蛋白和少量RNA結合，形成許多具有獨立超螺旋的突環(huán)，稱為擬核。大腸桿菌以及其他原核細胞基因組就是以這種擬核形式執(zhí)行復制、轉錄、重組等各種功能。56

大腸桿菌染色體DNA高度折疊超螺旋示意圖7細菌擬核的突環(huán)結構8

2.遺傳信息的連續(xù)性絕大多數(shù)原核生物不含內(nèi)含子，說明他們的遺傳信息是連續(xù)的。

3.功能相關的結構基因組成操縱子。

4.基因組的重復序列少而短。

9（二）釀酒酵母基因組

1996年完成了全基因的測序工作，這是第一個完成測序的真核生物基因組。其基因大小為13.5×106bp，含5800個基因，分布在16個不連續(xù)的的染色體中。101.酵母菌的DNA與4種主要的組蛋白結合構成核小體。2.基因組中沒有明顯的操縱子結構。3.基因組中有基因間隔區(qū)或內(nèi)含子序列。4.最顯著特點是基因組中存在高度重復序列。

tRNA基因在每個染色體上共有約250個拷貝，

rRNA基因在Ⅶ染色體上約有100～200個拷貝。11（三）詹氏甲烷球菌的基因組詹氏甲烷球菌（Methanococcusannaschii）屬于古生菌。

1.古生菌的基因組結構類似于細菌：①該菌有1個大小為1.66×106bp的環(huán)形染色體DNA。②功能相關的基因組成操縱子結構。③基本無內(nèi)含子。④無核膜等。122.負責信息傳遞功能的基因（復制、轉錄和翻譯）類似于真核生物：①復制起始因子均類似于真核生物。②轉錄起始系統(tǒng)與真核生物基本一樣。古生菌的RNA聚合酶亞基的組成和序列類似真核生物RNA聚合酶Ⅱ和Ⅲ。啟動子的典形結構也類似真核生物。13③翻譯延伸因子EF-Ia和EF-2和氨酰tRNA合成酶基因也類似真核生物。④古生菌有5個組蛋白基因，其基因產(chǎn)物是組蛋白，古生菌在胞內(nèi)是否會像真核生物一樣組成真正染色體結構？14

二、質(zhì)粒質(zhì)粒是一種獨立于染色體外，能進行自主復制的細胞質(zhì)遺傳因子。（一）質(zhì)粒的分子結構質(zhì)粒通常以共價閉環(huán)（CCC）超螺旋雙鏈DNA存在于細胞中。從細胞分離質(zhì)粒有3種構型：①

CCC型②開環(huán)型，③線型。15（二）質(zhì)粒的主要類型

1.致育因子：稱F因子，與大腸桿菌的接合作用有關，大小約100Kb。

2.抗性因子：稱R因子，主要包括抗藥性和抗金屬兩大類。

3.Col質(zhì)粒：含有編碼大腸桿菌素基因。164.毒性質(zhì)粒：具有編碼毒性基因。例如蘇云金桿菌含有編碼δ內(nèi)毒素（伴孢晶體中）的質(zhì)粒。5.代謝質(zhì)粒：又稱降解質(zhì)粒，攜帶能降解某些基質(zhì)的酶的基因。如假單孢菌含有樟腦質(zhì)粒，辛烷質(zhì)粒等。6.隱秘質(zhì)粒：不顯示仼何表型的質(zhì)粒，如酵母的2μm質(zhì)粒不授與宿主任何表型。17三、誘變原理與修復機制（一）誘變原理在自然條件下發(fā)生突變稱為自發(fā)突變，通常自發(fā)突變頻率是很低的，大約為

10－6～10－10。凡能提高突變率的理化因子稱為誘變劑，常用的誘變劑的作用原理有以下幾類：18

1.堿基類似物堿基類似物在第1次DNA復制時，可取代正常堿基摻入到DNA分子中，并與互補鏈上堿基配對。這些堿基類似物極易發(fā)生互變異構，在第2次DNA復制時，改變與之配對的堿基。在第3次DNA復制時，使堿基對發(fā)生置換，于是基因發(fā)生突變。

19例如5－溴尿嘧啶（Bu）是胸腺嘧啶的類似物。通常以酮式存在，在第1次DNA復制時，可取代T摻入到DNA分子中并與A配對。當它轉變?yōu)橄┐际綍r，在第2次DNA復制時，可與G配對。當?shù)?次復制時，使原來的AT對轉變?yōu)镚C對。205-Bu引起的正向突變和恢復突變機制5-Bu引起的正向突變和恢復突變機制5-Bu引起的正向突變和恢復突變機制5-Bu引起的正向突變和恢復突變機制5-Bu引起的正向突變和恢復突變機制5-Bu引起的正向突變和恢復突變機制

