微生物学-4.ppt

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述,遗传变异的物质基础,基因突变及修复,基因转移和重组,第八章,微生物的遗传,遗传型是一种内在可能性或潜力，其实质是遗传物质上所负载的特定遗传信息。具有某遗传型的生物只有在适当的环境条件下通过自身的代谢和发育，才能将它具体化，即产生表型。,概述,第八章,微生物的遗传,3,表型,(phenotype),某一生物体所具有的一切外表特征及内在特性的总和，是遗传型在合适环境条件下的具体体现。是一种现实性。,概述,第八章,微生物的遗传,4,变异（,Variation,）,是生物体在某种外因或内因作用下引起的遗传物质结构改变，亦即,遗传型的改变,。,特点,：几率极低,(,一般为,10,-5,10,-6,),；性状变化幅度大；变化后的新性状是稳定的、可遗传的。,概述,第八章,微生物的遗传,5,饰变,(modification),指不涉及遗传物质结构改变，只发生在转录、转译水平上的表型变化。,特点,：每一个体都发生变化性状变化的幅度小；因遗传物质不变故饰变是不遗传的。,例子,：粘质沙雷氏菌,(Serratia marcescens),在,25,下培养时会产生深红色的灵杆菌素，在,37,时不产生色素。,概述,第八章,微生物的遗传,2.,遗传变异的物质基础,2.1,三个经典实验,2.2,微生物细胞的遗传物质,遗传变异的物质基础,2.1,三个经典实验,Griffith,转化实验,第八章,微生物的遗传,2.1,三个经典实验,T2,噬菌体的感染实验,35,S,蛋白质,32,P,DNA,遗传变异的物质基础,第八章,微生物的遗传,2.1,三个经典实验,植物病毒重建实验,TMV-RNA+HRV-,衣壳,HRV-RNA+TMV-,衣壳,核酸是遗传信息的载体。,遗传变异的物质基础,第八章,微生物的遗传,2.2,微生物细胞的遗传物质,遗传变异的物质基础,E.coli,2.2.1,遗传信息的传递,2.2.1,遗传信息的传递：,DNA,复制,2.2.2,遗传信息的传递：,DNA,转录,2.2.3,遗传信息的传递：翻译,mRNA is translated in codons(3,nucleotides),Translation of mRNA begins at the start codon:AUG,Translation ends at a STOP codon:UAA,UAG,UGA,2.2.3,遗传信息的传递：翻译,2.2.3,遗传信息的传递：翻译,2.2.3,遗传信息的传递：翻译,2.2.3,遗传信息的传递：翻译,2.2.3,遗传信息的传递：翻译,2.2.3,遗传信息的传递：翻译,2.2.3,遗传信息的传递：翻译,2.2.3,遗传信息的传递：翻译,2.2.3,遗传信息的传递：翻译,2.2.3,遗传信息的传递：翻译,遗传信息信号的放大,第八章,微生物的遗传,3.,基因突变及修复（,P271,）,一、,基因突变,(,一,),突变株的表型,(,二,),突变株的筛选,二、基因突变的分子基础,三、,DNA,的修复机制,基因突变及修复,第八章,微生物的遗传,(,一,),突变株的表型（,P274,）,营养缺陷型,抗性突变,条件致死突变型,形态突变型,抗原突变型,产量突变型,基因突变及修复,第八章,微生物的遗传,(,二,),突变株筛选,1.,根据突变株类型分离,鉴定和分离,突变株时，根据突变株基因的特殊性质，一般分成,三类,：,基因突变及修复,第八章,微生物的遗传,1),有毒化合物抗性突变株,如,对抗生素或对噬菌体侵染的抗性,。这些突变株能通过在有毒药剂或噬菌体存在下生长来选择。只有抗性突变株才生长。,基因突变及修复,第八章,微生物的遗传,2),营养缺陷型突变株,突变株,不能合成,生长所必需的基本化合物如一个氨基酸或维生素。这些突变株不能直接分离，但能通过,影印培养法,(replica plating),筛选。