微生物遗传-6-细菌基因转移.ppt

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,主要内容,细菌基因转移和基因重组,放线菌遗传,酵母遗传,丝状真菌遗传,细菌的基因转移和基因重组,1.1 细菌基因组,1.1.1 概况（大肠杆菌K-12）,基因组大小：,4.6 Mbp,。,基因组中,87.8%,的,DNA,编码蛋白质，,0.8%,编码,RNA,，,0.7%,是非编码的重复序列，约,11%,参与调解和其它功能。,共有,4288,个基因，基因的平均长度,951 bp,，,4500-5100 bp,：,4,个，,3000-4500 bp,：,51,个，,381,个基因长度小于,300 bp,，最大基因,7149 bp,。,1.2 质粒（plasmid）,一般指存在于细菌、真菌等微生物细胞中，独立于染色体外、能进行自我复制的遗传因子。,通常是共价、闭合、环状双链,DNA,。,大小：,1-1000 Kb,。,也存在线状,DNA,质粒和,RNA,质粒。,质粒的命名原则,一般由三个英文字母及其编号组成,第一个字母一律用小写,p,表示，后两个字母大写，编号是阿拉伯数字,质粒编码的遗传表型,致育质粒（,F,因子）,抗药性质粒（,R,质粒）,能使宿主微生物对抗生素、化学药物或重金属离子等杀菌剂表现出抗性。,产生抗生素（,SCP1,）和细菌素的质粒（,Col,）,产生毒素的质粒,降解质粒,致病性质粒、共生固氮质粒,隐蔽质粒,质粒的拷贝数,一般来说，拷贝数与分子量成反比；,严紧性质粒（小于,10,）和松弛性质粒（,10-100,）,质粒之间的不相容性,指亲缘关系相近的两种质粒，在非选择性条件下常不能稳定地存在于同一个细胞中，经过若干代的培养，只含有同一种质粒的细胞越来越多，含两种质粒的细胞相对减少。,与质粒复制起始控制密切相关,质粒的不稳定性,包括分离的不稳定性和结构的不稳定性,稳定的遗传至少满足二个条件,每个世代至少发生一次复制,细胞分裂时要平均分配到两个子细胞中,主动分配（,par,区）,一般包括编码反式作用因子的基因和顺式元件的序列（类着丝粒）,随机分配（无,par,区）,需保持选择压力,1.3 基因转移的种类和特点,4种形式：1）转化,2）转导：,由噬菌体介导,3）接合,：由F因子介导,4）原生质体融合,特点：1）片段性,2）单向性,3）基因转移机制多样,1.3.1 F因子（Fertility factor）和转化,F,因子是一种质粒（,plasmid,），由共价环状闭合,DNA,双链构成，全长,94.5 Kb,，主要分为三个区域：,1,、重组区；,2,、自主复制区；,3,、转移区。,这是最早发现的一种质粒。,F,因子编码在细菌表面产生性菌毛。,F,因子的特性为可以促进供体菌向受体菌传递染色体,DNA,或质粒。,F,因子决定编码的性菌毛可在供体与受体菌间形成交通通连接结构，从而可使两个杂交细菌间形成胞浆内连接桥。,F因子的四种细胞形式,a）F,-,菌株，不含F因子，没有性菌毛，但可以通过 接合作用接收 F因子而变成雄性菌株（F,+,）；,b,）F,+,菌株，F因子独立存在，细胞表面有性菌毛。,c）Hfr菌株，F因子插入到染色体DNA上，细胞表面有性菌毛。,d）F菌株，Hfr菌株内的F因子因不正常切割而脱离染色体时，形成游离的但携带一小段染色体基因的F因子，特称为F因子。细胞表面同样有性菌毛。,Hfr菌株的F因子插入到染色体DNA上，因此,只要发生接合转移过程，,就可以把部分甚至全部细菌染色体传递给F,-,细胞并发生重组，由此,而得名为,高频重组菌株,（,能十分有效地转移细菌基因,）,。,2）Hfr,F,-,杂交 F,-,Hfr菌株仍然保持着F,+,细胞的特征，具有F性菌毛，并象F,+,一样与F,-,细胞进行接合。所不同的是，当OriT序列被缺刻螺旋酶识别而产生,缺口后，F因子的先导区(leading region)结合着染色体DNA向受体细,胞转移，F因子除先导区以外，其余绝大部分是处于转移染色体的末端，由于转移过程常被中断，因此F因子不易转入受体细胞中，故,HfrF,-,杂交后的受体细胞大多数仍然是F,-,（即不能使受体菌变成供体）。,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。,中断杂交（interrupted mating）技术和基因定位,利用HfrF,-,的接合过程，,在不同时间取样，并把样品猛烈搅拌以,分散接合中的细菌，然后分析受体细菌基因型，以时间(分钟)为,单位绘制遗传图谱，该图谱是细菌染色体上基因顺序的直接反映。,图9.27 不同Hfr菌株的形成方式，以不同的起点不同的顺序转移基因。（a）细菌染色体为环状，可以不同的IS位点打开，F质粒插入进去。,（b）Hfr菌株的部分基因顺序。,大肠杆菌基因组很大（,全部转移,需要100分钟,），其遗传图谱须用,多株F因子整合在不同位置的Hfr,菌才能完成,三亲结合转移,供体基因携带菌,辅助质粒携带菌,受体菌,1.3.2 转导（transduction）,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,由转导作用而获得供体细胞部分遗传性状的重组受体细胞称为,转导子（transductant）,携带供体部分遗传物质（DNA片段）的噬菌体称为,转导噬菌体。