微生物遗传学基础

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,*,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,*,微生物遗传学基础,遗传与变异的概念,遗传和变异是生物体的最本质的属性之一。,遗传(heredity)：亲代生物的性状在子代得到表现；亲代生物传递给子代一套实现与其相同形状的遗传信息。特点：具稳定性。,遗传型（genotype）：又称基因型，指某一生物个体所含有的全部基因的总和；-是一种内在可能性或潜力。,遗传型 + 环境条件 表型,表型（phenotype）：指生物体所具有的一切外表特征和内在特性的总和;-,是一种现实存在，是具一定遗传型的生物在一定条件下所表现出的具体性状。,代谢,发育,变异(variation):生物体在外因,或内因的作用下，,遗传物质的结构或数量发生改变。,变异的特点：a.在群体中以极低的几率出现，（一般为10,-6,10,-10,）；b.形状变化的幅度大； c. 变化后形成的新性状是稳定的，可遗传的。,饰变（modification）：,指不涉及遗传物质结构改变而只发生在转录、转译水平上的表型变化。特点是：a.几乎整个群体中的每一个个体都发生同样的变化；b.性状变化的幅度小；c.因遗传物质不变，故饰变是不遗传的。引起饰变的因素消失后，表型即可恢复。,例如：粘质沙雷氏菌：在25下培养，产生深红色的灵杆菌素；在37下培养，不产生色素；如果重新将温度降到25，又恢复产色素的能力。,1.1.1 DNA作为遗传物质,Avery在四十年代以更精密的实验设计重复了以上实验,分别用降解DNA、RNA、蛋白质的酶,作用于有毒的S型菌细胞抽提物,只有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,1.1 遗传变异的物质基础,肺炎链球菌的转化现象,T,2,噬菌体感染实验（1952年）,侯喜-蔡斯（Hershey-Chase）,1.1.2 RNA作为遗传物质,生化提取分别获得含RNA的烟草花叶病,毒蛋白质外壳（病毒1）和核酸（病毒2）,抗血清处理，证明杂种病毒的蛋,白质外壳来自病毒1，而非病毒2,杂种病毒的后代的蛋白质外壳表现,为病毒2，而非病毒1,遗传物质是核酸（RNA）而非蛋白质,普通的TMV与毒株霍氏车前花叶病毒（HR）的核酸和蛋白质的拆开和相互对换重建的过程，同样令人信服地证实了核酸是TMV的遗传物质基础。,烟草花叶病毒经弱碱、尿素、去垢剂等处理，可以将其蛋白外壳与,RNA,分开，重新将蛋白外壳与,RNA,混合，病毒粒子又会重建。,将普通的,TMV,外壳与毒株霍氏车前花叶病毒,HR,的,RNA,混合构成杂种病毒。,TMV,抗体处理会使其钝化，不能引起病斑。,而用,HR,抗体处理，则不会影响杂种病毒的感染性，这说明杂种病毒的外壳确实是,TMV,病毒的外壳。,杂种病毒感染烟草后，在烟叶上出现,HR,的病斑，而且从中分离到具,HR,外壳的,HR,病毒，这表明是,TMV,的,RNA,、,而不是蛋白质携带着病毒的所有遗传信息。,烟草花叶病毒经弱碱、尿素、去垢剂等处理，可以将其蛋白外壳与RNA分开，重新将蛋白外壳与RNA混合，病毒粒子又会重建。,1.1.3 朊病毒的发现与思考,亚病毒的一种：具有传染性的蛋白质致病因子，迄今为止尚为,发现该蛋白内含有核酸。,其致病作用是由于动物体内正常的蛋白质PrP,c,改变折叠状态为,PrP,sc,所致，而这二种蛋白质的一级结构并没有改变。,人的库鲁病(kuru)、克雅氏病(Creutzfeldt Jakob disease, CJD)等,羊搔痒症(scrapie),牛海绵状脑病(spongiform encephalopathy),引起人与动物的致死性中枢神经系统疾病,Prusiner (1982)提出羊搔痒病因子是一种蛋白质侵染颗粒,（proteinaceous infectious particle），并将之称做Prion或Virino。,-朊病毒,1997年，Stanley B. Prusiner荣获诺贝尔奖,核酸存在的七个水平及质粒,细胞水平：存在于细胞核或核质体，单核或多核,细胞核水平,:,原与真核生物的细胞核结构不同，核外,DNA,染色体水平,:,倍性,(,真核,),和染色体数,核酸水平：在原核中同染色体水平、存在部分二倍体,DNA,或,RNA，,复合或裸露，双链或单链,基因水平：具自主复制能力的遗传功能单位，长度与信息量，转录,翻译,密码子水平：信息单位,起始和终止,核苷酸水平：突变或交换单位，四种碱基,1.2 遗传物质在细胞内的存在部位和方式,原核生物的核质,类核或拟核（nucleoids）,习惯上仍称为“梁色体”,细菌类核结构：,也存在一些RNA,可能不是必需组份分离中带上,蛋白质和DNA,E.coli,的DNA,大约4510个形成超螺旋的环,高度折叠的结构使DNA分子长度压缩了千余倍,1.3 微生物的染色体分子结构,1.3.1 原核微生物拟核体,DNA分子形成环状，这种环呈超螺旋状,它从致密的含蛋白质的结构中伸出（支架）,E.coli,2.410,9,Da，42000 Kb（1300微米），闭合环 状，约编码2000个基因。