微生物遗传学培训课件

微生物微生物遗传遗传学学 两亲本菌株的选择和遗传标记的制作两亲本菌株的选择和遗传标记的制作（选择不同的营养缺陷型，（选择不同的营养缺陷型，（A:a+b-,B:a-b+）对药物抗性差异）对药物抗性差异）原生质体的制备原生质体的制备（高渗条件）（高渗条件）原生质体再生（测定再生率）原生质体再生（测定再生率）融合融合（PEG、离心沉淀、电脉冲等）离心沉淀、电脉冲等）融合子的检出融合子的检出（直接检出法和间接检出法）（直接检出法和间接检出法）实用性菌株的筛选实用性菌株的筛选2.操作过程：操作过程：2微生物遗传学五、五、微生物的基因组结构微生物的基因组结构1.1.基因组（基因组（genomegenome）：）：指存在于细胞或病毒中的一整套遗传信息。指存在于细胞或病毒中的一整套遗传信息。（一个物种的单倍体的所有染色体及其所包含的遗传信息的总称）（一个物种的单倍体的所有染色体及其所包含的遗传信息的总称）原核生物，多为单倍体（在一般情况下只有一条染色体）真核微生物，通常为双倍体（多条染色体，啤酒酵母有16条染色体。）3微生物遗传学2.微生物与人类基因组计划微生物与人类基因组计划人类基因组计划（Human Genome Project）1985年提出；1990年正式开始实施；2001年2月，测序工作完成后基因组时代（Postgenome Era）4微生物遗传学微生物基因组测序工作是在人类基因组计划的促进下开始的，最开始是作为模式生物，后来不断发展，已成为研究微生物学的最有力的手段。5微生物遗传学被选择进行全基因组测序的微生物：（1）人类基因组计划中的模式生物重要性）人类基因组计划中的模式生物重要性a）技术上从低等入手，建立技术、积累经验。技术上从低等入手，建立技术、积累经验。通过对基因组结构相对简单生物，特别是微生物基因组的测序，对大规模测序的策略及技术进行检验，积累经验；b）理论上利用基因组在进化上的连续性进行比较研究理论上利用基因组在进化上的连续性进行比较研究 通过对不同进化程度的基因组的分析、比较揭示更多的基本生物学信息。通过研究较为简单的基因组而解答复杂的人类基因组问题，6微生物遗传学被选择进行全基因组测序的微生物：（2）与人类生活关系密切的微生物）与人类生活关系密切的微生物（1）人类基因组计划中的模式生物重要性）人类基因组计划中的模式生物重要性医疗健康:重要的致病菌工业生产:工业生产菌农业种植:植物病原菌（3）对阐明生物学基本问题有价值的微生物）对阐明生物学基本问题有价值的微生物 一些古生菌：如Methanococcus jannaschii(詹氏甲烷球菌)等，它们是微生物世界多样性的代表，它们的序列比较有助于找出其进化关系。7微生物遗传学3.微生物基因组结构的特点微生物基因组结构的特点3.1 原核生物（细菌、古生菌）基因组原核生物（细菌、古生菌）基因组（1）染色体为）染色体为双链环状的双链环状的DNA分子（单倍体）；分子（单倍体）；链环状的染色体在细胞中以紧密缠绕成的较致密的不规则小体形式存在于细胞中，该小体称为拟核拟核(nucliod)，其上结合有类组蛋白蛋白质和少量RNA分子，使其压缩成一种手脚架形的致密结构。例外：布氏疏螺旋体(Borrelia burgdorferi)的染色体是线状的8微生物遗传学3.1 原核生物（细菌、古生菌）基因组原核生物（细菌、古生菌）基因组（1）染色体为）染色体为双链环状的双链环状的DNA分子（单倍体）；分子（单倍体）；（2）基因组上遗传信息具有连续性；）基因组上遗传信息具有连续性；基因数基本接近由它的基因组大小所估计的基因数微生物基因组DNA绝大部分用来编码蛋白质、RNA；用作为复制起点、启动子、终止子和一些由调节蛋白识别和结合的位点等信号序列。一般不含内含子，遗传信息是连续的而不是中断的。真核生物基因组的一个重要特点就是含有内含子个别细菌(鼠伤寒沙门氏菌和犬螺杆菌)和古生菌的rRNA和tRNA的基因中也发现有内含子或间插序列9微生物遗传学3.1 原核生物（细菌、古生菌）的基因组原核生物（细菌、古生菌）的基因组（1）染色体为）染色体为双链环状的双链环状的DNA分子（单倍体）；分子（单倍体）；（2）基因组上遗传信息具有连续性；）基因组上遗传信息具有连续性；（3）功能相关的结构基因组成操纵子结构；）功能相关的结构基因组成操纵子结构；（4）结构基因的单拷贝及）结构基因的单拷贝及rRNA基因的多拷贝；基因的多拷贝；（5）基因组的重复序列少而短；）基因组的重复序列少而短；古生菌的基因组在结构上类似于细菌。