第十一章 微生物的遗传和变异.ppt

,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,*,*,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,*,第十一章,微生物的遗传和变异,遗传,生物繁殖与自已相同或相似的后代的现象,变异,生物亲代与子代之间，子代个体之间有差异的现象，主要体现在形态和生理性状。,第一节 微生物的遗传,一、遗传和变异的物质基础,-DNA,通过,3,个经典实验证明了核酸（,DNA,和,RNA,）是遗传物质基础。,1.,肺炎链球菌的转化现象,2.T,4,噬菌体感染实验,3.,植物病毒重建实验,肺炎链球菌的转化实验,最早进行转化实验的是,F.Griffith,（,1928,）。,S,型菌落,R,型菌落,有荚膜，致病的，菌落表面光滑,（,smooth,）,不形成荚膜，无致病性，菌落外观粗糙,（,rough),1944,年，,O.T.Avery,、,C.M.MacLeod,和,M.McCarty,从热死的,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实验：,只有,S,型细菌的,DNA,才能将,S.pneumoniae,的,R,型转化为,S,型。而且，,DNA,纯度越高，转化效率也越高，直到只取用纯,DNA,的,6,10,-8,g,的量时，仍有转化能力。这就说明，,S,型菌株转移给,R,型菌株的，决不是某一遗传性状（在这里是荚膜多糖）的本身，而是以,DNA,为物质基础的遗传因子。,（二）噬菌体感染实验,A.D.Hershey,和,M.Chase,，,1952,年,（,1,）含,32,P-DNA,的一组：放射性,85%,在沉淀中,（,2,）含,35,S-,蛋白质,的一组：放射性,75%,在上清液中,所以，进入细胞的是噬菌体的核酸而不是蛋白质。,（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,。,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：,（,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。,病毒的核酸,真核细胞型微生物的,DNA,遗传物质载体,染色体,染,色体,=DNA+,组蛋,白,有间隔子或内含子序列,没有明显的操纵子结构,含有一定数量的重复序列（低度、中度和高度重复）,细菌染色体,染色体以外的遗传物质,1.质粒,2.噬菌体与前噬菌体,3.转位因子,细菌等原核生物,原核细胞型微生物的,DNA,遗传物质载体,质粒,细菌染色体外的遗传物质，闭合环状的双 股,DNA,带有遗传信息，控制细菌某些特定,的遗传性状,。,常作为基因转移的运载工具,.,质粒,Plasmid pBR322,致病性：,Vi,质粒,(virulence plasmid),耐药性：,R,质粒,至育性,:F,质粒,赋予细菌特殊性状,不相容性：因结构相似并密切相关的质粒不能共存于一个宿主菌的现象。,转,座,因子,是基因组中能改变自身位置的一段,DNA,序列,，,又称为跳跃基因,(jumping genes),分：插入序列,(IS),转座子,Tn,转座噬菌体,Plasmid,Chromosome,Transposon,插入序,列,(I,S,),最小的转位因子，不携带任何与转座功能无关的已知基因。