,类核（nucleoid）。,支架 (scafford） 50-100个DNA环组成，每200bp就有一个负超螺旋,DNA这种高度折叠的结构使DNA分子长度压缩了千余倍。,1.3.2 真核微生物染色体,(1) 染色质的基本结构,真核基因组的DNA是与蛋白质结合的染色质,染色质：细胞核中被碱性染料所染的成分,染色体：有丝分裂时所见的棒状结构,染色质,核小体是染色质的基本结构单位,核小体结构模型,(2) 染色体的结构模型,染色体的结构是由两条,染色单体(chromatid),组成的。,每条染色单体包括一条,染色线(chromonema),，以及位于线上许多染色很深、颗粒状的,染色粒(chromomere),细胞分裂过程中染色质线卷缩成为一定形态结构的染色体,(3) 着丝粒和端体,着丝粒是染色体的缩缢部位，是细胞分裂过程中纺锤丝(spindle fiber)结合的区域。,端粒的功能,防止染色体末端为DNA酶酶切；,防止染色体末端与其它DNA分子的结合,使染色体末端在DNA复制过程中保持完整,2.4 微生物基因组,基因组（genome）：,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（如细菌），多为单倍体,（在一般情况下只有一条染色体）,真核微生物，多条染色体，,例如啤酒酵母有16条染色体。,有时为双倍体,有代表性的生物体内DNA大小,分子量,碱基对（bp),最简单的微生物,SV40病毒,310,6,510,3,噬菌体,3.410,7,510,4,细菌,大肠杆菌,2.210,9,4.610,6,哺乳动物,小鼠,1.510,12,2.310,9,人,1.810,12,2.810,9,1.4.1原核生物（细菌、古生菌）的基因组,1）染色体为双链环状的DNA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(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。,2）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中也发现有内含子或间插序列,3）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rRNA基因的多拷贝；,5）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（operon）：,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和一组,共同的控制位点（启动子、操作子等）在基因转录时协同动作。,1.4.2真核微生物（啤酒酵母）的基因组,1）典型的真核染色体结构；,2）没有明显的操纵子结构；,啤酒酵母基因组大小为13.510,6,bp，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；,4）重复序列多；,1.5 染色体外遗传成份,基因不仅存在在染色体上，还存在于细胞中的染色体外的遗传因子上,核外染色体,真核生物的“质粒”,原核生物的质粒,线粒体,细胞质基因叶绿体,（质体）中心体,动 体,共生生物：卡巴颗粒,酵母菌的2,m质粒,F因子,R因子,Col质粒,Ti质粒,巨大质粒,降解性质粒,1.5.1 原核微生物核外遗传物质,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，,主要存在于各种微生物细胞中。,(1)质粒的分子结构,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）,质粒的检测,提取所有胞内,DNA,后电镜观察；,超速离心或琼脂糖凝胶电泳后观察；,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。,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。,特定的质粒提取方法和后处理使染色体和RNA均被除掉。,(2) 质粒的主要类型,在某些特殊条件下，质粒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。,质粒所含的基因对宿主细胞一般是非必需的；,质粒所编码,的功能和赋,予宿主的表,型效应,致育因子（Fertility factor，F因子）,抗性因子（Resistance factor，R因子）,产细菌素的质粒（Bacteriocin production plasmid）,毒性质粒（virulence plasmid）,代谢质粒（Metabolic plasmid）,隐秘质粒（cryptic plasmid）,1)致育因子(Fertility factor，F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(F+)和,以与染色体相结合的状态,(Hfr)存在于细胞中，所以,又称之为附加体(episome)。