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第六章 微生物的遗传和变异第一节 遗传变异的物质基础 第二节 质粒和转座因子 第三节 基因突变和修复 第四节 细菌的基因转移和重组 第五节 真核微生物的遗传学特性 第六节 微生物的育种第一节 遗传变异的物质基础一、DNA作为遗传物质1,格里菲思转化(Griffith)实验肺炎链球菌S型菌株加热杀死注入小鼠 体内后小鼠不死,而且也不能从小鼠体内重 新分离到肺炎球菌。将S型菌株加热杀死后 和小量活的非致病的R型菌(由S型突变而 来)一起注入小鼠体内后小鼠死亡,而且从 小鼠体内重新分离到活的S肺炎球菌。这种现象唯一合理的解释是:活 的、非致病型的R型从已被杀死的S 中获得了遗传物质,使其成为产生荚 膜、有致病性的S型。当分别用降解 DNA、RNA或蛋白质的酶作用与有毒 的S型细胞提取物,选择性地破坏这些 细胞成分,然后分别与无毒的R型细胞 混合,结果发现:只有DNA被酶降解 遭到破坏的抽提物无转化作用。从而 证明DNA是转化所必需的转化因子。2,T2噬菌体感染实验用32P标记病毒的DNA,35S标记病毒的 蛋白质外壳。然后将这两种不同标记的病毒 分别与宿主大肠杆菌混合,结果发现:用含 有35S蛋白质的T2噬菌体感染大肠杆菌时,大 多数放射性留在宿主细胞的外边,而用含有 32PDNA的T2噬菌体感染大肠杆菌时,32PDNA 注入宿主细胞,并产生噬菌体后代,这些T2 噬菌体后代的蛋白质外壳的组成、形状大小 等特性均与留在细胞外的蛋白质外壳完全相 同,这说明决定蛋白质外壳的遗传信息是在 DNA上。 二、RNA作为遗传物质TMV拆分重建实验:分别提取TMV的蛋 白质和HR(TMV的变种)的RNA,通过重建 获得杂种病毒。TMV抗血清使杂种病毒失活, HR抗血清不能使杂种病毒失活,说明杂种病 毒的蛋白质外壳来自TMV;杂种病毒感染烟草 产生HR所特有的病斑,说明杂种病毒的感染 特性是由HR的RNA所决定;从病斑中再分离 得到的子代病毒的蛋白质外壳是HR蛋白质, 而不是TMV蛋白质。实验表明T2的遗传物质是 RNA。 三、基因基因:是一个具有遗传因子效应的 DNA片断,是遗传物质的最小功能单位 。基因组:是指存在于细胞或病毒中 的所有基因。性状:构成一个生物个体的所有的 有关结构、形态、物质和功能等方面的 总称。基因决定性状,性状是基因表达的 最终结果。 四、原核微生物的遗传物质原核微生物无典型的染色体结构, 但是通常都称核区中的DNA为染色体 DNA.。染色体DNA是原核微生物的主要 遗传物质,直接存在于原核之中,一般 为dsDNA,基因数103104。 大肠杆菌基因组特点:1,遗传信息是连续的。2,功能相关的结构基因组成操纵子结构, 有些功能相关的RNA基因也串联在一起。4100 个基因,2584个操纵子,16SrRNA基因- 23SrRNA基因-5SrRNA基因串联在一起。3,结构基因在基因组中多为单拷贝。rRNA 基因多拷贝,7个rRNA操纵子。4,基因组的重复序列少而短。重复序列一般 为4-40个碱基。(质粒和转座因子是细胞中除染色体之外的另 外两类遗传因子。) 五、真核微生物的遗传物质 染色体DNA存在于核内的染色体中,双 链,每一条染色体只含有一条线状双链 DNA。 代表,啤酒酵母,16条染色体。啤酒酵母基因组特点:1, 高度重复:tRNA基因在每条染色体 上至少有4个,共约250个拷贝。 2,没有明显的操纵子结构,有间隔区或 内含子序列。 3,基因组上有许多较高同源性的DNA重 复序列(即遗传丰余)。 (核外遗传物质线粒体DNA、叶绿体 DNA) 六、古生菌-詹氏甲烷球菌的基因组 1,几乎有一半基因在现有的基因数据库中 找不到同源序列。 2,基因组在结构上类似于细菌。如环形染 色体DNA、功能相关的基因组成操纵子、基本 上无内含子等。 