但是信息传递系统(复制、转录和翻译)则与细菌不同而类似于真核生物。操纵子（操纵子（operonoperon）：）：p195p195 功能相关的几个基因前后相连，再加上一个共同的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调节基因和一和一组共同的控制位点（组共同的控制位点（启动子、操纵基因启动子、操纵基因等）在基因转录时协同动作。等）在基因转录时协同动作。10微生物遗传学3.2 真核微生物（啤酒酵母）的基因组真核微生物（啤酒酵母）的基因组（1）典型的真核染色体结构；）典型的真核染色体结构；（2）没有明显的操纵子结构；）没有明显的操纵子结构；啤酒酵母基因组大小为13.5106bp，分布在16条染色体中。（3）有间隔区（即非编码区）和内含子序列；）有间隔区（即非编码区）和内含子序列；（4）重复序列多；）重复序列多；内含子（内含子（intron）:真核细胞基因DNA中的间插序列，这些序 列被转录成RNA，但随即被剪除而不翻译。外显子（外显子（exon）:真核细胞基因DNA中的编码序列，这些序 列可被转录为RNA并进而翻译为蛋白质。11微生物遗传学4.基因组测序方法基因组测序方法全基因组鸟枪测序步骤：用超声波将基因组随机打断成相当小的片段，这些片段与质粒载体结合，产生质粒克隆文库。制备克隆和提纯DNA，然后进行测序。用专门的计算机程序将已测序的DNA片段通过片段之间核苷酸序列重叠的比较，可装配成比较长的DNA序列。重叠的大片段按合适的顺序排队，得到完整的DNA序列。12微生物遗传学 DNA的自动测序结果的自动测序结果注：DNA自动测序是对Sanger方法的改进：(1)用不同颜色的荧光标记ddNTP；(2)4种反应混合进行，并一块进行电泳；(3)对凝胶上具有不同颜色的荧光带(a)进行扫描，可迅速确定待测DNA序列(b)。13微生物遗传学5.基因组序列的注释和意义基因组序列的注释和意义基因组序列注释的目标是确定特定基因在基因组图谱中位置。此外，还能提供一些关于转座因子、操纵子、重复序列及其他基因组特征的某些信息。流感嗜血菌的基因组测序结果和注释见下图。外同心圈用不同的颜色代表不同功能的编码区(例如，氨基酸的生物合成、能量代谢、复制、转录、翻译及调节功能等)；外圈周边显示的Nat I、Rsr II、Sam I等限制性酶切位点；从外数的第二圈显示高G+C含量和高A+T含量的区域；第三圈显示由噬菌体克隆所包含的片段；第四圈显示rRNA操纵子、tRNA和类似Mu原噬菌体；第五圈显示简单的串联重复序列和可能的复制起点和潜在的终止序列。14微生物遗传学15微生物遗传学第七节第七节 真核微生物的基因重组真核微生物的基因重组16微生物遗传学真核生物的基因重组方式主要有以下四种：（1）有性杂交）有性杂交 （2）准性杂交）准性杂交 （3）原生质体融合 （4）转化17微生物遗传学2.酵母菌的接合型遗传酵母菌的接合型遗传 单倍体可以是或a两种接合型的其中之一，一个单倍体酵母细胞是型还是a型是由其本身的遗传特性所决定的，是一种稳定的遗传特征。一种接合型的单倍体细胞有时会发生转变，即由型变成a型或再回到型。19微生物遗传学3.酿酒酵母的有性杂交育种程序：酿酒酵母的有性杂交育种程序：两亲本菌株的选择单倍体细胞的分离与验证单倍体细胞遗传标记的制作杂交杂合子的检出优良性状个体的筛选与性能测试20微生物遗传学 二、准性杂交二、准性杂交/生殖（生殖（parasexual hybridization /reproduction）1.定义定义：同种生物两个不同菌株的同种生物两个不同菌株的体细胞体细胞（即带有不同遗传（即带有不同遗传 性状的两个单倍体细胞或菌丝）性状的两个单倍体细胞或菌丝）经融合后，经融合后，不经减数不经减数 分裂分裂而导致低频率基因重组并产生重组子的生殖而导致低频率基因重组并产生重组子的生殖 方式。方式。准性生殖是丝状真菌，特别是不产生有性孢子的丝状真菌（半知菌亚门的真菌）特有的遗传现象。21微生物遗传学2.