,携带基因性质：编码转座酶,反向重复序列,(inverted repeat,IR),转座子,Tn,大小：,2kbp,携带基因性质：,a.,携带转座有关,基因,(,类似,IS),b.,携带特殊功能基因,如耐药性、毒力,转座噬菌体,Mu,噬菌体（诱变噬菌体）,大肠埃希菌温和噬菌体,能随机插入宿主染色体中,第三节 微生物变异的常见类型,形态、结构、菌落、抗原性、独立、宿主范围等变异,高产突变株,抗性突变株,毒力变异株,条件致死突变株,营养缺陷突变株,突变类型,突变株的表型成因检出方法,营养缺陷型 因突变而丧失合成一补充培养基,（,auxotroph,）种或几种生长因子的,能力不能在基本培养,基上生长突变株,抗性突变型 因突变而产生了对某药物培养基,（,resistant mutant,）种化学药物或致死,物理因子的抗性,条件致死突变型 突变后在某种条件下 培养条件改变,（,conditional,可正常生长、繁殖并,lethal mutant,）实现其表型，而在另,一条件下却无法生长,繁殖的突变型,第,四,节,微生物,变异的机制,基因型变异,1、基因突变,2、基因的转移和重组,自发性和稀少性,不对应性,可诱发性,独立性,可遗传性,可逆性：野生型，突变株,回复突变，原位回复很少,抑制突变，基因内突变，基因外突变,基因突变,（四）突变的机制,碱基置换（转换 颠换）,点突变 移码突变,诱变,畸变：缺失、添加、易位、倒位,自发突变,突变,缺失或插入突变,自发突变机制,自发突变,是指在没有人工参与的情况下生物体自然发生的突变,几种自发突变的可能机制,背景辐射和环境因素的影响,：由于一些原因不详的低剂量诱变因素的长期总和诱变效应。如各种短波辐射或高温诱变效应，以及自然界中普遍存在的一些低浓度的诱变物质（在微环境中有时也可能是高浓度）的作用等。,微生物自身有害代谢产物的诱变效应,：过氧化氢对,Neurospora,有诱变作用，在许多微生物的陈旧培养物中易出现自发突变株，可能也是同样的原因。,氨基的互变异构效应,：,T,和,G,会以酮式或烯醇式两种互变异构的状态出现，而,C,和,A,则会以氨基式或亚氨基式两种互变异构的状态出现。,环出效应,：在,DNA,的复制过程中，某一单链上偶然产生一个小环，则会因其上的基因越过复制而发生遗传缺失。,(1)DNA,分子中碱基互变异构效应,DNA,分子的碱基，存在酮式,烯醇式或氨式,亚胺式互变异构。不同的互变异构体形成氢键的方向和能力不同，有可能导致复制时出现错误。,例如在正常情况下，,A,（氨式结构）与,T,（酮式结构）配对；当,A,以亚胺式存在时（几率非常小），则与,C,配对。,胺式亚胺式互变异构,酮式烯醇式互变异构,碱基置换（,substitution,）,定义,：,对,DNA,来说，碱基的置换属于一种染色体的微小损伤（,microlesion,），一般也称点突变（,point mutation,）。它只涉及一对碱基被另一对碱基所置换。,分类,：,转换,颠换,移码突变,移码突变,（,frame-shift mutation,）指诱变剂使,DNA,分子中的一个或少数几个核苷酸的增添（插入）或缺失，从而使该部位后面的全部遗传密码发生转录和转译错误的一类突变。,原序列,5-AUG CCU UCA AGA UGU GGG,Met Pro Ser Arg Cys Gly,(1),同义突变,5-AUG CCU UCA AGA UGU GG,A,Met Pro Ser Arg Cys Gly,(2),错义突变,5-AUG CCU UCA,G,GA UGU GGA,Met Pro Ser,Gly,Cys Gly,(3),无义突变,5-AUG CCU UCA AGA UG,A,GGA,Met Pro Ser Arg,(4),移码突变,5-AUG CCU UCA AG,U,GUG GG,Met Pro Ser Ser Val,基因突变的修复,光复活作用,切除修复,重组修复,SOS,修复,光复活作用（,photoreactivation,）,把经紫外线照射后的微生物立即暴露于可见光下时，可明显降低其死亡率的现象，称为,光复活作用,。,由,于在一般的微生物中都存在着光复活作用，所以在进行,紫外线诱变育种时，只能在红光下进行照射及处理照射后的菌液。