全国1月高等教育自学考试物理工试题.pptx

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,第七章 微生物的遗传与变异,微生物的遗传,微生物的变异,基因重组,突变体的检测与筛选,分子遗传学新技术在环,境工程与环境保护中的应用,1.,种瓜得瓜，种豆得豆；,2.,龙生龙，凤生凤，老鼠儿子会打洞；,3.,虎父无犬子；,4.,一母生九子，母子十不同。,请大家想一想，与遗传变异有关的俗语或谚语有哪些？,第七章 微生物的遗传与变异,第七章 微生物的遗传与变异,遗传（,heredity,）,和,变异（,variation,）,是生物界最本质的属性之一。,在应用微生物加工制造和发酵生产各种食品及微生物污染治理过程中，要想有效地大幅度提高产品的产量、质量和处理效果，首先必须选育优良的生产菌种，才能达到目的。而优良菌种的选育是在微生物遗传变异的基础上进行的。遗传和变异是相互关联，同时又相互矛盾对立的两个方面，在一定条件下，二者是相互转化的。认识和掌握微生物遗传变异的规律是搞好菌种选育的关键。,第七章 微生物的遗传与变异,遗传：微生物在繁殖延续后代的过程中，亲代与子代之间在形态、结构、生态、生理生化特性等方面具有一定的相似性，称为微生物的遗传。,遗传的保守性：相对稳定,有利：选育出的优良菌种属性稳定地遗传。,不利：环境条件改变，微生物会不适应外界环境条件。,保持物种延续。,第七章 微生物的遗传与变异,变异：在微生物繁殖过程中，在世代之间、同代个体之间存在差异的现象，称为变异。,变异的多样性,个体形态的变化，菌落形态(光滑型粗糙型)的变异，营养要求的变异，对温度、,pH,要求的变异，毒性的变异，抗毒能力的变异，生理生化特性的变异及代谢途径、产物的变异等。,两者的关系：,遗传是相对的，变异是绝对的,，遗传中有变异，变异中有遗传，遗传和变异的辨证关系使微生物不断进化。,第七章 微生物的遗传与变异,意义：,遗传和变异是一切生物存在和进化的基本要素,育种,环境保护领域,第七章 微生物的遗传与变异,两组基本概念：,遗传型（,genotype,）,又称基因型，指某一生物个体所含有的全部遗传因子即基因组所携带的遗传信息。,表型（,phenotype,）,指某一生物体所具有的一切外表特征及内在特性的总和。,遗传型,（可能性）,表型,（现实性）,环境条件,代谢、发育,第七章 微生物的遗传与变异,两组基本概念：,变异（,variation,）,生物体在某种外因或内因的作用下引起的,遗传物质结构或数量的改变,，即遗传型的改变。,特点：群体中几率低，性状变化幅度大，新性状稳定可遗传。,饰变（,modification,）,修饰性改变，即,不涉及遗传物质结构改变,而只发生在转录、翻译水平上的表型变化。,特点：群体中几乎每一个体都同样变化，性状变化幅度小，不遗传，,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。,7.1,微生物的遗传,遗传变异的物质基础,DNA,（脱氧核糖核酸）,遗传变异的物质基础是蛋白质还是核酸，曾是生物学中激烈争论的重大问题之一。直至,1944,年后由于连续利用微生物这一有利的实验对象设计了,3,个著名的实验，才以确凿的事实证实了核酸尤其是,DNA,才是遗传变异的真正物质基础。,三个经典实验与遗传物质,7.1.1,遗传变异的物质基础,DNA,1,、经典转化实验,以肺炎链球菌,(,Streptococcus pneumoniae,),作为研究对象，肺炎链球菌可以使人患肺炎，也可以使小白鼠患败血病而死亡；,有荚膜者是致病性的，它的菌落表面光滑,(smooth),，称为,S,型；,有的不形成荚膜，无致病性，菌落外观粗糙,(rough),，故称,R,型。