8章微生物遗传 -...

山东大学生命科学学院

第第88章章微生物遗传微生物遗传


一、DNA作为遗传物质

二、RNA作为遗传物质

三、朊病毒的发现与思考

第一节遗传的物质基础


一、DNA作为遗传物质


T2噬菌体感染实验（1952年）


二、RNA作为遗传物质


三、朊病毒


DNA→RNA→肽链→蛋白质


第二节微生物的基因组结构

基因组（genome）：一个物种的单倍体中所有染色体及其所包含的遗传信息的总称.

原核生物（如细菌），多为单倍体真核微生物，多条染色体，有时为双倍体


一、微生物基因组结构的特点

1、原核生物（细菌、古生菌）的基因组


功能相关的结构基因组成操纵子结构

操纵子：功能相关的几个基因前后相连，再加上一个共同的调节基因和一组共同的控制位点（启动子、操作子等）在基因转录时协同动作。


1）典型的真核染色体结构；

2）没有明显的操纵子结构；

3）有间隔区（即非编码区）和内含子序列；

4）重复序列多；

2、真核微生物（啤酒酵母）的基因组


负责信息传递的功能基因（复制、转录和翻译）类似于真核生物，特别是古生菌的转录起始系统基本上与真核生物类似。

古生菌的RNA聚合酶在亚基组成和亚基序列上也类似于真

核生物的RNA聚合酶II和III.

启动子结构位于转录起始位点的25~30核苷酸处,于真细菌的-10~ -35区不同.

3、詹氏甲烷球菌的基因组

一般而言，古生菌的基因组在结构上类似细菌，功能相似的基因组成操纵子；rRNA和tRNA 有重复；基

本上无内含子


第三节质粒和转座因子

质粒（plasmid）：一种独立于染色体外，能进行自主复制的细胞质遗传因子，

主要存在于各种微生物细胞中。

转座因子（transposable element）：位于染色体或质粒上的一段能改变自身位置的DNA序列，

广泛分布于原核和真核细胞中。

质粒和转座因子是细胞中除染色体以外的另外二类遗传因子


一、质粒的分子结构

1、结构：通常以共价闭合环状(covalently closed circle，简称CCC)的超螺旋双链DNA分子存在于细胞中；


二、质粒的主要类型

根据质粒所编码的功能和赋予宿主的表型效应

致育因子（Fertility factor，F因子）

抗性因子（Resistance factor，R因子）

产细菌素的质粒（Bacteriocin production plasmid）毒性质粒（virulence plasmid）代谢质粒（Metabolic plasmid）隐秘质粒（cryptic plasmid）


致育因子(Fertility factor，F因子)


三、转座因子的类型和分子结构

转座因子广泛分布于原核和真核生物中，原核生物中转座因子有三种类型：

插入序列（IS）；

转座子（Tn）；

某些特殊病毒(Mu)