,暗修复作用（,dark repair,）,暗修复作用又称切除修复（,excision repair,），是细胞内的主要修复系统，用于修复被诱变剂（包括紫外线、烷化剂、,X,射线和,射线等）损伤后的,DNA,的机制。全部修复过程由四种酶完成，即,内切核酸酶,在胸腺嘧啶二聚体的,5,一侧切开一个,3-,OH,和,5-P,的单链缺口；,外切核酸酶,从,5-P,至,3-OH,方向切除二聚体，并扩大,缺口；,DNA,聚合酶,修补缺口,连接酶,连接裂口,重组修复,一种越过损伤的修复机制，即通过交换，在嘧啶二聚体相应部位的子链上出现了缺口，该缺口由,DNA,聚合酶和连接酶修复。,亲本链的嘧啶二聚体需切除修复,一种能够引起误差修复的紧急呼救修复，是在无模板,DNA,情况下合成酶的诱导修复。正常情况下无活性有关酶系，,DNA,受损伤而复制又受到抑制情况下发出信号，激活有关酶系，对,DNA,损伤进行修复，其中,DNA,多聚酶起重要作用，在无模板情况下，进行,DNA,修复再合成，并将,DNA,片段插入受损,DNA,空隙处。,SOS,修复,SOS,修复,修复基因：,lexA,、,recA,、,uvrA,、,uvrB,、,uvrC,修复机理,：,lexA,为调节基因,，产生的,阻遏蛋白,在正常条件下与,recA,、,uvrA,、,uvrB,、,uvrC,的操作子结合，使细胞内仅合成少量的,uvr,蛋白（修复蛋白）,，对自发突变产生的低水平的损伤进行修复。当细胞内产生大量嘧啶二聚体时，在复制过程中因不能得到修复而在子链上留下空隙和单链，少量的,RecA,蛋白立即与单链结合并激活其活性，,RecA,蛋白 降解,LexA,阻遏蛋白，解除了对,RecA,蛋白和其他修复蛋白基因的抑制，对大量的二聚体进行切除修复。,二、基因的转移和重组,转化,transformation,定义：受体菌直接摄取供体菌游离的,DNA,，,使受体菌获得新的遗传性状,受菌处于感受态,小鼠体内肺炎链球菌的转化试验,接合,conjugation,细菌通过性菌毛互相连接沟通，将质粒或染色 体DNA从,供体菌,转移给,受体菌,的过程,接合性质粒:,F质粒、R质粒、C0L质粒、毒力质粒,非接合性质粒,接 合,定义：以,噬菌体为媒介,将供菌的,DNA,转,移到受菌内，使受菌获得新的遗传性状。,根据转导,DNA,片段的范围分为：,转导,(transduction),1,、普遍性转导,2,、局限性转导,完全转导,流产转导,定义：供体菌,DNA,的,任何片段,都有可能被误 装入,噬菌体,外壳内，通过噬菌体进入受菌,故称普遍性转导。,错误包装,毒性、温和噬菌体均可,1,、,普遍性转导,完全转导,供体菌,DNA,片段与受 体菌染色体重组，随 染色体复制传代，成 为稳定转导子,流产转导,外源,DNA,片段游离在胞 质中，不与受体菌染 色体重组，不能独立,复制，沿单个细胞传 递,前噬菌体,从宿主菌染色体 上,切离时发生偏差,将,前噬菌体两侧的宿主染,色体基因,转移到受体菌,使受体菌的遗传性状发生 改变的过程。只限于供体 菌染色体上个别,特定位点 的特定基因,2,、局限性转导（温和噬菌体）,溶原性转换,（,lysogenic conversion,）,定义：,溶原性细菌因染色体上整合有前噬菌体而获 得新的遗传性状。,例：,如白喉杆菌感染,棒状杆菌 噬菌体，其前噬菌体带有产生毒素蛋白的结构基因,原生质体融合,（,protoplast,fusion),聚乙二醇,溶菌酶,/,青霉素,失去细胞壁,两种细菌,原生质体,融合,两细菌可发生基因的交换与重组,原生质体融合,基因的转移与重组比较,基因来源转移方式,类型,接合,供体菌,通过性菌毛,转化,供体菌,摄入,转导,供体菌,噬菌体为载体,转换,噬菌体,溶原性整合,第,五,节,遗传学在医学上的应用,疾病,的诊断与防治,检测致癌物,流行病学,分子生物学,基因工程,