第七章微生物遗传学

1. 第七章微生物遗传学 • 第一节 遗传的物质基础 • 第二节 微生物的基因组结构 • 第三节 质粒和转座因子 • 第四节 基因突变及修复 • 第五节 细菌基因转移和重组 • 第六节 真核微生物的基因重组 • 第七节 诱变育种 • 第八节 菌种保藏

2. 遗传： 亲代与子代相似 亲代与子代、子代间不同个体不完全相同 变异： 遗传（inheritance）和变异（variation）是生命的最本质特性之一 生物的全部遗传因子及基因 遗传型： 表型（表现型）： 具有一定遗传型的个体，在特定环境条件 下通过生长发育所表现出来的形态等生物 学特征的总和。 表型是由遗传型所决定，但也和环境有关。

3. 表型饰变： 表型的差异只与环境有关 特点：暂时性、不可遗传性、表现为全部个体的行为 橘生淮南则为橘，生于淮北则为枳。 遗传型变异（基因变异、基因突变）： 遗传物质改变，导致表型改变 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10-6-10-9）

4. 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。 • 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。

5. 微生物的独特生物学特性： （1） 个体的体制极其简单； （2） 营养体一般都是单倍体； （3） 易于在成分简单的组合培养基上大量生长繁 殖； （4） 繁殖速度快； （5） 易于积累不同的中间代谢产物或终产物； （6） 菌落形态特征的可见性和多样性； （7） 环境条件对微生物群体中各个个体作用的直 接性和均一性； （8） 易于形成营养缺陷型； （9） 各种微生物一般都有相应的病毒； （10)存在多种处于进化过程中的原始有性生殖方式；

6. 第一节 遗传的物质基础

7. 一、证明核酸是遗传物质基础的三个经典实验 • （一）经典转化实验（transformation）：F.Griffith， • 研究对象：Streptococcus pneumoniae（肺炎双球菌） • SIII型菌株：有荚膜，菌落表面光滑，有致病性 • RII型菌株：无荚膜，菌落表面粗糙，无致病性

8. 1928年，Griffith进行了以下几组实验： • （1）动物实验 对小鼠注射活RII菌或死SIII菌 ————小鼠存活 • 对小鼠注射活SIII菌————————小鼠死亡 • 对小鼠注射活RII菌和热死SIII菌 ———小鼠死亡 抽取心血 • 分离 活的SIII菌

9. Griffith转化试验示意 健康 健康 RII型活菌 健康 病死 SIII型活菌 健康 健康 SIII型热死菌 病死 健康 RII型活菌 病死 健康 混合培养 SIII型活菌

10. （2）细菌培养实验 平皿培养 热死SIII菌—————不生长活 RII菌—————长出RII菌热死SIII菌—————长出大量RII菌和10-6SIII菌 +活RII菌 （3）S型菌的无细胞抽提液试验 活R菌+S菌无细胞抽提液——长出大量R菌和少量S菌 以上实验说明：加热杀死的SIII型细菌细胞内可能存在一种转化物质，它能通过某种方式进入RII型细胞并使RII型细胞获得稳定的遗传性状，转变为SIII型细胞。

11. 1944年O.T.Avery、C.M.MacLeod和M。McCarty从热死S型S. pneumoniae中提纯了可能作为转化因子的各种成分，并在离体条件下进行了转化试验： • ①加S菌DNA • ②加S菌DNA及DNA酶以外的酶 • ③加S菌的DNA和DNA酶 • ④加S菌的RNA • ⑤加S菌的蛋白质 • ⑥加S菌的荚膜多糖 长出S菌 活R菌 只有R菌 只有S型细菌的DNA才能将S. pneumoniae的R型转化为S型。且DNA纯度越高，转化效率也越高。说明S型菌株转移给R型菌株的，是遗传因子。

12. 吸附 离心 10分钟后 用捣碎器 使空壳脱离 沉淀细胞进一步培养后，可产生大量完整的子代噬菌体 （二）噬菌体感染实验 • A. D. Hershey和M. Chase， 1952年 上清液中含 15%放射性 沉淀中含 85%放射性 （1）含32P-DNA的一组：放射性85%在沉淀中