,基因突变及修复,第八章,微生物的遗传,3),不能利用,特殊底物,如乳糖和麦芽糖生长的突变株，可以通过,影印培养法,鉴别。,基因突变及修复,第八章,微生物的遗传,2.,影印培养法,用于,筛选大量特殊突变菌落的一个方法,。细菌铺制成平板，在所含营养成分的培养基上亲本和突变株均能生长，采用一个稀释度使单个菌落能在平板上看到；培养后，用一个,无菌的丝绒布,包裹的圆柱章的,圆垫转移,上述菌落至可以检出突变株的培养基平板上。,基因突变及修复,第八章,微生物的遗传,二、基因突变的分子基础,(P274),1,.,基因突变,(gene mutation,),一个基因内部结构或,DNA,序列的任何改变，改变一对或少数几对碱基的缺失、插入或置换，而导致的遗传变化称为基因突变。,基因突变及修复,第八章,微生物的遗传,DNA,序列范围的改变从单个碱基改变通常称为,点突变,(point mutations),，到基因组大范围的重排，有时称为,多位点突变,(,染色体畸变,),，其中包括,DNA,链上短的一段序列或长的一段序列改变，从而影响许多基因。,基因突变及修复,第八章,微生物的遗传,多位点突变可以是碱基序列的,缺失、插入、倒位、置换,(,包括易位,),和重复,以及在基因组中发生,重组,或,转座,的结果。,基因突变及修复,第八章,微生物的遗传,2.,点突变,点突变中由一个嘌呤变为另一个嘌呤,(AG),或一个嘧啶变为另一个嘧啶,(CT),称为,转换,(transition),，嘌呤变为嘧啶和嘧啶变为嘌呤称为,颠换,(transversions),。遗传型上一个碱基的改变在表型上的效应取决于突变的性质和在基因组点突变发生的位置，有,四种点突变类型,：,基因突变及修复,第八章,微生物的遗传,1,）,同义突变,(same-sense mutations),由于基因密码的冗余,性,；同样的氨基酸插入蛋白质，结果表型上没有看出变化。,2,）,错义突变,(mis-sense mutations),指不同的氨基酸插入蛋白质的多肽链中，多肽链相应氨基酸改变的结果，视蛋白质的基本部分或非基本部分改变而定。,前者,蛋白质功能改变或丧失，,后者,表型上没有观察到变化。,基因突变及修复,第八章,微生物的遗传,3,）,无义突变,(nonsense mutations),是指碱基序列改变为氨基酸终止密码子,(UAA,，,UAG,，,UGA),。,蛋白质合成超前停止，导致一个截短的蛋白质产生。,4,）,移码突变,(frameshift mutations),是,DNA,序列上缺失或插入,12,个核苷酸，引起从该突变点后翻译阅读框移位和变成一个完全改变的氨基酸序列。,基因突变及修复,第八章,微生物的遗传,2.,自发突变,（,Spontaneous mutation,）,2.1,不经诱变剂处理而自然发生的突变，称为,自发突变,基因突变及修复,第八章,微生物的遗传,基因突变及修复,2.2,自发突变的原因,突变可因许多原因增加，包括,DNA,复制时,DNA,聚合酶产生的误差，,DNA,的物理损伤，重组和转座,。然而，,DNA,受大量,DNA,修复系统保护，会使其突变率减至最小程度。,第八章,微生物的遗传,基因突变及修复,1),自发突变的一个主要原因是,由于碱基存在不同的构型称为互变异构体，,使其能形成不同的碱基对,。,第八章,微生物的遗传,基因突变及修复,通常,氨基式腺嘌呤,(A),与胸腺嘧啶,(T),配对,当,DNA,复制到这一位置瞬间时转变为稀有的亚氨基式,(A,)(,互变异构现象,，,tautoomerism),，会与胞嘧啶,(C),碱基配对,假如在下一次复制周期前不被修复,A-T,碱基对,将变为,C-G,碱基对,第八章,微生物的遗传,基因突变及修复,第八章,微生物的遗传,基因突变及修复,2),自发突变的另一个主要原因是,转座因子,，它可以随机插入基因组，引起突变，而且假如有两个或多个拷贝，作为同源重组的位点，能导致基因组区段缺失、重复和倒位。,第八章,微生物的遗传,基因突变及修复,3)DNA,复制时自发突变也能由,DNA,链在短的重复核苷酸序列处向外环出而引起,。