,离体转化实验,1944,年，,O.T.Avery,、,C.M.Macleod,和,M.McCarty,从热死的,S,型肺炎链球菌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。,Avery,等的体外培养实验,(1944),分离后的,S,型细胞物质对,R,型细胞的转化,分析：,S,型细菌的,DNA,能将肺炎链球菌的,R,型转化为,S,型。而,DNA,纯度越高，转化效率也越高，只取纯,DNA,的,610,-8,的量时，仍有转化能力。这说明，,S,型菌株转移给,R,型菌株的是以,DNA,为基础的遗传因子。,7.1.1,遗传变异的物质基础,DNA,2,、噬菌体感染实验,1952,年，,A.D.Hershey,和,M.Chase,发表了证明噬菌体的遗传物质基础的著名实验噬菌体感染实验。,首先，他们将,E.coli,培养在以放射性,32,P,3,O,4,或,35,S,2,O,4,作为磷源或硫源的合成培养基中。结果,可以获得含,32,P-DNA,(,噬菌体核心,),的噬菌体或含,35,S-,蛋白质,(,噬菌体外壳,),的两种实验用噬菌体。,7.1.1,遗传变异的物质基础,DNA,3,、烟花草叶病毒的拆开与重组实验,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。,把,TMV,和,HRV,（霍氏车前花叶病毒）,的蛋白质外壳与,RNA,相分离。,用,TMV,的,RNA,与,HRV,的蛋白质外壳，,HRV,的,RNA,与,TMV,的蛋白质外壳重建后的杂合病毒去感染烟草。,三个经典试验结果,细胞生物的遗传物质是双链,DNA,；,病毒的遗传物质可以是单链的或双链的,DNA,或,RNA,，即：,ssDNA,，,dsDNA,，,ssRNA,或,dsRNA,。,三个经典试验结果,朊病毒的发现和思考,无论是,DNA,还是,RNA,作为遗传物质的基础已是无可辨驳的事实。但朊病毒的发现对,“,蛋白质不是遗传物质,”,的定论也带来一些疑云。,PrP,是具有传染性的蛋白质致病因子，迄今未发现蛋白内有核酸，但已知的传染性疾病的传播必须有核酸组成的遗传物质，才能感染宿主并在宿主体内自然繁殖。那么这是生命界的又一特例呢？还是因为目前人们的认识和技术所限而尚未揭示的生命之谜呢？还有待于生命科学家去认识和探索。,7.1.2 DNA,的结构与复制,1953,年的克里克（,Francis Crick),（右）和沃森,(James Watson),在实验室里，他们两人因为发现了,DNA,的分子结构，而在,1962,年与威尔金斯一起获得诺贝尔生理学和医学奖。,DNA,（脱氧核糖核酸）：,高分子化合物,7.1.2 DNA,的结构与复制,DNA,的结构,DNA,由两条多个核苷酸组成的链配对而成，两条链彼此互补，以右手螺旋的方式围绕一根主轴而互相盘绕形成。四种碱基,A,（腺嘌呤）、,T,（胸腺嘧啶）、,G,（鸟嘌呤）、,C,（胞嘧啶）相互配对。,A,T,G C,互相间通过氢键连接。,7.1.2 DNA,的结构与复制,DNA,的结构,每条核苷酸链均由脱氧核糖磷酸脱氧核糖磷酸交替排列而成（磷酸二酯键）。