13. 吸附 离心 10分钟后 用捣碎器 使空壳脱离 沉淀细胞进一步培养后，可产生大量完整的子代噬菌体 以32S标记蛋白质外壳做噬菌体感染实验 • （2）含35S-蛋白质的一组：放射性75%在上清液中 上清液中含 75%放射性 沉淀中含 25%放射性

14. （三）植物病毒的重建实验 • 为了证明核酸是遗传物质，H. Fraenkel-Conrat（1956）用含RNA的烟草花叶病毒（TMV）进行了著名的植物病毒重建实验。 • 将TMV在一定浓度的苯酚溶液中振荡，就能将其蛋白质外壳与RNA核心相分离。分离后的RNA在没有蛋白质包裹的情况下，也能感染烟草并使其患典型症状，而且在病斑中还能分离出正常病毒粒子。

15. 选用TMV和霍氏车前花叶病毒（HRV），分别拆分取得各自的RNA和蛋白质，将两种RNA分别与对方的蛋白质外壳重建形成两种杂合病毒：选用TMV和霍氏车前花叶病毒（HRV），分别拆分取得各自的RNA和蛋白质，将两种RNA分别与对方的蛋白质外壳重建形成两种杂合病毒： MTV HRV • （1）RNA（TMV）­ 蛋白质（HRV） • （2）RNA（HRV）­ 蛋白质（TMV） • 用两种杂合病毒感染寄主： • （1）表现TMV的典型症状病分离到正常TMV粒子 • （2）表现HRV的典型症状病分离到正常HRV粒子。 • 上述结果说明，在RNA病毒中，遗传的物质基础也是核酸。 HRV MTV

16. 二、遗传物质在细胞内的存在部位和方式 • （一）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

17. 第一节 遗传的物质基础 三、朊病毒的发现与思考 （参见 P191 和 P195） 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。

18. 羊搔痒症(scrapie) 牛海绵状脑病(spongiform encephalopathy) 人的库鲁病(kuru)、克雅氏病(Creutzfeldt Jakob disease, CJD)等

19. 第二节 微生物的基因组结构 （参见 P197） 一、概念 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

20. 第二节 微生物的基因组结构 （参见 P197） 二、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）

21. 第二节 微生物的基因组结构 二、微生物与人类基因组计划 （参见 P197） 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。 http://www.tigr.org/tdb/mdb/mdb.html 截止到2001年4月： 43种微生物完成了全基因组测序； 100多个正在进行之中；

22. 第二节 微生物的基因组结构 二、微生物与人类基因组计划 （参见 P197） 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 a）从技术上从低等入手，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 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，

23. 第二节 微生物的基因组结构 二、微生物与人类基因组计划 （参见 P197） 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 2、与人类生活关系密切的微生物 重要的致病菌及一些工业生产菌 3、对阐明生物学基本问题有价值的微生物 例如一些古生菌：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。

24. 第二节 微生物的基因组结构 （参见 P197-200） 三、微生物基因组结构的特点 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）； 例外：布氏疏螺旋体(Borrelia burgdorferi)的染色体是线状的 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。

25. 第二节 微生物的基因组结构 三、微生物基因组结构的特点 （参见 P197-200） 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）； 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 一般不含内含子，遗传信息是连续的而不是中断的。 参见表8-1（通常以1000bp～1500bp为一个基因进行计算） 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。

26. 第二节 微生物的基因组结构 三、微生物基因组结构的特点 （参见 P197-200） 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）； 2）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； 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。 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。

27. 第二节 微生物的基因组结构 （参见 P197-200） 三、微生物基因组结构的特点 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； 啤酒酵母基因组大小为13.5×106bp，分布在16条染色体中。 2）没有明显的操纵子结构； 3）有间隔区（即非编码区）和内含子序列； 4）重复序列多；

