1、第八章第八章 微生物遗传学微生物遗传学(1)遗传遗传heredity:上一代生物将自身的一整套遗传基因稳定地上一代生物将自身的一整套遗传基因稳定地传递给下一代的特性传递给下一代的特性。变异变异variation：生物体在某种外因或内因的作用下，发生遗生物体在某种外因或内因的作用下，发生遗传物质结构或数量的改变，而且这种改变稳传物质结构或数量的改变，而且这种改变稳定，具有可遗传性定，具有可遗传性。引言引言 1.遗传与变异遗传与变异 遗传保证了微生物种的相对稳定性、种的存在和延续，遗传保证了微生物种的相对稳定性、种的存在和延续，而变异那么推动了种的进化和开展。而变异那么推动了种的进化和开展。2.遗
2、传型和表型遗传型和表型 遗传型遗传型genotype 表型表型(phenotype)某一生物体个体所含有的全部遗传因子，某一生物体个体所含有的全部遗传因子，即基因的总和即基因的总和，又称为基因型。又称为基因型。某一生物体所具有的一切外表特征及内某一生物体所具有的一切外表特征及内在特性的总和在特性的总和。表型的实现是由生物体的表型的实现是由生物体的遗传型遗传型和和环境条件环境条件共同作用的结果。共同作用的结果。饰变饰变modification 表型的差异只与环境有关。不涉及遗传物质结构改变而只发生表型的差异只与环境有关。不涉及遗传物质结构改变而只发生在转录、转译水平上的表型改变。在转录、转译水平
3、上的表型改变。谷氨酸发酵的温度敏感菌株在30时菌体生长而不产生氨基酸，但是当温度提高到37时，菌体大量合成谷氨酸。变异变异 遗传物质改变，导致表型改变遗传物质改变，导致表型改变 3.饰变与变异饰变与变异 遗传型变异遗传型变异,基因突变基因突变 特点：遗传性、群体中极少数个体的行为特点：遗传性、群体中极少数个体的行为 自发突变频率通常为自发突变频率通常为1010-6 6-1010-9 9 特点：特点：暂时性、不可遗传性、表现为全部个体的行为。暂时性、不可遗传性、表现为全部个体的行为。微生物是遗传学研究中的明星微生物是遗传学研究中的明星:微生物细胞结构简单，营养体一般为单倍体，方便建立纯系。微生物
4、细胞结构简单，营养体一般为单倍体，方便建立纯系。很多常见微生物都易于人工培养，快速、大量生长繁殖很多常见微生物都易于人工培养，快速、大量生长繁殖。对环境因素的作用敏感，易于获得各类突变株，操作性强。对环境因素的作用敏感，易于获得各类突变株，操作性强。第一节第一节 遗传变异的物质根底遗传变异的物质根底 一、证明核酸是遗传物质根底的三个经典实验一、证明核酸是遗传物质根底的三个经典实验 二、遗传物质在细胞内存在部位和方式二、遗传物质在细胞内存在部位和方式 1.经典转化实验经典转化实验:证明证明DNA是遗传变异的物质根底。是遗传变异的物质根底。Avery在四十年代以更精密的实验设计重复了以上实验 分别
5、用S型菌中提取的DNA、RNA和 蛋白质转化R型菌 且DNA被酶降解破坏的抽提物无转化活性 DNA是转化所必需的转化因子 一、三个经典实验一、三个经典实验 T2噬菌体感染实验噬菌体感染实验 2.噬菌体感染实验噬菌体感染实验1952年，年，A.D.Hershey 和和 M.Chase 3.植物病毒的重建实验 证明杂种病毒的蛋白质 外壳来自TMV还是HRV,可用血清学反响鉴定 证明核酸证明核酸RNA是遗传的物质根底是遗传的物质根底 血清学反响说明病毒蛋 白质的特性由核酸而定 H.Fraenkel-Conrat(1956年)病斑的特性和 病毒核酸一致 二、遗传物质在细胞内存在的部位和方式二、遗传物质
6、在细胞内存在的部位和方式 一七个水平一七个水平 细胞水平细胞水平 单核，多核单核，多核 细胞核水平细胞核水平 真核，拟核真核，拟核 染色体水平染色体水平 核酸水平核酸水平 DNA，局部病毒为，局部病毒为RNA；双链，少数病毒为单链；双链，少数病毒为单链 基因水平基因水平 遗传功能单位遗传功能单位 密码子水平密码子水平 遗传信息单位遗传信息单位 核苷酸水平核苷酸水平 最低突变单位和交换单位最低突变单位和交换单位 一套，两套一套，两套,核外染色体核外染色体 基因基因gene是什么是什么 是实体，其物质根底是DNA 或RNA；是一个含有特定遗传信息的DNA分子区段；是遗传信息传递和性状分化发育的依据
