第八章微生物遗传学

第八章微生物遗传学 第一节遗传的物质基础及其特性第二节遗传信息的表达第三节细胞中遗传信息的变异第四节微生物的诱变育种和遗传工程

何谓遗传学？ 遗传学是关于遗传物质的生理生化性质、世代传递方式，以及所携带的信息在个体发育中的表达的一门科学。早期的遗传学研究亲代与子代之间遗传性状的传递，提出了遗传的染色体理论，对基因进行了作图，并发现了基因重组现象，故名传递遗传学。近代的遗传学则进一步从分子水平上研究基因的构成、复制、表达、突变和修复等，被称为分子遗传学。

微生物遗传学 涉及部分真核生物，所有的原核生物，以及病毒的遗传；介绍微生物的遗传物质的结构特点、遗传信息的表达与调控、遗传变异的基本规律；介绍通过基因操作改变微生物的遗传信息从而有效地控制或利用微生物的基本策略。

第一节遗传的物质基础及其特性 一、遗传物质的鉴定二、脱氧核糖核酸三、基因组DNA和染色体四、染色体以外的遗传因子

一、遗传物质的鉴定 经典试验1. 肺炎链球菌的转化试验图8. 1（a）S型和R型细胞侵染试验

分离后的S型细胞物质对R型细胞的转化 图8.1（b）

结论细胞生物的遗传物质是双链DNA 病毒的乙醇物质可以是单链的或双链的DNA或RNA，即：ssDNA，dsDNA，ssRNA或dsRNA。

二、脱氧核糖核酸 1．核酸的化学组成和结构 2．DNA的复制方式 3．DNA的理化性质

1．核酸的化学组成和结构 Watson 和Crick在1953年描述了DNA的结构模型： DNA分子是由两条相互平行、方向相反的多核苷酸单链以右手螺旋方向相互缠绕而形成的双螺旋。脱氧核糖和磷酸构成的主链位于外围，通过氢键相互交联的碱基处于双螺旋的内部。腺嘌呤与胸腺嘧啶配对，鸟嘌呤与胞嘧啶配对；两条单链互补；一条链的碱基序列限定了另一条链的序列。

Rosalind Franklin的贡献 Watson and Crick proposed DNA structure in 1953 by building models based on chemical and physical data that had been gathered in other labs, primarily x-ray diffraction data collected by Rosalind Franklinet al.

2．DNA的复制方式 模板新生链复制原点 10～100mm 复制叉复制叉细菌DNA的q-形复制真核生物DNA的复制

图8. 2 DNA的滚环复制模式模板新生链切口 3’ 5’ 新链连续复制 3’ 3’ 互补链合成 5’

3．DNA的理化性质 DNA的稳定性在溶液中，DNA具有一定的粘性，易受剪切力的破坏；易被核酸酶降解；在强酸中，DNA能被水解成碱基、糖和磷酸；在特定的稀酸中(如pH 3~4)，不同碱基与核糖之间的糖苷键会发生特异性的断裂，根据这种特异性可测定DNA的碱基序列；在稀碱如0.2当量NaOH中，双链DNA很快变性产生单链DNA，继而单链DNA被进一步破坏。

3．DNA的理化性质（2） DNA的光学性质 DNA中的碱基属于芳香簇化合物，能够吸收紫外光(UV)。DNA吸收峰的光波波长为260纳米；当浓度为 1 mg/ml时， dsDNA ： A260=20 ssDNA、RNA ： A260≌25 人们根据A260测定DNA的浓度，根据A260 /A280和估算DNA的纯度。

3．DNA的理化性质（3） DNA的热变性双链DNA在一定的高温下解链(变性)产生单链DNA。双链DNA完全解链后，紫外吸收值A260可以提高 40％，当吸收值的提高达到中点时的温度称为解链温度（Tm）。 1.4 1.2 1.0 70 80 90 100°C Tm