过程过程：1）菌丝联结；）菌丝联结；2）异核体的形成；）异核体的形成；（同时具有一个以上不同遗传型细胞核的细胞）3）核融合和杂合二倍体的形成；）核融合和杂合二倍体的形成；（细胞核中含有2个不同来源染色体组的菌体细胞。发生机会为百万分之一。）4）单倍体化）单倍体化 （杂合二倍体极不稳定，在其有丝分裂过程中，有极少数细胞，其同源染色体的两条染色单体之间发生交换，在体细胞分裂时，产生1个或1个以上标记的纯合现象，从而形成新性状的单倍体杂合子。其单元化不是一次有丝分裂的结果，而要经过若干次有丝分裂过程，每次分裂都有可能从二倍体核中失去部分染色体，最后才回复成单倍体核。）22微生物遗传学3.有性生殖与准性生殖的比较比较项目准性生殖有性生殖参与接合的亲本细胞形态相同的体细胞形态或生理上有分化的性细胞独立生活的异核体阶段有无接合后双倍体的细胞形态与单倍体基本相同与单倍体明显不同双倍体变为单倍体的途径通过有丝分裂通过减数分裂接合发生的几率偶然发生，几率低正常出现，几率低23微生物遗传学三、酵母菌的线粒体遗传三、酵母菌的线粒体遗传线粒体内含线粒体内含1个个DNA片段片段（核外遗传系统，为线粒体行使功能所核外遗传系统，为线粒体行使功能所需的需的rRNA、tRNA及某些酶如细胞色素、及某些酶如细胞色素、ATP合成酶编码），是合成酶编码），是一种细胞质遗传，也称非孟德尔遗传。一种细胞质遗传，也称非孟德尔遗传。酵母菌中酵母菌中典型的细胞质遗传典型的细胞质遗传现象是现象是小菌落突变型的遗传小菌落突变型的遗传：在培养的酵母群体中，常有在培养的酵母群体中，常有1%2%的细胞自发出现小菌落表型的细胞自发出现小菌落表型“小菌落小菌落”（呼吸缺陷型菌落）：（呼吸缺陷型菌落）：酵母菌由于线粒体DNA严重缺损或大部分丢失，缺失细胞色素a、b及细胞色素c氧化酶，即使在通气条件下，细胞生长也很缓慢，在葡萄糖培养基上只能形成小菌落。功能：功能：细胞呼吸作用的场所，为生命活动提供细胞呼吸作用的场所，为生命活动提供ATP。真核生物的真核生物的“动力车间动力车间”。24微生物遗传学中性小菌落(0 0)：+0 0：野生型:小菌落=4:0 抑制性小菌落(-)：+-：野生型:小菌落=0:4 分离型小菌落：野生型:小菌落=2:2 小菌落突变株小菌落突变株的三种类型：的三种类型：野生型mtDNA：(+)；中性小菌落(neutral petite)(0 0)：mtDNA全部丧失 抑制性小菌落(suppressive petite)(-)：mtDNA部分缺失突变分离型小菌落(segregational petite)：染色体基因突变鉴别方法：鉴别方法：25微生物遗传学基因工程定义：利用利用PCR扩增技术或在体外从某扩增技术或在体外从某种生物基因组中分离感兴趣的基因，或种生物基因组中分离感兴趣的基因，或是用人工合成的方法获取基因，然后经是用人工合成的方法获取基因，然后经过一系列切割，加工修饰，连接反应形过一系列切割，加工修饰，连接反应形成重组成重组DNA分子，再将其转入适当的受分子，再将其转入适当的受体细胞，以期获得基因表达的过程体细胞，以期获得基因表达的过程.26微生物遗传学基因工程的操作过程基因工程的操作过程基因工程的操作过程主要由以下步骤组基因工程的操作过程主要由以下步骤组成：成：载体和目的基因的分离；载体和目的基因的分离；载体载体和目的基因的切断；和目的基因的切断；载体和目的基因载体和目的基因的重组；的重组；重组重组DNA的转化和扩增；的转化和扩增；重组重组DNA的筛选和鉴定。的筛选和鉴定。27微生物遗传学基因工程三大理论DNA结构和中心法则的发现质粒的发现限制性内切酶的发现28微生物遗传学基因工程三大技术转化技术DNA体外重组技术琼脂糖凝胶电泳技术29微生物遗传学30微生物遗传学1.PCR技术现代基因操作技术31微生物遗传学现代基因操作技术2.DNA Shuffling技术基本原理：先将来源不同但功能相同的一组同源基因，用DNA核酸酶I进行消化产生随机小片段，由这些小片段组成一个文库，使之互为引物和模板，进行PCR扩增，当一个基因拷贝片段作为另一基因拷贝引物时，引起模板转换，重组因而发生，导入体内后，选择正突变体作为新一轮的体外重组。一般通过23个循环，得到产物大幅度提高的重组突变体。全基因组改组：将DNA shuffling的多亲本体外重组的优点和传统的育种(细胞融合)相结合的全基因组体内改组技术。32微生物遗传学