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2.堿基修飾劑

某些誘變劑可與DNA中的堿基發(fā)生化學反應，因而使堿基受到修飾。在DNA復制時，使堿基配對發(fā)生錯誤，因而引起突變。22

例如亞硝酸能脫去堿基上的氨基：

①腺嘌呤脫氨后成為次黃嘌呤（H），DNA復制時它與胞嘧啶配對，而不是與胸腺嘧啶配對，第2次復制時使AT對轉變?yōu)镚C對。

②胞嘧啶脫氨后成為尿嘧啶，DNA復制時它與腺嘌呤配對，而不是與鳥嘌呤配對，第2次復制時使GC對轉變?yōu)锳T對。

③鳥嘌呤脫氨后成為黃嘌呤（X），它仍與胞嘧啶配對，DNA復制后并不引起堿基對置換。233.嵌入染料

一些吖啶類化合物如吖啶橙、吖啶黃、原黃素還有溴化乙錠等染料，它們是一類扁平稠環(huán)分子，可插入到DNA堿基對之間，正好占據(jù)一個堿基對的位置。

在DNA復制時造成新合成的鏈堿基的增加或缺失，結果造成移碼突變。

24嵌入染料引起的移碼突變的可能機制25

4.紫外線紫外線的誘變作用是使DNA同一條鏈上相鄰的兩個胸腺嘧啶形成二聚體，使DNA分子發(fā)生扭曲，因而妨礙堿基的正常配對，從而引起突變。26

5.誘變劑與致癌物的檢測――Ames試驗許多化學誘變劑一般都有致癌作用，它們能引起正向突變，通常也能引起回復突變。

Ames發(fā)明了一種檢測物品中的致癌物的方法，此法已廣泛用于檢測食品、飲料、藥物、飲水等的致癌物的含量。他利用鼠傷寒沙門氏菌的組氨酸缺陷型菌株作為試驗菌株。

27①先將待測物與鼠肝勻漿保溫（使待測物中的前誘劑轉變?yōu)檎T變劑）。②將試驗菌與處理后的待測物置于無組氨酸的基本培養(yǎng)基中培養(yǎng)，可觀察到：若待測物中無致癌物則平板上無菌落生長。若待測物中含有致癌物，具有誘變作用，就可使組氨酸缺陷型菌株轉變?yōu)樵B(yǎng)型菌株，平板就會長出菌落。并可從菌落多少判斷待測物中致癌物含量多少。28（二）DNA損傷的修復機制生物在某些物理和化學誘變劑的作用下，或者在DNA的復制和重組過程中都可能使DNA的結構受到損傷，功能受到破壞，嚴重的甚至出現(xiàn)致突或致死。在長期進化過程中，生物獲得了對DNA損傷的修復功能，大致有以下幾種：291.光復活作用用

微生物經(jīng)紫外線照射后，立即置于可見光之下，可明顯降低其死亡率，稱為光復活作用。光復活機制：①光復活酶可與DNA鏈上的嘧啶二聚體結合并形成復合物。②當可見光激活光復活酶后，可分解嘧啶二聚體，然后酶被釋放出來。30

2.切除修復分兩步完成：①細胞內(nèi)特異酶找到并切除DNA損傷部位。②修復合成并連接。即以完整的DNA鏈為模板在DNA聚合酶I作用下，合成切去部分，再在連接酶作用下將缺口連接，使損傷DNA鏈恢復正常結構。31例如大腸桿菌的ABC切除酶有三種亞基：UvrA、UvrB、UvrC。

①UvrA和UvrB組成A2B的復合物，它識別并結合在損傷部位。

②UvrA二聚體被釋放出來，在損傷部位只留下UvrB。

32③UvrC再與UvrB結合，UvrB切開損傷部位3’端第5個磷酸二酯鍵，UvrC切開5’端第8個磷酸二酯鍵。

④在UvrD解旋酶作用下切去12～13個核苷酸。

⑤在DNA聚合酶I和連接酶作用下，合成切去部分，并將缺口連接。33大腸桿菌的切除修復過程A、B、C、D表示蛋白質(zhì)UvrABCD34

3.重組修復當DNA進行復制時，若DNA鏈上仍存在未修復的損傷部位，這時可先復制再修復。35

重組修復步驟：①DNA母鏈損傷部位未切除。②進行第2輪復制時，子鏈可越過損傷部位進行復制，結果，子鏈在損傷相對應處留下一個缺口。③從另一同源DNA的正常母鏈上將相應核苷酸片段移至子鏈缺口處。

④而同源母鏈上的缺口則通過新合成的核苷酸片段而被填補，此過程稱為重組修復。留在母鏈的損傷部位可通過切除修復被除去，即使未被除去也可由于細胞分裂而被稀釋。36重組修復過程374.SOS修復