3．DNA的理化性质（4） 复性、退火或杂交当温度缓慢降低时，序列互补的单链DNA能够渐渐地重新配对，即复性。不同来源的DNA之间碱基序列互补的区段进行的碱基配对称为退火或杂交，这被广泛应用于DNA的扩增、定点诱变、基因鉴别。

3．DNA的理化性质（5） 分子特征与微生物分类鉴定 DNA中的G＋C含量通常通过Tm值来测定。同一个属的细菌， G＋C含量的变化一般小于10％。 DNA－DNA杂交技术用于研究亲缘关系近的微生物。如果两菌株在最适条件下杂交，DNA相关性>70%，且Tm值差别<5％，它们就被认为同种。

三、基因组DNA和染色体 基因组是指一种生物体内单套遗传物质的全部遗传基因。染色体指携带细胞功能所必备的基因的遗传单元。病毒是非细胞生物，它们的全套遗传基因称为基因组，但不足以形成染色体。原核生物的染色体常为一个环状的DNA分子。真核生物的细胞有几条至几十条染色体，各含一个线状的DNA分子。

细菌染色体DNA的大小和结构 (a)大肠杆菌细胞大小和染色体DNA长度的比较；(b)细菌细胞中的拟核；(c)大肠杆菌染色体结构电镜图。宽1.1~1.5 mm、长2~6 mm的细胞里包装着的一个DNA分子的长度达1 mm；这个环状的DNA分子在细胞中形成含有一个染色体的拟核；在染色体的中心有一个由DNA结合蛋白和膜组成的骨架，DNA分子附着在骨架上形成50~100个超螺旋的环，每个环中含碱基对约50~100 kb，这种多层次折叠使DNA处于高度压缩状态. From figures in referenced book 5.

真核生物的染色体结构 真核生物细胞中的DNA中只有不到5％的DNA用于所需蛋白质的基因表达，其余的DNA起“结构”作用或“调节”作用。 DNA被紧密地包装在多条染色体中，每条染色体中含有一个线状DNA分子，它以左手螺旋方向围着一个个组蛋白八聚体绕圈1.8周，形成串珠状的染色质，被串在一起的小颗粒称为核小体，染色质进一步卷曲形成每圈6个核小体、直径30 nm的染色质丝，它折叠成许多超螺旋环附着在中央骨架上。 From BIOLOGY by Jack C Carey et al., eds

四、染色体以外的遗传因子 线粒体和叶绿体中含有的DNA能够自体复制，并编码执行线粒体和叶绿体功能的蛋白，属于染色体以外的遗传因子。质粒一般指存在于细菌、真菌等微生物细胞中，独立于染色体以外，能进行自我复制的遗传因子。质粒的大小为1～1000 kb，常为环状的双链DNA分子，也有线状DNA或RNA质粒。有些质粒既能够整合到染色体上，又能以游离状态存在，并能携带部分染色体基因进行转移，它们被称为附加体。

第二节遗传信息的表达 一、真核生物基因的转录及其调控二、原核生物基因的转录及其调控三、翻译过程中的调控四、调控信号与系统性调控

主要调控机制的调控模型 图8.5

一、真核生物的基因转录及其调控 1. 真核生物的基因转录常见启动子是位于转录起始位点上游25－30个碱基对的TATA盒；另一些基因则含有一个与转录起始位点重叠的起始元件。 RNA聚合酶Ⅱ催化合成的是 Pre-RNA，它必须经过加工才形成成熟 mRNA。 Pre-RNA的加工在细胞核中进行，主要加工步骤：5´端加帽、3´端加尾、剪接去除插入子等。

2. 5´端加帽反应和帽子结构 发生在pre-mRNA转录的早期，当新生RNA分子长度达到25～30核苷酸时，加帽酶使新生转录物的5´端第一个核苷酸(A或G)g位的磷酸水解，并加上7-甲基鸟苷三磷酸。甲基图8.8帽子结构：5´端第一个核苷酸是7-甲基鸟苷三磷酸，它以5´三磷酸酯键与第二个核苷酸的5´端相连，而不是通常的3´,5´磷酸二酯键。