第四节基因突变及修复

基因突变：一个基因内部遗传结构或DNA序列的任何改变，包括点突变和染色体畸变

基因突变是重要的生物学现象，它是一切生物变化的根源，连同

基因转移、重组一起提供了推动生物进化的遗传多变性。

基因突变包括：

1、自发突变：环境因素的影响，DNA复制过程的偶然错误等而导致，一般频率较低，通常为10-6-10-9 。

2、诱变：某些物理、化学因素对生物体的DNA进行直接

作用，突变以较高的频率产生。


不同形式的点突变


除同义突变外，基因性的突变均可导致表性的变化，包括：

营养缺陷突变型

抗药性突变型

条件致使突变型

形态突变型

一、常见的微生物突变类型


1）营养缺陷型（auxotroph）

一种缺乏合成其生存所必须的营养物（包括氨基酸、维生素

、碱基等）的突变型，只有从周围环境或培养基中获得这些

营养或其前体物（precursor）才能生长。

表型判断的标准：在基本培养基上能否生长


影印平板（Replica plating）


1、自发突变：自然发生的突变

1）非对应性：突变与环境无关

2）稀有性：突变频率很低

3）规律性：某一形状的突变具有规律性

4）独立性：不同形状的突变是独立的

5）遗传和回复性

6）可诱变性：诱变剂能提高突变频率

二、基因突变的特点


2、自发突变的分子基础

1）碱基互变异构体的存在

2） DNA复制时,短的重复核苷酸序列的DNA的滑动,导致一小段DNA的插入或删除

3) 个别碱基在DNA链上的滑出

4) 转座因子


3、RNA 基因组的突变

RNA基因组的突变频率比DNA高1000倍

原因: RNA复制酶没有纠错功能;RNA无修复机制.


• 碱基类似物:5-溴尿嘧啶（T）、2-氨基嘌呤（A）

• 插入染料：具有3个苯环结构的偏平分子。溴化乙锭

等，引起移码突变

• 直接与DNA碱基起反应的诱变剂：亚硝酸、羟氨和烷

化剂

• 辐射和热

• 生物诱变因子

4、诱发突变


回复突变(reverse mutation或back mutation)：突变体失去的野生型性状，可以通过第二次突变得到恢复，这种第二次突变称为回复突变

美国加利福尼亚大学的Bruce Ames教授于1966年发明，

因此称为Ames试验

具体操作：检测鼠伤寒沙门氏菌(Salmonella typhmurium)组氨酸营养缺陷型菌株(his-)的回复突变率

三、诱变剂与致癌物质——Ames试验


Ames试验

由于生物体内、体外可能存在的差异，可在体外加入哺乳动物（如大鼠）微粒体酶系统，使待测物活化，使Ames试验的准确率达80-90%。


四、DNA损伤的修复

DNA在复制过程中，会发生自发和诱发的前体突变。其中，有

些突变是致死的，微生物要进行生存，必须对其进行修复。

DNA聚合酶除了5’--3‘的复制功能外，还具有3’-5‘外切酶的纠错

功能，随时进行错配碱基的纠正。

细胞内还有：光复活作用

切除修复

重组修复

SOS修复


1、光复活作用

光复活有phr基因编码的光解酶，在黑暗条件下专一性地结合嘧啶二聚体，形成酶-DNA复合物。当光照时，酶利用光

能，将二聚体解开，恢复原状，酶释放出来。


2）切除修复

细胞内的主要修复系统。涉及UvrA、UvrB、UvrC、UvrD四种

酶的联合作用。


3）重组修复

不将损伤碱基切除，而是跃过，通过复制后，经染色体交换后，使链上的空隙部位面对正常单链，在DNA聚合

酶和连接酶的作用下把空隙部位修复。


4）SOD修复

在DNA分

子受到较大范围的损伤时诱导产生的一种应急反应。


第五节细菌基因转移和重组

接合：细胞与细胞的直接接触（由F因子介导）

转导：由噬菌体介导

自然转化：游离DNA分子 + 感受态细胞

原生质体融合：原生质体+原生质体

细菌的四种水平基因转移形式


一、细菌的接合作用(conjugation)