导致插入或缺失一小段,DNA,，从而对,DNA,分子造成实际的损伤。,第八章,微生物的遗传,基因突变及修复,3,诱发突变和诱变剂,P279,6.1,诱发突变,通过人为利用物理、化学或生物因子的方法提高基因突变频率的手段。,6.2,诱变剂,碱基类似物,(base analogs),如,5-,溴尿嘧啶和,2-,氨基嘌呤，当,DNA,复制时掺人,DNA,分子，类似自发突变的碱基互变异构移位，但以高频率导致突变。,第八章,微生物的遗传,基因突变及修复,DNA,分子嵌入剂,(,插入染料,),是扁平的三个环的类似于碱基对形状的化合物，它们能插入,DNA,分子，引起螺旋结构变型，,DNA,复制时导致环出及插入和缺失碱基。溴化乙啶和丫啶橙是这类试剂的典型代表。,第八章,微生物的遗传,基因突变及修复,修饰,DNA,的化学药品,是改变,DNA,中碱基的化合物，导致下一次复制周期时错误配对。,HNO,2,引起含,NH,2,基团的碱基,(AGC),氧化脱氨，氨基变为酮基，改变配对性质造成转换突变。,NH,2,OH,与胞嘧啶发生反应，引起,GCAT,转换。,EMS,和,NTG,作用于鸟嘌呤的,N-7,位和腺嘌呤的,N-3,位，造成碱基错误配对。,第八章,微生物的遗传,基因突变及修复,电离辐射,可能引起,DNA,损伤。紫外线引起的主要损伤是形成,嘧啶二聚体,，最普通的是胸腺嘧啶二聚体，相邻碱基问引起,DNA,螺旋的扭曲畸变。它本身不是导致突变的，但突变发生后，当细胞用倾向错误的修复系统,(SOS,修复系统,),尽力修复此损伤时，会导致高频率的突变。,第八章,微生物的遗传,基因突变及修复,生物诱变因子,实验室中常用转座因子作为诱变因子，例,Tn,Mu,具有抗生素抗性标记，可容易分离到所需的突变基因,。,当,DNA,序列已知时，现在经常采用的体外诱变办法是,精确改变,DNA,序列,(,定位诱变,),。以化学合成的一个突变序列的拷贝代替野生型基因组的序列。,第八章,微生物的遗传,基因突变及修复,第八章,微生物的遗传,基因突变及修复,三、,DNA,的修复机制,P277,DNA,的损伤对细胞可能是致死的，因此在细胞内存在大量的,DNA,修复系统去修复诱变剂引起的损伤。,第八章,微生物的遗传,基因突变及修复,1,、光复活,在光照下光解酶转变紫外线诱导的,胸腺嘧啶二聚体,返回单聚体。在依赖于光的修复机制中，光解酶与黄素腺嘌呤二核苷酸,(FAD),能切割相邻嘧啶间的环丁烷环恢复为原来的单聚体。这是对付紫外线损伤的第,一线防御。,第八章,微生物的遗传,基因突变及修复,2,、切补修复,暗修复,切补修复常称为,暗修复,。它作为许多不同类型的,DNA,损伤修复的普遍系统，如嘧啶二聚体和错误碱基配对引起的,DNA,损伤。,第八章,微生物的遗传,基因突变及修复,第八章,微生物的遗传,基因突变及修复,3,、重组修复,(,复制后修复,),这是一种越过损伤而进行的修复，不将损伤碱基除去，通过复制后经染色体交换，使子链上的空位不再面对嘧啶二聚体，对着单链，由,DNA,聚合酶和连接酶对空隙部分进行修复。,第八章,微生物的遗传,基因突变及修复,第八章,微生物的遗传,基因突变及修复,4,、,SOS,修复系统,细胞中有许多基因和操纵子受,Rec,A,蛋白协同调控和,Lex,A,蛋白阻遏转录。它涉及处理,DNA,损伤和称为,SOS,修复系统。,第八章,微生物的遗传,基因的转移和重组,微生物基因的转移和重组,一、,转 化,（,P242,）,二、,转 导,（,P246,）,三、,F,质粒与接合,（,P249,）,四、,真核生物基因重组,（,P257,）,五、,微生物的育种,（,P289,）,第八章,微生物的遗传,基因的转移和重组,转 化（,Transformation,）,1,、,转化,转化是从周围培养基吸收游离的,DNA,片段，整合到自己染色体基因组的结果。,许多细菌如芽孢杆菌属、链球菌属、奈瑟氏球菌属和嗜血菌属,(,嗜血杆菌属,Haemophilus,),能够自然发生转化作用。