,7.1.2 DNA,的结构与复制,DNA,的结构,四种碱基结构,7.1.2 DNA,的结构与复制,DNA,的结构,碱基配对（依靠氢键连接）,G C,A T,A,T,G,C,A,T,G,C,脱氧,核糖,磷酸,碱基,7.1.2 DNA,的结构与复制,DNA,的存在形式,除部分病毒的遗传物质是,RNA,外，其余病毒和全部具有典型细胞结构的生物体的遗传物质都是,DNA,。按其在细胞中的存在形式可分成,染色体,DNA,、染色体外,DNA,、,RNA,作为遗传物质、朊病毒的遗传物质。,7.1.2 DNA,的结构与复制,真核生物与原核生物染色体的主要区别有：,（,1,）真核生物的染色体主要由,DNA,、组蛋白组成，原核生物的染色体是单纯的,DNA,或,RNA,分子；,（,2,）真核生物的染色体不止一个，而原核生物的染色体往往只有一个,;,（,3,）真核生物的染色体为核膜所包被，原核生物的染色体外没有膜包被。,1.,染色体,DNA,真核生物的染色体。真核生物的染色体主要由,DNA,和组蛋白构成，其次含有少量非组蛋白和,RNA,。,原核生物的染色体。原核生物的染色体一般是裸露的,DNA,或,RNA,分子。它们大多是双链的，呈环状或线状。,7.1.2 DNA,的结构与复制,2.,染色体外,DNA,真核微生物中的,细胞器,DNA,：,叶绿体、线粒体、中心粒、,毛基体等,原核微生物和真核微生物的,酵母菌：,质粒,插入序列、转座子、,Mu,病毒等,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。,真核生物的染色体结构,细菌染色体,DNA,的大小和结构,原核生物的质粒,游离于原核生物染色体外，具有独立复制能力的小型共价闭合环状,DNA,分子，即,cccDNA(circular covalently closed DNA),，称为,质粒,。,质粒具有超螺旋状的结构，携带着某些染色体所没有的基因，赋予原核生物某些对其生存必不可少的特殊功能。,质粒的特征,自我复制能力，为复制子，单拷贝或多拷贝,编码产物赋予细菌某些性状特征,可自行丢失与消除（,含质粒的细胞在正常培养基上遇化学、物理因素处理时，质粒的复制受到抑制而核染色体的复制继续进行，子代细胞中质粒消除）,有转移性（,可以通过转化、转导或接合作用而由一个细菌细胞转移到另一个细菌细胞中，使两个细胞都成为带有质粒的细胞；质粒转移时，它可以单独转移，也可以携带着染色体（片段）一起进行转移，所以它可成为基因工程的载体,）,可以在细胞质中独立于染色体之外独立存在（游离态），也可以通过交换掺入染色体上，以附加体（,episome,）的形式存在）,对于细菌的生存并不是必要的,功能多样化,功能：进行细胞间接合，并带有一些基因，如产生毒素、抗药性、固氮、产生酶类、降解功能等。,质粒的主要类型,致育因子,Fertility factor,，,F,因子,（致,育因子，性因子，约,2%,核染色体，,94.5kb,，编码的基因约,1/3,与接合有关,）,抗性因子,Resistance factor,，,R,因子,（,抗药性因子，其基因编码的物质对抗生素有抗性,）,Ti,因子,诱癌质粒，可同植物细胞中的核染色体整合，破坏控制细胞分裂的激素调节系统，从而使其变成癌细胞。,Col,因子,大肠杆菌素因子，即使大肠杆菌分泌大肠杆菌素,巨大质粒,分子量,200300,10,6,Da,，比一般质粒大几十到几百倍，上面有固氮基因。,降解性质粒,可以编码许多降解性酶类，使细菌降解特殊物质。,只在假单胞菌属中发现。,它们的降解性质粒可为一系列能降解复杂物质的酶编码，从而能利用一般细菌所难以分解的物质做碳源。