基本培养基上长出的原养型菌落是两菌株之间发生了遗传交换和重组所致！


证实接合过程需要细胞间的直接接触的“U”型管实验


机制

接合作用是由一种被称为F因子的质粒介导

F因子的分子量通常为5×107，上面有编码细菌产生性菌毛及控制接合过程进行的20多个基因。

含有F因子的细胞：“雄性”菌株（F+），其细胞表面有性菌毛

不含F因子的细胞：“雌性”菌株（F-），细胞表面没有性菌毛


F因子的四种细胞形式


1）F+xF-杂交

F+菌株的F因子向F-细胞转移，但含F因子的宿主细胞的染色体DNA一般不被转移。


2）Hfr ×F-杂交


染色体上越靠近F因子的先导区的基因，进入的机会就越多，在F-中出现重组子的的时间就越早，频率也高。

F因子不易转入受体细胞中，故Hfr×F-杂交后的受体细胞大多数仍然是F-。


3）F′×F-杂交


二、细菌的转导（transduction）

能将一个细菌宿主的部分染色体或质粒DNA带到另一个细菌的噬菌体称为转导噬菌体

由噬菌体介导的细菌细胞间进行遗传交换的一种方式：一个细胞的DNA通过病毒载体的感染转移到另一个细胞中

细菌转导的二种类型：

普遍性转导

局限性转导


1、普遍性转导


2、局限性转导


a）被转导的基因共价地与噬菌体DNA连接，与噬菌体DNA一起

进行复制、包装以及被导入受体细胞中。而普遍性转导包装的

可能全部是宿主菌的基因。

b）局限性转导颗粒携带特定的染色体片段并将固定的个别基因

导入受体，故称为局限性转导。而普遍性转导携带的宿主基

因具有随机性。

局限性转导与普遍性转导的主要区别：


三、细菌的遗传转化

同源或异源的游离DNA分子(质粒和染色体DNA)被自然或人

工感受态细胞摄取，并得到表达的水平方向的基因转移过程

自然遗传转化

人工转化

转化包括：


1、自然遗传转化

枯草芽孢杆菌的自然转化过程


2、人工转化

用CaCl2等处理获得感受态细胞；

采用热击或电穿孔等技术，使外源基因进入感受太细胞

是常用的人工转化手段。


四、原生质体融合

遗传性状不同的两株菌（包括种间、种内和属内）融合为一个新细胞的技术。

包括：原生质体的制备

原生质体融合和再生

融合子的选择


第六节真核微生物的遗传学特性

真核微生物具有有性生殖，具有复杂的核，基

因组有许多染色体组成并且线性，在基因的分配和分离上具有更复杂的调控机制。


酵母菌的遗传

1、酵母菌的接合型遗传

2、酵母菌的质粒

3、酵母菌的线粒体


1、酵母菌的接合型遗传


2、酵母菌的质粒


3、酵母菌的线粒体

双链环状分子，长约25um(约75kb)、其大小约为人的线粒体基因组的5倍

只编码少数几种最基本的线粒体成分：细胞色素b、细胞色c氧化酶、ATPase以及一种核糖蛋白。

酵母的mtRNA上存在着大量非编码的A-T丰富区．其功能日

前不清楚，该区域含有酵母线粒体基因组的多个复制原点。

还存在大量的间插顺序或内含子．内含子是非必须的。

酵母mtDNA所含基因数目与高等动物基本相同，但是因为它有很多非编码DNA和内含子，所以酵母的线粒体基因组大。


丝状真菌的准性生殖

以粗糙咏孢菌(Neurospora crassa)、构曲霉(Aspergillusnidulans)为模式菌株

准性生殖：不经过减数分裂就导致基因重组的生殖过程。包括异核体的形成、二倍体的形成及体细胞交换和单元化。


第七节微生物育种

1、诱变育种

2、筛选策略

营养缺陷型突变株

抗阻遏和抗反馈突变型

抗性突变

DNA Shuffling技术


影响微生物菌种稳定性的因素：

a）变异；

b）污染；

c）死亡；

第八节菌种保藏


一、菌种的衰退与复壮

1）从衰退的菌种群体中把少数个体再找出来，重新获得具有

原有典型性状的菌种。

2）有意识地利用微生物会发生自发突变的特性，在日常的菌种

维护工作中不断筛选“正变”个体。

菌种的复壮


1）减少传代次数；

2）创造良好的培养条件；

3）经常进行纯种分离，并对相应的性状指标

进行检查；

4）采用有效的菌种保藏方法；

二、防止衰退的措施


三、菌种保藏

培养基传代培养：斜面、平板

冷冻保藏：液氮、低温冰箱

干燥：沙土管、冷冻真空干燥

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