3.3´端的加尾过程 3´端加poly(A)发生于插入子剪切之前。 Pre-mRNA的尾部具有非编码区，其3´端约20个核苷酸之前有一个称为多聚A位点的序列AAUAAA。特异性的核酸内切酶识别多聚(A)位点后，切除其后面的20个核苷酸并产生3´端游离羟基。在poly(A)聚合酶的作用下， 20～250个腺嘌呤核苷酸被加到3´端，产生poly(A)。

4.剪接去除插入子 pre-mRNA中有编码和不编码蛋白质的序列相间排列，其中不编码蛋白质的序列被称为插入子；编码蛋白质的序列被称为表达子。

插入子的切除和表达子的拼接 自参考书 2

5. 真核生物基因转录的调控 真核生物基因表达的调控作用可能发生在转录、mRNA修饰和稳定、翻译、mRNA的转运和降解等各个步骤。真核细胞中基因表达的调控信号包括两类：一类是激素和蛋白质分子，另一类是外环境因素。

二、原核生物基因的转录及其调控 1. 细菌的基因转录过程 mRNA不需要加工，转录与翻译同步。启动子：在－10和－35区具有特征性的序列，被不同的σ因子所识别。多顺反子：功能相关的多个基因往往聚集成一个操纵子，处于同一个转录单元中。

细菌的转录和翻译同步进行 图片来自参考书2

2. σ因子参与的转录调控 细菌RNA聚合酶的核心酶的功能对任何基因都一样，而σ因子才是选择转录对象的关键亚基。每一种σ因子识别的启动子在－10和－35区都具有特征性的序列。－10和－35区不仅被不同的σ因子所识别，而且是决定启动子强度。

例：大肠杆菌 在正常生长条件下，分子量为70 kDa的σ70指导RNA聚合酶的活动；当细胞需要进行趋化移动时，就产生分子量为28 kDa的σ28启动鞭毛和趋化蛋白的合成；如果环境温度突然上升，细胞会产生分子量32 kDa 的σ32启动热休克蛋白基因的转录以保护细胞不受高温伤害，并清除已变性的蛋白。

3. 操纵子和转录的正、负调节 在原核细胞中，几个功能相近或相关的结构基因经常有序地排列在一起，并被转录在同一个RNA分子上；这种由一个转录控制区和1至多个结构基因组成的一个完整的转录单元称为操纵子。有些基因需要在活化蛋白结合到DNA的特定位点后才能有效表达；由活化蛋白激活或促进基因转录的调控方法叫做转录的正调节。由阻遏蛋白结合到DNA的特定位点上，对转录的起始发生阻遏或解阻遏作用，这种调控方法被称为转录的负调节。

例：乳糖操纵子的结构图8.6 其中有两个调控基因：（1）阻遏蛋白的结合位点Oprator，乳糖参与负调节；（2）激活蛋白CAP的结合位点，cAMP参与正调节。参考书1

4. 衰减作用 衰减作用是通过衰减子使已经开始的转录提早终止，从数量上减少完整mRNA的产生。图8.7

三、翻译过程中的调控 固定式的调控：包含在DNA序列之内，如稀有密码子和重叠基因等，其调控不受环境影响。非固定式的调控：作用受环境因素的影响，与 DNA 序列无关。稀有密码子出现频率基因的重叠排列 SD序列、与起始密码子的间距 mRNA形成的二级结构反义RNA的存在影响翻译速度的因素

四、调控信号与系统性调控 微生物必须对生存条件的变化迅速作出反应；必须与其它个体或群体进行竞争，获取并有效地利用营养物质。必须能够产生、感应、传递信号，同时对多个相关的操纵子进行系统性调控。

1. 葡萄糖效应及其机理 当培养基中同时有葡萄糖、乳糖、阿拉伯糖、麦芽糖存在时，大肠杆菌首先利用葡萄糖，直到葡萄糖快要消耗完毕，其它糖的代谢才能开始，这种由葡萄糖的代谢抑制其它糖代谢现象称为代谢抑制（catabolite repression）或葡萄糖效应。