,产细菌素的质粒,Bacteriocin production,plasmid,毒性质粒,Virulence plasmid,代谢质粒,Metabolic plasmid(,降解质粒,),隐秘质粒,Cryptic plasmid,7.1.2 DNA,的结构与复制,基因,遗传因子,基因是一切生物体内储存遗传信息的、有自我复制能力的遗传功能单位。它是,DNA,分子上具有特定碱基顺序，即核苷酸顺序的片断。,遗传物质的最小功能单位。,它不仅可以决定生物的某一个性状，而且还具有调控其他基因表达活性的功能。,基因既是一个结构单位，也是一个功能单位。,按功能可把基因分为三种：结构基因、操纵基因、调节基因。,7.1.2 DNA,的结构与复制,基因,遗传因子,结构基因：编码蛋白质或酶的结构,控制某种蛋白质或酶的合成。,操纵基因：操纵结构基因的表达。,调节基因：控制结构基团。,基因控制遗传性状，但不等于遗传性状。任何一个遗传性状的表达都是在基因控制下的个体发育的结果。,从基因型到表现型需要通过酶催化的代谢活动来实现。基因直接控制酶的合成，控制新陈代谢，从而决定遗传性状的表现。,7.1.2 DNA,的结构与复制,基因信息的传递,DNA,遗传信息需要通过一系列物质变化过程才能在生理上和形态上表达出相应的遗传性状。,现代生物遗传学已经证明：亲代的性状是通过脱氧核糖核酸（,DNA,）将决定各种遗传性状的遗传信息传给子代的。子代根据,DNA,所携带的遗传信息，产生一定形态结构的蛋白质，由一定结构的蛋白质就可决定子代具有一定形态结构和生理生化特性。,7.1.2 DNA,的结构与复制,基因信息的传递,分子遗传学的中心法则,1958,年,Crick,和,1970,年,Temin,7.1.2 DNA,的结构与复制,DNA,的复制,半保留式的自我复制能力,解旋,复制,分配,4dNTP,注意：,复制过程必须有酶的参与，如：解旋酶、聚合酶等。,解旋过程中，并不是完全断开后才开始复制，而是解开一段后，就进行复制。复制好的就开始形成双螺旋。,每个子代细胞都获得了亲代细胞的一个,DNA,单链。,7.1.3 DNA,的变性与复性,DNA,的变性,双链,DNA,受热或其它因素的作用，两条链之间的结合力被破坏而分开成单链的,DNA,，即称为,DNA,变性。,双螺旋结构变为无序缠绕的单链状态,埋藏在分子内部的碱基暴露,7.1.3 DNA,的变性与复性,DNA,的变性,加热引起,DNA,变性是实验室最常用的方法。,A,260,：,260nm,波长处,DNA,对紫外辐射的吸收值。,T,m,：解链温度或熔解温度，,A,260,升高达到一半时的温度。,DNA,分子越大，,G-C,碱基越多，,T,m,值越高。,7.1.3 DNA,的变性与复性,DNA,的复性,变性,DNA,溶液经适当处理后重新形成天然,DNA,的过程叫,复性,，或叫,退火。,注意：,DNA,的复性是随机的。即复性的,DNA,不可能完全回复到原来状态。,7.1.4 RNA,RNA,（核糖核酸）,和,DNA,很相似，不同的是以核糖代替脱氧核糖，以尿嘧啶,(U),代替胸腺嘧啶,(T),。,7.1.4 RNA,RNA,有四种,:tRNA,、,rRNA,、,mRNA,和反义,RNA,，,它们均由,DNA,转录而成,。分别在蛋白质合成过程中担任不同的角色。,mRNA,叫信使,RNA,，,tRNA,叫转移,RNA,，,反义,RNA,起调节作用，决定,mRNA,翻译合成速度。