7、；基因是可分的，根据功能不同，分为：编码蛋白质的基因 结构基因结构蛋白，酶 调节基因阻遏蛋白或激活蛋白 无翻译产物的基因 tRNA基因简称 tDNA rRNA基因简称rDNA 不转录的DNA区段 启动子promotor 操纵基因operator 基因是一个含有特定遗传信息的核苷酸序列，它基因是一个含有特定遗传信息的核苷酸序列，它是遗传的功能单位。是遗传的功能单位。第二节第二节 质粒质粒 P196 质粒质粒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，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。主要存在于各种微生物细胞中。附加体附加体(e
8、pisome)指哪些既可以整合到核染色体上，作为染色体的一局部而指哪些既可以整合到核染色体上，作为染色体的一局部而进行复制，又可以再游离出来或携带一些寄主的染色体基因游进行复制，又可以再游离出来或携带一些寄主的染色体基因游离出来，这类质粒被称为附加体。离出来，这类质粒被称为附加体。1、质粒的分子结构、质粒的分子结构(1)结构结构 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；也发现有线型双链DNA质粒和RNA质粒；质粒分子的大小范围从1kb左右到1000kb；细菌质粒多在10kb以内 2.质粒的别离质粒的别离 碱提取法：
9、碱提取法：菌体的培养和收集：一般采用丰富培养基对菌体菌体的培养和收集：一般采用丰富培养基对菌体进行培养，当细胞生长到指数期后期时，离心收集进行培养，当细胞生长到指数期后期时，离心收集细胞。细胞。溶菌：一般用溶菌酶去壁以形成原生质体或原生溶菌：一般用溶菌酶去壁以形成原生质体或原生质球。质球。碱变性处理：在碱变性处理：在SDS等外表活性剂存在下加等外表活性剂存在下加NaOH液使液使pH升至升至12.4，可使菌体蛋白质、染色体，可使菌体蛋白质、染色体DNA以及质粒以及质粒DNA变性。变性。质粒复性：参加质粒复性：参加pH4.8的的KAc-HAc缓冲液，将提缓冲液，将提取液调至中性，由于质粒分子量小而
10、容易复性，并取液调至中性，由于质粒分子量小而容易复性，并稳定存在于溶液中；染色体稳定存在于溶液中；染色体DNA分子量太大，在分子量太大，在复性过程中形成复性过程中形成DNA之间的交联导致其形成更大之间的交联导致其形成更大分子的不溶性物质。分子的不溶性物质。离心别离：经高速离心可以使细胞碎片和已变性离心别离：经高速离心可以使细胞碎片和已变性的菌体蛋白及染色体的菌体蛋白及染色体DNA一起沉淀，上清液中主一起沉淀，上清液中主要是质粒要是质粒DNA，经乙醇沉淀后，可获得质粒，经乙醇沉淀后，可获得质粒DNA。参见参见 P197 3.质粒的检测质粒的检测 提取所有胞内提取所有胞内DNA后电镜观察；后电镜观
11、察；氯化铯-溴化乙啶密度梯度超速离心；超速离心；对于实验室常用菌，可用质粒所带的某些特点，对于实验室常用菌，可用质粒所带的某些特点，如抗药性初步判断。如抗药性初步判断。对于由于三种构型同时存在时造成的多带现象提取质粒时造成对于由于三种构型同时存在时造成的多带现象提取质粒时造成 或自然存在，可以进行特异性单酶切，使其成为一条带。或自然存在，可以进行特异性单酶切，使其成为一条带。琼脂糖凝胶电泳后观察；琼脂糖凝胶电泳后观察；4.质粒的特性质粒的特性(1)位于核基因组外；位于核基因组外；(3)自主复制；自主复制；(2)cccDNA 链霉菌和酵母菌中发现了线状链霉菌和酵母菌中发现了线状dsDNA质粒和质