SOS反應是細胞DNA受到損傷的緊急情況下，為求得生存而出現(xiàn)的應急效應。

（1）避免差錯的修復

光復活修復、切除修復和重組修復能夠識別并消除DNA的損傷或錯配堿基，在修復過程中不引入錯配堿基。

SOS反應能誘導切除修復和重組修復中某些關鍵酶和蛋白質(zhì)的產(chǎn)生，從而加強正確的修復能力。

38（2）易產(chǎn)生差錯的修復

SOS反應誘導產(chǎn)生缺乏校對功能的DNA聚合酶，它能催化空缺部位DNA修復，但是由于他們識別堿基精確度低，所以容易造成復制的差錯，從而導致基因突變，即通過增加突變率而提高細胞存活率。39SOS修復產(chǎn)生機制：①當DNA未遭受損傷時，LexA阻遏蛋白與一些操縱基因結合，使許多DNA修復和合成基因維持低水平表達。②當DNA受到巨大損傷，畄下許多大缺口，使DNA的合成和細胞分裂完全仃止。③RecA蛋白結合到損傷區(qū)，被活化而使LexA蛋白遭到自我分解。④LexA阻遏蛋白一旦被破壞，那些修復和合成酶基因便大量表達。⑤修復系統(tǒng)很快修復由誘變劑引起DNA的大范圍損傷，導致錯誤傾向的修復，引起突變。4041四、細菌的基因轉移與重組

基因重組或稱基因重排，是指基因片段的重新組合。細菌基因轉移主要有4種方式：接合、轉化、轉導和細胞融合等。42（一）接合

細菌的接合作用是指雄性細胞與雌性細胞互相接觸，與性因子即F因子有關。431.大腸桿菌的雄性菌株與雌性菌株（1）F＋菌株（雄性菌株）細胞中存在著游離的F因子，在細胞表面有2～3根性菌毛。（2）Hfr菌株即高頻重組菌株（雄性菌株）細胞中存在著與染色體特定位點相整合的F因子，因它與F－菌株接合后發(fā)生重組頻率高故稱高頻重組菌株。（3）F’菌株（雄性菌株）細胞中存在著攜帶染色體基因的F因子。（4）F－菌株細胞中不含F(xiàn)因子，細胞表面也無性菌毛。442.大腸桿菌3種接合類型（1）F＋與F－接合

F＋

×F－→F＋

×F＋

①F＋菌株的性菌毛識別和聯(lián)結F－菌株，由于它的收縮使F＋菌株與F－菌株緊密接在一起。②DNA轉移通道可能是性菌毛或特殊的接合橋。③F因子雙鏈中的一條鏈經(jīng)DNA通道進入F－菌株。④進入F－菌株中的單鏈合成其互補鏈。⑤留在原F＋菌株中的F因子單鏈也合成其互補鏈?！?5（2）Hfr與F－接合

Hfr×F－→Hfr×F－

①整合在染色體上的F因子在轉移起點處被切開。②前導鏈引導染色體DNA單鏈向F－菌株細胞中轉移。③大腸桿菌全部染色體DNA完成轉移需花100min，兩個正在接合的細胞經(jīng)常受外界因素干擾而分開，稱為接合中斷，轉移的DNA鏈被切斷。④位于染色體末端的F因子轉移區(qū)不能進入F－菌株。⑤接合后其重組體仍然是F－菌株。⑥進入F－菌株的染色體單鏈片段先轉變成雙鏈，并與F－菌株的染色體進行重組，接合細胞之間發(fā)生染色體重組。46

47（3）F’與F－接合

F’×F－→F’×F’

其接合過程與F＋與F－接合相似。所不同是F’菌株的染色體基因隨F’因子一起進入F－菌株，實際上形成了部分二倍體結果F－菌株變成F’菌株。48大腸桿菌3種接合類型比較接合類型接合結果F－性別是否發(fā)生轉變有無遺傳重組F＋與F－接合F＋

＋

F＋是無Hfr與F－接合

Hfr＋

F－否有F’與F－接合F’＋

F’否有49（二）轉化細菌的轉化是指細菌的感受態(tài)細胞直接吸收外源DNA片段（轉化因子）而發(fā)生遺傳性狀改變的現(xiàn)象。所謂感受態(tài)細胞是指最易吸收外源DNA的細菌細胞。50