,rRNA,（核糖体,RNA,）,7.1.4 RNA,DNA,转录成,RNA,mRNA,翻译的模板,CAA,CUG,CAG,ACA,UAU,AUG,AUA,CAA,UUU,GAU,CAG,UAU,5/,3/,-,Gln,-Leu-,Gln,-Thr-,Tyr,-Met-,Ile,-Gln-,Phe,-Asp-,Gln,-Tyr-,7.1.5,遗传密码,mRNA,分子中，从5,-3,每三个相邻的,碱基组成的三联体，代表某个氨基酸,共有,64,种。,61种,代表20种氨基酸,3种,UAA、UAG、UGA,终止密码,(codon),AUG,起始密码,甲硫氨酸（蛋氨酸）,密码子：,7.1.5,遗传密码,遗传密码表,第一碱基,（5,/,-端）,第 二 碱 基,第三碱基,（3,/,-端）,终止,终止,*,*在,mRNA,起始部位的,AUG,为起始信号,密码子的特点,(1),连续性,:,两个密码子之间无任何核苷酸加以隔开和重叠，如插入,/,删除碱基，可发生移码突变或框移,5.UAC,G,GACAUCUG.3,5.UAC,C,GGACAUCUG.3,酪,甘,组,蛋,酪,精,苏,半胱,5.UACGACAUCUG.3,酪,天,异亮,插入,缺失,密码子的特点,(2),简并性,:,除,Met,（甲硫氨酸）,，,Trp,（色氨酸）,外，其余氨基酸均由,2,个以上,密码子编码,（,UUU,和,UUC,都是苯丙氨酸的密码子，,UCU,、,UCC,、,UCA,、,UCG,、,AGU,和,AGC,都是丝氨酸的密码子）。,其中,UAG,UAA,UGA,是终止密码子,AUG,是起始密码子同时又编码甲硫氨酸；但细菌例外，在细菌中,GUG,表示起始的甲酰蛋氨酸。,(3),通用性,:,所有的生物使用同一套密码子，仅有少数例外，例如：线粒体起始密码子为,AUG,、,AUU;,终止密码为,AGA,，,AGC,；色氨酸为,UGA,等。,密码子的特点,（四）摆动性：,一种氨基酸可有多个密码子,反密码子与,mRNA,的第三个核苷酸配对时，不严格遵从碱基配对原则，可出现,U-G,I-C,I-A,此种配对为不稳定配对，又称摇摆性。一般前两个碱基决定其专一性，第三位碱基可有变异。,tRNA,反密码环,5,3,UG,U,Thr,AC,G,5,3,mRNA,规则的双螺旋结构,通常呈单链结构,脱氧核苷酸,核糖核苷酸,腺嘌呤（,A,）,鸟嘌呤（,G,）,腺嘌呤（,A,）,鸟嘌呤（,G,）,胞嘧啶（,C,）,胸腺嘧啶（,T,）,胞嘧啶（,C,）,尿嘧啶（,U,）,脱氧核糖,核糖,磷酸,磷酸,DNA,与,RNA,分子的比较,7.1.6,微生物生长与蛋白质合成,微生物生长的主要活动是蛋白质的合成。,蛋白质合成,(,翻译,),在核糖体上进行，与,RNA,的复制（合成）及,DNA,的复制（合成）有关。,蛋白质合成过程：,DNA,复制：相应的,DNA,链进行自我复制；,转录,mRNA,：由,DNA,转录成,mRNA,，同时也转录成其他几种,RNA,；,翻译：由,tRNA,完成；,蛋白质合成：合成多肽，最终生成具有特定功能的蛋白质。,7.1.6,微生物生长与蛋白质合成,T,C,A,T,G,A,T,T,A,A,G,T,A,C,T,A,A,T,DNA,的平面结构图,细胞核中,A,G,T,A,C,T,A,A,T,A,C,G,U,游离的核糖核苷酸,DNA,解旋，一条链为模板合成,RNA,细胞核中,A,C,G,U,A,G,T,A,C,T,A,A,T,DNA,与,RNA,的碱基互补配对,细胞核中,聚合酶,A,C,G,U,游离的核糖核苷酸,A,C,G,U,U,U,4dNTP,细胞质,核孔,DNA,mRNA,在细胞核中合成,细胞核内,U,C,A,U,G,A,U,U,A,A,G,T,A,C,T,A,A,T,mRNA,U,C,A,U,G,A,U,U,A,mRNA,A,G,T,A,C,T,A,A,T,U,C,A,U,G,A,U,U,A,mRNA,细胞核内,tRNA,在氨基酰,-tRNA,合成酶的帮助下，能够识别相应的氨基酸，并通过,tRNA,氨基酸臂的,3-OH,与氨基酸的羧基形成活化酯氨基酰,-tRNA,。