代谢抑制机理 细胞大量摄入并代谢葡萄糖，cAMP的含量随之降低，使受cAMP正调控的乳糖操纵子、阿拉伯糖操纵子、麦芽糖操纵子等都不能被激活。缺乏葡萄糖，或者人为地向培养基中加入cAMP，细胞中cAMP的浓度升高，产生的cAMP-CAP复合体与DNA结合，激活代谢乳糖、阿拉伯糖、麦芽糖的操纵子。

2. 严紧反应 细菌在生长过程中如果得不到足够的氨基酸，细胞内鸟苷四磷酸(ppGpp)和鸟苷五磷酸(pppGpp)的含量迅速上升；与此同时，RNA的合成速率迅速降低，蛋白质的合成也随之下降，从而细胞处于低速代谢和缓慢生长状态。当环境中出现足够的氨基酸时，pppGpp和ppGpp被迅速降解，RNA和蛋白质的合成很快恢复。这是在困难时期获得生存的策略，被称为严紧反应（stringent control）。

3. 菌量感应系统 有些细菌具有一种能够感应自身细胞群体密度并对其作出相应的应答反应的调控系统。这些细菌在生长过程中释放某种信号分子，当细胞群体密度达到了一个临界水平时，信号分子积累到起诱导作用的浓度，从而激活目标操纵子，这种调控叫做菌量感应作用(quorum sensing)。

4. 双组分磷酸接力系统 双组分磷酸接力系统又名双组分信号传导系统，是一种通过磷酰基团的转移来传导信号，并控制基因转录的调节系统。双组分是：传感蛋白激酶、应答调节蛋白。双组分系统广泛存在于细菌中，也存在于真核微生物中；高等真核生物也利用磷酸化这一信号传导机制传递信号。

例：枯草杆菌调控芽孢形成的双组分磷酸接力系统例：枯草杆菌调控芽孢形成的双组分磷酸接力系统在营养生长阶段，枯草杆菌RNA聚合酶利用σA对与其营养生长有关的基因进行转录；KinA、B、C、D等对环境信号进行传感反应的蛋白激酶，在营养细胞中以非磷酸化的形式存在。当这些激酶感应到不适于生长的信号时发生磷酸化；磷酸化的KinA等将磷酸基团转移到SpoOF；SpoOF将磷酸基团传递给SpoOB； SpoOB再将磷酸基团传递给SpoOA。磷酸化的SpoOA能与abrB基因的启动子结合并阻遏abrB基因的表达，AbrB是许多基因表达的抑制蛋白；图8.8磷酸化的SpoOA能够激活σF、σE等Sigma因子的合成。当细胞内的部分σA被σF、σE取代时，芽孢开始形成，负责芽孢形成后期基因的转录的σG和σK逐渐产生。

第三节细胞中遗传信息的变异 一、微生物的遗传变异现象二、基因突变的分子基础三、基因重组四、原核生物细胞间的基因转移五、真核微生物细胞间的基因交换

一、微生物的遗传变异现象 自发突变发生的频率很低，观察自发性突变的经典试验是波动试验。自发突变和诱发突变的本质相同：由于理化因子作用于DNA，导致遗传性状的变化。少数几个细胞的遗传变异能够使微生物群体完全地改变成新的菌落。遗传学中常用的突变株包括营养缺陷型、抗药突变型、温度敏感型等。

抗T1噬菌体的大肠杆菌的波动试验表8.1

艾姆氏试验的基本方法 (图8.10) 艾姆氏试验已成为测试化学物质诱变作用的标准方法，其原理是检验待测试剂能否使营养缺陷型菌株的回复突变增加。正常回复突变缺陷型菌株 . . . . . . . 营养缺乏型平板 37℃ 2～3天诱变剂诱变待测试剂 . . . . . . . . :. ¨.: ..: . . ; . ;. . .¨ .: . :. ¨.: ..: . . ; . ;. . .¨ .:

第八章 微生物遗传学