12、粒和RNA质粒质粒(4)有的质粒可整合到核染色体上；有的质粒可整合到核染色体上；(5)可重组质粒与质粒间，质粒与染色体间；可重组质粒与质粒间，质粒与染色体间；(6)人为消除丫叮类，人为消除丫叮类，UV，电离辐射，利福平等，电离辐射，利福平等(7)有的质粒可在细胞间转移有的质粒可在细胞间转移F因子，因子，R因子因子 质粒所含的基因对宿主细胞一般是非必需的；质粒所含的基因对宿主细胞一般是非必需的；有时能赋予宿主细胞以特殊的机能，从而使宿主得到生长优势有时能赋予宿主细胞以特殊的机能，从而使宿主得到生长优势 5、质粒的主要类型、质粒的主要类型 根据质粒所根据质粒所 编码的功能编码的功能 和赋予宿主和赋
13、予宿主 的表型效应的表型效应 分类分类:致育因子致育因子Fertility factor，F因子因子 抗性质粒抗性质粒Resistance factor，R因子因子 产细菌素的质粒产细菌素的质粒Bacteriocin production plasmid 毒性质粒毒性质粒virulence plasmid 代谢质粒代谢质粒Metabolic plasmid 隐秘质粒隐秘质粒cryptic plasmid 2 m质粒质粒 参见参见 P197(1)致育因子致育因子(Fertility factor，F因子因子)又称F质粒，其大小约100kb，这是最早发现的一种与大肠杆菌 的有性生殖现象接合作用有关
14、的质粒。携带F质粒的菌株称为F+菌株 相当于雄性，无F质粒的 菌株称为F-菌株相当于雌性。F因子能以游离状态因子能以游离状态(F+)和和 以与染色体相结合的状态以与染色体相结合的状态(Hfr)存在于细胞中，所以存在于细胞中，所以 又称之为又称之为附加体附加体(episome)。在志贺氏菌属在志贺氏菌属Shigella、沙门氏菌属、沙门氏菌属Salmonella和链和链球菌属球菌属Streptococcus等其他细菌中也发现了与大肠杆菌等其他细菌中也发现了与大肠杆菌类似的致育因子。类似的致育因子。在放线菌中，天蓝色链霉菌含有在放线菌中，天蓝色链霉菌含有SCP1和和SCP2两种致育质粒两种致育质粒
15、，这两种质粒在天蓝色链霉菌的接合过程中起重要作用，带，这两种质粒在天蓝色链霉菌的接合过程中起重要作用，带动染色体从供体细胞向受体细胞转移。动染色体从供体细胞向受体细胞转移。参见参见 P197(2)抗性因子抗性因子Resistance factor，R因子因子 包括抗药性和抗重金属二大类，简称R质粒。R100质粒质粒(89kb)可使宿主对可使宿主对 以下药物及重金属具有抗性：以下药物及重金属具有抗性：汞汞mercuric ion，mer 四环素四环素tetracycline，tet 链霉素链霉素(Streptomycin,str)、磺胺磺胺(Sulfonamide,sul)、氯霉素氯霉素(Chl
16、orampenicol,cml)夫西地酸夫西地酸fusidic acid，fus 负责这些抗性的基因是成簇地负责这些抗性的基因是成簇地 存在于抗性质粒上。存在于抗性质粒上。抗性质粒在细菌间的传递是细菌抗性质粒在细菌间的传递是细菌 产生抗药性的重要原因之一。产生抗药性的重要原因之一。细 菌 素细 菌 素抗 生 素抗 生 素抑 制 或 杀 死 近 缘，甚 至 同 种 不 同 株 的 细 菌抑 制 或 杀 死 近 缘，甚 至 同 种 不 同 株 的 细 菌较 广 的 抗 菌 谱通 过 核 糖 体 直 接 合 成 的 多 肽 类 物 质通 过 核 糖 体 直 接 合 成 的 多 肽 类 物 质一 般 是 次 级 代 谢 产 物编 码 细 菌 素 的 结 构 基 因 及 相 关 的 基 因 一 般 位编 码 细 菌 素 的 结 构 基 因 及 相 关 的 基 因 一 般 位于 质 粒 或 转 座 子 上于 质 粒 或 转 座 子 上一 般 无 直 接 的 结 构 基 因，相 关 酶 的 基 因 多 在染 色 体 上(3)Col 质粒：产细菌素的质粒质粒：产细菌素的质粒Bacteriocin pr