28. 第三节 质粒和转座因子 （参见 P200） 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。 转座因子（transposable element）： 位于染色体或质粒上的一段能改变自身位置的DNA序列， 广泛分布于原核和真核细胞中。 质粒和转座因子是细胞中除染色体以外的另外二类遗传因子

29. 第三节 质粒和转座因子 （参见 P201） 一、质粒的分子结构 1、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）

30. 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。 第三节 质粒和转座因子 （参见 P201） 一、质粒的分子结构 2、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； 特定的质粒提取方法和 后处理使染色体和RNA 均被除掉。 • 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。

31. 第三节 质粒和转座因子 （参见 P201） 二、质粒的主要类型 质粒所含的基因对宿主细胞一般是非必需的； 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。

32. 第三节 质粒和转座因子 （参见 P202） 二、质粒的主要类型 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） 质粒所编码 的功能和赋 予宿主的表 型效应

33. 第三节 质粒和转座因子 （参见 P202） 二、质粒的主要类型 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。 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)。 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）。 有关内容在讲细菌的接合作用 （conjugation）时具体介绍

34. 第三节 质粒和转座因子 （参见 P202） 二、质粒的主要类型 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。 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。

35. 第三节 质粒和转座因子 （参见 P202） 二、质粒的主要类型 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。

36. 第三节 质粒和转座因子 （参见 P202） 二、质粒的主要类型 3、产细菌素的质粒（Bacteriocin production plasmid） 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。

37. 第三节 质粒和转座因子 （参见 P203） 二、质粒的主要类型 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δ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

38. 第三节 质粒和转座因子 （参见 P203） 二、质粒的主要类型 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。 降解质粒： 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 (2,4dichlorophenoxyacetic acid)、辛烷和樟脑等的能力。

39. 第三节 质粒和转座因子 （参见 P203） 二、质粒的主要类型 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）

40. 第三节 质粒和转座因子 （参见 P203） 二、质粒的主要类型 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）

41. 第三节 质粒和转座因子 （参见 P203） 三、质粒的不亲和性 自学！ 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，欲 了解详细内容请选修“微生物遗传学”。

42. 第三节 质粒和转座因子 （参见 P204-206） 四、转座因子的类型和分子结构 五、转座的遗传学效应 自学！ 概念及应用对分子生物学均十分重要，具体内容的学习请选修 “微生物遗传学”、“分子遗传学”

43. 第四节 基因突变及修复 （参见 P 206） 基因突变： 一个基因内部遗传结构或DNA序列的任何改变

44. 第四节 基因突变及修复 （参见 P 206） 基因突变： 一个基因内部遗传结构或DNA序列的任何改变 DNA损伤修复机制 基因突变 前突可以通过DNA复制而成为真正的突变，也可以重新变为原来的结构， 这取决于修复作用和其它多种因素。 基因突变是重要的生物学现象，它是一切生物变化的根源，连同 基因转移、重组一起提供了推动生物进化的遗传多变性。 自发突变 环境因素的影响，DNA复制过程的偶然错误等 而导致，一般频率较低，通常为10-6-10-9 。 突变 诱变 某些物理、化学因素对生物体的DNA进行直接 作用，突变以较高的频率产生。

45. 第四节 基因突变及修复 一、基因突变的特点 （参见 P 209） 1、特点 1）非对应性 2）稀有性 3）规律性 4）独立性 5）遗传和回复性 6）可诱变性

46. 一、基因突变的特点 2、实验证据 如何证明基因突变的非对应性？ 三个经典实验 变量实验、涂布实验、影印实验 证明突变的性状与引起突变的原因间无直接对应关系！

47. 变量实验（fluctuation analysis）Salvador Luria and Max Delbruck（1943） The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1969

48. Newcombe的涂布实验（1949）

49. 影印实验（replica plating ）Joshua Lederberg and Esther Lederberg（1952） J. Lederberg is awarded the Noble Prize in Medicine and Physiology in 1958

50. 第四节 基因突变及修复 二、常见的微生物突变类型 （参见 P 207-209） 基因型 表型 这里主要介绍几种常用的由于基因突变而造成微生物表型变化 的突变型及其分离