,Transformation,Recombination,Legitimate,homologous or general,recA,recB and recC genes,Significance,Phase variation in,Neiseseria,Recombinant DNA technology,Steps,Uptake of DNA,Gram+,Gram-,第八章,微生物的遗传,基因的转移和重组,2,、感受态,(compentence),细胞吸收,DNA,进行转化的能力,取决于细胞所处的特殊生理状态，即细菌细胞的感受态。,感受态与细胞表面存在,DNA,的受体有关。其它细菌，如大肠杆菌，在冷的条件下通过,化学方法处理,，可以诱导建立感受态。,第八章,微生物的遗传,基因的转移和重组,3,、,DNA,的吸收和命运,结合和转移进入受体细胞的,DNA,片段可以是,特异的序列或者非特异的序列,，其差异取决于种。在大多数情况下，,双链,DNA,转变成单链,DNA,进入受体细胞。亦发现流感嗜血菌,(,流感杆菌或流感嗜血杆菌,Haemophilus influenzae,),吸收完整的双链,DNA,。进入的,DNA,通过重组整合至受体菌染色体上。,第八章,微生物的遗传,基因的转移和重组,转 导,(Transduction),1,、普遍性转导,普遍性转导是当噬菌体装配时,偶然出现的错误,，是替代噬菌体,DNA,包装了一段寄主,(,供体,),染色体,DNA,进入噬菌体头部的结果。这种,“,误包,”,的转导噬菌体，能侵染新的宿主,(,受体,),，并注入此段,DNA,，非噬菌体的,DNA,，除非通过重组将这段,DNA,整合到宿主,(,受体,),染色体上，否则将丢失。,Generalized Transduction,Release of phage,Phage replication and degradation of host DNA,Assembly of phages particles,Infection of recipient,Legitimate recombination,Infection of Donor,第八章,微生物的遗传,基因的转移和重组,2,、局限性转导,(,Specialized Transduction,),某些,溶源性噬菌体,可,整合至宿主染色体上。,通常当一个噬菌体被诱导后，以非常,精确,的方式从染色体上切离形成一个完全的噬菌体基因组。极少数的原噬菌体发生,不精确,的切离,(,误切,),，,邻近噬菌体位点,上的一小段染色体被切离，而一小段噬菌体的,DNA,遗留在染色体上。,第八章,微生物的遗传,基因的转移和重组,切离的噬菌体可被正常复制、包装进噬菌体头部和释放去感染其它的细胞。,含有这段染色体,DNA,的噬菌体颗粒感染受体细胞后，整个噬菌体,DNA,可,整合在染色体上形成溶源化,，或通过,重组作用与染色体,DNA,整合,。,Specialized Transduction,Lysogenic Phage,Excision of the prophage,gal,bio,gal,bio,gal,bio,gal,bio,bio,gal,Replication and release of phage,Infection of the recipient,Lysogenization of the recipient,Legitimate recombination also possible,第八章,微生物的遗传,基因的转移和重组,F,质粒与接合,1,、接合,(conjugation),接合是同通过,质粒,使遗传物质在两个细菌细胞间转移的机制。一个含有接合质粒,(F,+,，致育性,),的细胞与不含有接合质粒,(F,-,),的细胞借助于细胞表面的性菌毛形成交配个体。性菌毛收缩，拉两个细胞接触，从含有质粒的细胞,(,供体,)DNA,转移到受体。