,2)抗性因子（Resistance factor，R因子）,包括抗药性和抗重金属二大类，简称R质粒。,R100质粒(89kb)可使宿主对,下列药物及重金属具有抗性：,汞（mercuric ion ，mer）,四环素（tetracycline，tet ）,链霉素(Streptomycin, Str)、,磺胺(Sulfonamide, Su)、,氯霉素(Chlorenicol, Cm),夫西地酸（fusidic acid，fus）,并且负责这些抗性的基因是,成簇地存在于抗性质粒上。,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。,3)产细菌素的质粒（Bacteriocin production plasmid）,细菌素结构基因、涉及细菌素运输及发挥作用（processing）的蛋白质的基因、 赋予宿主对该细菌素具有“免疫力”的相关产物的基因,一般都位于质粒或转座子上，因此，细菌素可以杀死,同种但不携带该质粒的菌株。,细菌素一般根据产生菌的种类进行命名：,大肠杆菌（,E. coli,）产生的细菌素为colicins（大肠杆菌素），,而质粒被称为Col质粒。,由G,+,细菌产生的细菌素或与细菌素类似的因子与colicins有所不同，,但通常也是由质粒基因编码，有些甚至有商业价值，例如一种乳酸,细菌产生的细菌素NisinA能强烈抑制某些G,+,细菌的生长，而被用于,食品工业的保藏。,4)毒性质粒（virulence plasmid）,许多致病菌的致病性是由其所携带的质粒引起的，这些质粒,具有编码毒素的基因，其产物对宿主（动物、植物）造成伤害。,产毒素大肠杆菌是引起人类和动物腹泻的主要病原菌之一，,其中许多菌株含有为一种或多种肠毒素编码的质粒。,苏云金杆菌含有编码内毒素(伴孢晶体中)的质粒,根癌土壤杆菌所含Ti质粒是引起双子叶植物冠瘿瘤的,致病因子,5) 代谢质粒（Metabolic plasmid）,质粒上携带有有利于微生物生存的基因，如能降解某些基质,的酶，进行共生固氮，或产生抗生素（某些放线菌）等。,将复杂的有机化合物降解成能被其作为碳源和能源利用,的简单形式，环境保护方面具有重要的意义。,假单胞菌：,具有降解一些有毒化合物，如芳香簇化合物(苯)、农药,(2,4dichlorophenoxyacetic acid)、辛烷和樟脑等的能力。,降解质粒：,6) 隐秘质粒（cryptic plasmid）,隐秘质粒不显示任何表型效应，它们的存在只有通过物理的,方法，例如用凝胶电泳检测细胞抽提液等方法才能发现。,它们存在的生物学意义，目前几乎不了解。,在应用上，很多隐秘质粒被加以改造作为基因工程的载体,（一般加上抗性基因）,高拷贝数(high copy number)质粒,（每个宿主细胞中可以有10-100个拷贝）,松弛型质粒(relaxed plasmid),低拷贝数(low copy number)质粒,（每个宿主细胞中可以有1-4个拷贝）,严谨型质粒(stringent plasmid),窄宿主范围质粒(narrow host range plasmid),（只能在一种特定的宿主细胞中复制）,广宿主范围质粒(broad host range plasmid),（可以在许多种细菌中复制）,(3)质粒的不亲和性,质粒之间的不亲和性、以及质粒拷贝数的多少、能适应的宿主范围的宽窄等特性均与质粒的复制控制类型有关。,1.5.2真核微生物核外遗传物质,(1)真核微生物质粒,多数酵母菌中也含有一种典型的质粒称为2质粒,封闭环状的双链DNA分子，周长约2m(6kb左右),高拷贝数存在于酵母细胞中，每个单倍体基因组含60-100个拷贝,在细胞内以两种异构体(A和B)形式存在；,不赋予宿主任何遗传表型，属隐秘性质粒。,(2) 真核微生物线粒体的遗传,mtDNA是双链环状的分子，由于缺乏组蛋白，故不组成核小体.,在线粒体中有和类核区（nuclecid regions），每个类核中含有几个拷贝的线粒体染色体。,线粒体DNA含有的大量线粒体成份的信息，如tRNAs，tRNAs和蛋白。,在线粒体的核糖体中有两类rRNA分子，它们由mtDNA编码。线粒体的核糖体蛋白大部分由核基因编码。,线粒体含有的核糖体是负责线粒体中所有蛋白质合成的。,mRNA也是在线粒体中合成的，它保留在细胞器中，由线粒体的核糖体进行翻译。,某些蛋白质的密码子与核基因通用密码子不同；,指能将自身插入基因组中一个在序列上无关的新位点的DNA序列。,转座子,病毒、细菌、和真核细胞的质粒或基因组中含有转座子。,三种类型,插入序列（IS),转座子（Tn),某些病毒（Mu、D180),1.6 转座遗传因子,共同特征,携带编码转座酶的基因，即转座所必需的,两端都有反向重复序列,最简单的转座子称为插入序列(Insertion sequence，IS）,转座子,复合转座子（类型I）,复杂转座子（类型II）,转座的遗传学效应,遗传学研究的重要工具,插入突变,导致基因的功能丧失，发生突变,产生染色体畸变,由于复制性转座是转座子一个拷贝的转座，因而处在同一染色体的不同位置的两个拷贝之间发生同源重组，导致DNA缺失或倒位。,基因移动和重排,生物进化上的重要意义,