3,负责信息传递功能的基因(复制、转录 、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一样。如RNA聚 合酶、启动子结构、翻译延伸因子等。 第二节 质粒和转座因子质粒和转座因子是细胞中除染色体 之外的另外两类遗传因子。 一、质粒1,概念 质粒:一种独立于染色体外、能进 行自主复制的细胞质遗传物质。 2,质粒的特性 (1) 通常是共价闭合、环状、双链DNA分 子。比染色体DNA小得多,约含50100个基 因。 (2)具有自我复制能力。 (3)质粒基因不是宿主生长所必需的,消除 质粒后不会影响到宿主细胞的生存,但是却 决定宿主细胞的某些性状,如抗药性、接合 作用等。 (4)具有不相容性(不亲和性),当细胞内 有一种质粒时,可干扰第二种近缘质粒进行 复制。 (5)质粒可自行或以人工方法消除。 3,质粒类型(1)根据质粒所编码的功能和赋予 宿主的表型效应A:致育质粒(致育因子、F因子、F质粒): 是 最早发现的一种与大肠杆菌的有性生殖有关的质 粒。携带F质粒的菌株称为F+,不携带F质粒的菌 株称为F-,F质粒整合到宿主细胞染色体上的菌株 称为高频重组菌株(Hfr),当高频重组菌株( Hfr)上的F因子通过重组恢复成自主状态时,有 时可将其相邻的染色体基因一起切割下来,而成 为携带某一染色体基因的F因子,将这些携带不同 基因的F因子统称为F,携带F因子的菌株也常 用F表示。 B:抗性质粒(抗性因子、R因子、R质粒 ): 包括抗药性和抗金属性两大类。C:细菌素质粒 : (细菌素是细菌产生的一般只 能抑制或杀死种内不同亚种或菌株中敏感细菌 的特殊多肽类代谢产物。)如col质粒。D:毒性质粒(致病质粒):质粒上具有编码 毒素的基因,如Ti质粒。E:代谢质粒(降解质粒): 这类质粒上携带 有能降解某些基质的基因,这类质粒还包括一 些能编码固氮功能的质粒。F:隐秘质粒: 不显示任何表型效应,只有通 过物理方法才能发现。 (2)根据质粒的拷贝数A:高拷贝质粒(松弛型质粒)10-100B:低拷贝质粒(严谨型质粒)1-4(3)根据宿主范围A:窄宿主范围质粒: 质粒的复制 起点较特异,只能在一种特定的宿 主细胞中复制。B:广宿主范围质粒二、转座因子转座因子是细胞中(位于染色体或质 粒上)能够改变自身位置的一段特殊的 DNA序列。 1,转座因子的类型根据转座因子分子结构和特点可分 为三大类: (1)插入顺序(插入序列IS)插入顺序: 只含有编码转座所必需的 转座酶基因,也称跳跃基因。如IS4。(2)转座子(易位子,Tn): 包括复合转座子和复杂转座子 两种类型。(3)转座噬菌体: 具有转座功 能的一类可引起突变的溶源 性噬菌体。如Mu。 2,转座的遗传学效应 (1)插入突变 (2)染色体畸变(DNA的缺失和倒位) (3)基因的移动和重排 第三节 基因突变和修复一、基因突变的类型DNA分子中一对或少数几对碱基发 生变化称为基因突变(狭义的基因突变 ),也称点突变。 1,根据碱基变化对遗传信息的 改变不同可分为: (1)同义突变:某个碱基的变化没有改变产物 氨基酸序列的密码子变化。 (2)错义突变:碱基序列的改变引起了产物氨 基酸的改变。 (3)无义突变:某个碱基的改变,使代表某种 氨基酸的密码子变为蛋白质合成的终止密码子 (UAA,UAG,UGA)。 (4)移码突变:由于DNA序列中发生12个核 苷酸的缺失或插入,使翻译的阅读框发生改变 ,从而导致从改变位置以后的氨基酸序列的完 全变化。 2,根据突变所引起的表型变化 可分为: 表型:可观察或可检测到的个体性状或 特征,是特定的基因型在一定环境条件 下的表现。 (1)营养缺陷型 (2)抗药性突变型 (3)条件致死突变型 (4)形态突变型 二、基因突变规律1,自发突变 (1)彷徨实验(又称变量实验或波动实验) (2)涂布实验 (3)影印培养实验 2,自发基因突变的分子基础 (1)碱基的互变异构体形成不同碱基配 对 (2)在DNA复制时短的DNA片断的插 入或缺失 (3)随机插入基因组的转座因子 3,突变规律 (1)非对称性(随机性) (2)稀有性 (3)规律性 (4)独立性 (5)遗传和回复性 (6)可诱变性 三、诱发突变(一)诱变剂种类: 1,碱基类似物:5-溴尿嘧啶等。 2,插入染料:溴化乙锭、丫啶橙等。 3,直接与DNA碱基起化学反应的诱变剂 :NH2OH等。 4,辐射和热:UV等。 5,生物诱变因子:转座因子等。 (二)诱变剂与致癌物质 Ames试验 凡是致癌剂都是诱变剂,化学药剂对细菌的诱 变率与其对动物的致癌率成正比关系,所以只 要试验一下某化学物质对细菌是否有诱变性, 便可推测它的致癌性。其原理是;组氨酸缺陷 型在基本培养基上不能生长,如果待测样品具 有诱变作用而使其发生回复突变后即能在基本 培养基上生长,从而初步判断待测样品是否具 有诱变作用。将待测样品与从老鼠肝脏抽提的酶混合在 一起适当保温后,用直径约23mm的圆形滤纸 片吸取待测样品,放置在含有鼠伤寒沙门氏细 菌组氨酸缺陷型突变株的基本培养基平板中央 ,370C培养1624小时。如有诱变作用,则在滤 纸片周围即可长出回复突变的菌落,由于试验 纸片的化学药剂向四周扩散而形成自然的浓度 梯度,故在浓度最高即离试验纸片近的地方, 细菌会全部被杀死,因而无菌落形成;而离试 验滤纸片较远的适宜地方形成回复突变的菌落 最多。(实验所用的细菌必须不含有DNA修复酶)四、DNA的损伤修复 1,光复活作用(光修复) 2,切除修复 3,重组修复 4,SOS修复 (另外:适应修复,DNA酶的校正作用) (光修复、切除修复、重组修复是避免差错的 修复,SOS修复是倾向差错的修复) 第四节、细菌的基因转移和重组 基因重组是指来自两种不同亲本的DNA分子在 同一生物体内经过交换作用而产生新的重组 DNA分子的现象。在真核生物内,基因重组主 要通过典型的有性生殖方式有规律地进行,而 在细菌及放线菌等原核生物中,由于缺少完全 的有性生殖方式,不能形成真正的融合细胞。 所以它们的基因重组只能在特定的条件下才能 发生,一般只能以转化、接合和转导方式由供 体菌进入受体菌而形成重组子。 一、细菌的接合作用 接合作用是指通 过细胞与细胞的直接 接触而产生的遗传信 息的转移和重组过程 。质粒起主要作用。 二、转导作用 转导:是指一个细胞的DNA或RNA通过 病毒载体的感染转移到另一个细胞中的 过程。(是由病毒介导的细胞间进行的 遗传物质交换一种形式。) 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。转导可分为普遍性转导和局限 性转导两种类型。在普遍性转导中 ,噬菌体可以转导供体染色体的任 何部分到受体细胞中(如P22);而 在局限性转导中,噬菌体总是携带 同样的DNA片断到受体细胞中。 普遍性转导中外源DNA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) 如果转导DNA不能进行重组和复制,其上的基 因仅经过转录而得到表达,就成为流产转导( abortive transduction),其特点是在选择培养基 平板上形成微小菌落。DNA不能复制,因此群体 中仅一个细胞含有DNA,而其它细胞只能得到其 基因产物,形成微小菌落。 3)被降解, 转导失败,在选择平板上无菌落形成 。 局限性转导(specialized transduction): 温和噬菌体感染受体菌后,其染色体会整合到细菌染色 体的特定位点上,从而使宿主细胞发生溶源化,例如 噬菌体,其插入位点的二侧分别是gal和bio基因; 如果该溶源菌因诱导而发生裂解时,在原噬菌体二侧的 少数宿主基因,(对噬菌体分别是gal和bio基因), 会因偶尔
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