,Electron Micrograph of,Escherichia coli,with a Conjugation Pilus,第八章,微生物的遗传,基因的转移和重组,2,、,DNA,转移,转移的起始点在质粒,DNA,一条链的一个缺口位点称作,oriT,上，,DNA,以单链形式转移，通过滚环模型形式复制。完整链作为,DNA,合成的模板，而缺口链被替代和转移进入受体细胞，一旦在受体细胞中与之互补的,DNA,链合成，形成新的,F,因子。,F,+,F,-,F,+,F,-,F,+,F,+,F,+,F,+,第八章,微生物的遗传,基因的转移和重组,3,、,F,因子,F,因子从染色体上切离是与整合相反的一个过程。通常这是一个精确切离的过程，但偶尔会出现偏差，质粒选出一段相邻的染色体形成一个,F,因子。,F,因子可将染色体基因转移到受体细胞中,。,Hfr,F,F,+,Hfr,第八章,微生物的遗传,基因的转移和重组,真核生物基因重组,丝状真菌通过准性生殖进行基因重组的。,准性生殖,(parasexual reproduction),指,不经过减数分裂,就能导致基因重组的生殖过程。真菌菌丝通过相互接触时，通过菌丝间的连接，细胞核可混合在一起而形成异核体,(,具有二种或二种以上不同基因型的核的细胞,),，并可以百万分之一的概率发生核融合而形成二倍体（或杂合二倍体）。,第八章,微生物的遗传,基因的转移和重组,微生物的育种,目的,是为了要人为地使,某种微生物的代谢产物过量积累,，把生物合成的代谢途径朝人们所希望的方向加以引导，或者,使细胞内发生基因的重新组合优化遗传性状,，实现人为控制微生物，获得我们所需要的,高产、优质和低耗,的菌种。,第八章,微生物的遗传,基因的转移和重组,1,、诱变育种,（,P289,）,指利用各种,诱变剂处理微生物,细胞，提高基因的随机突变频率，通过一定的筛选方法获得所需要的高产优质菌株。,一般通过营养缺陷型突变株、抗阻遏和抗反馈突变型、抗性突变型（抗生素抗性突变株、条件抗性突变）来筛选。,诱变育种的基本方法,诱变育种一般包括,诱变,和,筛选,两个部分，诱变部分成功的,关键,包括,出发菌株的选择,、,诱变剂种类,和,剂量的选择,，以及合理的使用方法。,筛选部分,包括初筛和复筛来测定菌种的生产能力。诱变育种是诱变和筛选过程的不断重复，直到获得高产菌株。,第八章,微生物的遗传,基因的转移和重组,2,、体内基因重组育种,体内基因重组,是指重组过程发生在细胞内（相对体外重组技术或基因工程技术。,体内基因重组育种,是指采用,接合、转化、转导和原生质体融合,等遗传学方法和技术使微生物细胞内基因发生重组，以增加优良性状的组合，或导致多倍体的出现，从而获得优良菌株的一种育种方法。,第八章,微生物的遗传,基因的转移和重组,原生质体融合,技术是将遗传性状不同的两种菌（包括种间、种内及属间）融合为一个新细胞的技术。,部分,真核生物,可以通过,杂交育种,。,例：卡尔酵母,糖化酵母,卡尔酵母,能发酵糊精,产生酒精的杂种,糖转化率,90,的杂种,糖转化率,100,的新杂种,能利用异麦芽,糖的野生酵母,卡尔酵母,糖化酵母,基因工程育种,是应用,DNA,重组技术，构建基因工程菌株，使目的基因得到表达的技术。,“,岩娃,”,这头转基因牛被成功转入了,“,人岩藻糖转移酶基因,”,。岩藻糖转移酶催化形成的抗原物质可以特异调节幽门螺旋杆菌与人胃上皮细胞结合。而幽门螺旋杆菌正是慢性浅表萎缩性胃炎、消化性溃疡、胃增生性息肉、胃癌等重要致病菌，被国际卫生组织列为一类致癌病原。,基因工程的基本要素,1,、工具酶,限制性内切酶、,DNA,聚合酶、核酸酶和连接酶,2,、载体,质粒、改造后的病毒或噬菌体、人工染色体等,3,、外源,DNA,（目的基因）,基因工程的工艺流程,1,、目的基因的分离,2,、载体的分离,3,、体外重组与转化,4,、重组子的检出,5,、外源基因的表达,DNA Shuffling,Genome shuffling,Genome breeding,试列表比较转化、转导、接合和原生质体融合间的区别。,什么叫准性生殖？,什么叫基因工程？试图示并简述其基本操作过程。,本章思考题,