,细菌转导的二种类型,普遍性转导,局限性转导,普遍性转导（generalized transduction）,定义：通过完全缺陷噬菌体对供体基因组上的任何,DNA片段进行“误包”，,而将其遗传性状传递给受体细胞的现象。,转导模型,转导噬菌体为什么“错”,将宿主的DNA包裹进去?,噬菌体的DNA,包装酶也能识别染色体DNA上类似pac的位点,并进行切割，以“headful”的包装机制包装进P22噬菌体外壳，形成只含宿主DNA的转导噬菌体颗粒,（,假噬菌体,）,因为染色体上的pac与P22 DNA的pac序列不完全相同，,利用效率较低，这种“错装”机率一般仅约10,-6,-10,-8,形成转导颗粒的噬菌体可以是温和的，也可以是烈性的，但必须具有能偶尔识别宿主DNA的包装机制，并在宿主基因组完全降解以前进行包装。,普遍性转导的基本要求,普遍性转导的三种后果,1、进入受体的外源DNA通过与细胞染色体,的重组交换而形成稳定的转导子,2、流产转导（abortive transduction）,转导DNA不能进行重组和复制，但其携带的基因可经过转录而得到表达。,3、外源DNA被降解，转导失败。,局限性转导（specialized transduction）,温和噬菌体感染,整合到细菌染色体的特定位点上,宿主细胞发生溶源化,溶源菌因诱导而发生裂解时，,在前噬菌体二侧的少数宿主,基因因偶尔发生的不正常切,割而连在噬菌体DNA上,部分缺陷的温和噬菌体,把供体菌的少数特定基因转移到受体菌中,普遍转导与局限转导的特性比较,普遍转导,局限转导,转导的发生,自然发生,人工诱导（uv）,噬菌体形成,误包,前噬菌体的“误切”,内含DNA,只含宿主DNA,含噬菌体和宿主DNA,转导性状,供体的任何性状,前噬菌体两端邻近基因,转导过程,双交换（转导DNA 替换受体DNA 同源区）,转导DNA插入，使受体菌为部分二倍体,1.3 转化（transformation）,定义,：,受体细胞直接吸收供体细胞的DNA片段,并与其染色体同源片段进行遗传物质交换，从而使受体细胞获得新的遗传性状的现象。,抽提 导入 ssDNA 整合,供体细胞 dsDNA 受体细胞 转化子,感受态,复制,每毫升菌液的转化子数,转化频率,=,每毫升菌液的细胞数,经转化后出现了供体性状的受体细胞称为转化子（transformant），即转化成功的菌落。,自然遗传转化（natural genetic transformation）,人工转化（artificial transformation）,感受态细胞：,具有摄取外源DNA能力的细胞,（competent cell）,自然感受态与人工感受态的不同？,自然感受态的出现是细胞一定生长阶段的生理特性（如肺炎链球菌的感受态出现在对数生长期）受细菌自身的基因控制,人工感受态则是通过人为诱导的方法，使细胞具有摄取DNA的能力，或人为地将DNA导入细胞内。,（该过程与细菌自身的遗传控制无关！）,感受态的机理,局部原生质体化假说,处于感受态的细胞局部失去了细胞壁，使外源DNA能顺利经膜进入菌体。,酶受体假说,受体细胞表面出现了一种能结合DNA并使之进入细胞的酶。,自然转化过程的特点,a）对核酸酶敏感；,c）转化是否成功及转化效率的高低主要取决于转化（DNA）给体菌株和转化受体菌株之间的亲源关系；,d）通常情况下质粒的自然转化效率要低得多；,b）不需要活的DNA给体细胞；,人工转化,用,CaCl,2,处理细胞，电穿孔,等是常用的人工转化手段（使细胞膜更易于透过DNA）。,在自然转化的基础上发展和建立的一项细菌基因重组手段，是基因工程的奠基石和基础技术；,不是由细菌自身的基因所控制；,用多种不同的技术处理受体细胞，使其人为地处于一,种可以摄取外源DNA的,“人工感受态”。,质粒的转化效率高,（不像线型DNA 那样易于降解，而且还能在宿主中复制。任何来源的DNA 将其连接到质粒上都能进入受体细胞）,；,人体肠道元基因组,该项研究成果收集了,124,个来自于欧洲人肠道菌群的样本，采用了新一代大规模高通量的测序技术进行深度测序，产出近,6,千亿的碱基序列。,经过序列组装和基因注释分析，从中获得,330,万个非冗余的人体肠道元基因组的参考基因，约是人自身基因的,150,倍。这个基因集中包含了绝大部分目前已知的人体肠道微生物基因，但更多的是目前未知微生物的基因。,从这个基因集中可以估计人肠道中存在约,1000,到,1150,种细菌，平均每个体内约含有,160,种优势菌种，并且这些细菌是绝大部分个体所共有的。,细菌基因组研究的最新进展,2010,年,5,月,20,日，著名分子生物学家克莱格,文特尔（,Craig Venter,）在,科学,杂志上发表了他的实验室在合成基因组方面的最新结果。,文特尔的实验室首先合成了蕈状支原体（,Mycoplasma mycoides,）的基因组。蕈状支原体是一种很小的原核生物，但是它的基因组也包含了超过,100,万个碱基对,这项研究可以分为两个部分，一是合成基因组，二是把合成的基因组转入异种细胞，并让其完全取代细胞中原有的基因。,