1.轉化過程①感受態(tài)細胞分泌感受態(tài)因子，它是一種小分子蛋白質(zhì)。②感受態(tài)因子與細胞表面受體相互作用誘導產(chǎn)生一些感受態(tài)特異蛋白，其中有自溶素，它使細胞表面的DNA結合蛋白及核酸酶暴露出來。③這時外源DNA以雙鏈形式與DNA結合蛋白結合，核酸酶使雙鏈DNA中的一條鏈降解。④另一條DNA鏈與感受態(tài)特異蛋白結合并進入細胞，轉移到染色體，與染色體進行重組，經(jīng)DNA復制和細胞分裂形成重組體。5152

2.人工轉化在實驗室中可通過人工方法促進轉化。（1）用Ca2＋處理細胞將大腸桿菌放在CaCl2溶液中冷卻（4℃），再與DNA混合，42℃保溫，這種處理可增加細胞質(zhì)膜通透性，使外源DNA更易轉移到細胞中，從而提高轉化效率。（2）電穿孔法將DNA和細胞混合，置于高壓脈沖電場，使細胞瞬時產(chǎn)生小孔，外源DNA通過這些小孔進入細胞。53（三）轉導通過完全或部分缺陷的噬菌體作為媒介，把供體菌的DNA片段轉移到受體菌的細胞中，并發(fā)生基因重組和遺傳性狀改變的現(xiàn)象稱為轉導。轉導有2種類型：普遍性轉導和局限性轉導。541.普遍性轉導由完全缺陷噬菌體將供體菌染色體的任何DNA片段轉移到受體菌中，并發(fā)生基因重組。55具體過程：①當噬菌體感染供體菌，供體菌內(nèi)染色體DNA發(fā)生斷裂，當噬菌體組裝時，極少數(shù)噬菌體的衣殼隨機錯包了供體菌的DNA片段，成為完全缺陷噬菌體。②當供體菌裂解時，這種完全缺陷噬菌體感染受體菌時，把供體菌DNA片段轉移到受體菌中，并與其染色體發(fā)生重組5657

2.局限性轉導是由部分缺陷噬菌體將供體菌染色體上的特定DNA片段轉移到受體菌中，并發(fā)生基因重組。

58①當溶源菌（E.coli.）被誘導裂解時，有極少數(shù)的原噬菌體（λ）發(fā)生不正常的切割，結果將原噬菌體兩側的宿主（供體菌）的染色體基因（gal或bio基因）與噬菌體基因連在一起被切割下來，并被包裝，形成部分缺陷噬菌體（λdgal或λdbio）。②此部分缺陷噬菌體感染受體菌時，把帶有特定基因的供體菌DNA片段轉移給受體菌時，并與其染色體發(fā)生遺傳重組，使原來不能利用乳糖或合成生物素的受體菌變成為能利用乳糖和能合成生物素的轉導子。5960（四）原生質(zhì)體融合通過人工的方法，使遺傳性狀不同的兩種細胞的原生質(zhì)體發(fā)生融合和遺傳重組，形成具有雙親性狀的融合子。

原生質(zhì)體融合步驟：原生質(zhì)體的制備、融合、再生和融合子的篩選等。原生質(zhì)體融合既是原核生物也是真核生物重要育種手段之一。61五、真菌的基因重組（一）有性生殖

兩個不同性別的單倍體細胞進行接合，核融合后進行減數(shù)分裂，產(chǎn)生具有新遺傳性狀的單倍體后代。62（二）準性生殖是指兩個具有不同遺傳性狀的單倍體細胞發(fā)生融合，不經(jīng)減數(shù)分裂而產(chǎn)生基因重組的過程。

63①兩個不同遺傳性狀的單倍體體細胞發(fā)生聯(lián)結。使兩個不同基因型的單倍體核同處于一個細胞中，形成異核體。②偶爾機會發(fā)生核融合，產(chǎn)生雙倍體雜合子核。③不經(jīng)減數(shù)分裂，而在有絲分裂過程中偶爾發(fā)生染色體交換或單倍體化，產(chǎn)生極少數(shù)單倍體雜合子。準性生殖是某些不能產(chǎn)生有性孢子的絲狀真菌重要的育種手段。64六、微生物與基因工程

基因工程是指把分離到的或合成的基因經(jīng)過改造，插入到載體中，導入宿主細胞內(nèi)，使其擴增和表達，從而獲得大量基因產(chǎn)物，或者令生物表現(xiàn)出新的性狀。65（一）基因工程的主要步驟

1.基因的分離或合成①從基因文庫或cDNA文庫中分離基因。②化學合成基因。③通過PCR體外擴增基因。④通過定位誘變獲得經(jīng)改造的基因。

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2.外源基因與載體DNA的體外重組

將外源基因插入到由質(zhì)粒DNA、病毒DNA或染色體DNA片段構建成的載體中，形成具有自主復制起點的“重組DNA分子”。673.重組DNA導入宿主細胞可通過轉化、轉染或感染等方式，將重組DN