,氨基酰,-tRNA,合成酶,氨基酸,+ATP+tRNA+H2O,氨基酰,-tRNA+AMP+PPi,3-OH,反密码子,密码子,密码子,密码子,密码子,mRNA,上决定一个氨基酸的三个相邻的碱基,U,C,A,U,G,A,U,A,mRNA,U,A,A,U,A,C,U,A,U,G,亮氨酸,天冬氨酸,异亮氨酸,氨基酸,（原料）,氨基酰,-tRNA,合成酶,tRNA,的一端运载着氨基酸,反密码子,亮氨酸,U,A,A,天冬氨酸,A,C,U,异亮氨酸,A,U,G,核糖体,U,C,A,U,G,A,U,A,mRNA,U,亮氨酸,U,A,A,天冬氨酸,A,C,U,异亮氨酸,A,U,G,氨基酰,-tRNA,通过反密码臂上的三联体反密码子识别,mRNA,上相应的遗传密码，并将所携带的氨基酸按,mRNA,遗传密码的顺序安置在特定的位置，最后在核糖体中合成肽链。,细胞质中,核糖体,U,C,A,U,G,A,U,A,mRNA,U,亮氨酸,U,A,A,细胞质中,核糖体,U,C,A,U,G,A,U,A,mRNA,U,亮氨酸,U,A,A,天冬氨酸,A,C,U,异亮氨酸,A,U,G,细胞质中,核糖体,U,C,A,U,G,A,U,A,mRNA,U,亮氨酸,U,A,A,天冬氨酸,A,C,U,异亮氨酸,A,U,G,缩合,亮氨酸,天冬氨酸,异亮氨酸,以,mRNA,为模板形成了有一定氨基酸顺序的蛋白质,细胞质中,U,C,A,U,G,A,U,A,mRNA,U,7.1.7,微生物的细胞分裂,由于,DNA,复制和蛋白质的合成而使两者成倍增加后的一个有秩序的过程，即微生物细胞的分裂。,成倍增加的核物质和蛋白质均等地分给两个子细胞，在细胞中部合成横隔膜并逐渐内陷，最终将两个子细胞分开。,一、变异的实质,在微生物遗传过程中，由于某种因素的影响，,DNA,上的碱基对发生差错，出现碱基的缺失、置换或插入，改变了基因内原有的碱基顺序，导致后代性状的改变。当这种改变可以遗传时，就是发生了,突变,。所以说,基因突变是微生物发生变异的实质。,在真核微生物中，变异也会发生在染色体水平上，如染色体的缺失、重复、倒位和易位等，都会引起遗传信息的改变，称为,染色体畸变,。,7.2,微生物的变异,1,、根据突变体表型不同,营养缺陷型：丧失合成一种或几种生长因子、碱基、或氨基酸的能力。,抗性突变型：产生对某化学药物或致死物理因子的抗性变异类型。,条件致死突变型：变化可影响正常生长、繁殖,形态突变型：个体或菌落形态的变异，一般属非选择性突变。,抗原突变型：细胞抗原结构发生的变异类型，一般也属非选择性变异,其它突变型：如毒力、糖发酵能力、代谢产物的种类和产量以及对某,种药物的依赖性等的突变型。,7.2,微生物的变异,凡能用选择性培养基快速选择出来的突变型，称为,选择性突变,株,(selective mutant),，,如营养缺陷型、抗性突变型和条件致死型等；,反之则称为,非选择性突变,株,(non-selective mutant),，,二、突变的类型,选择性突变,(,死活突变,),非选择性突变,(,非死活突变,),突变,基因突变,基因重组,诱发突变,自发突变,点突变,染色体畸变,碱基置换,移码突变,转换,颠换,缺失,添加,缺失,添加,易位,倒位,二、突变的类型,2,、根据突变的条件和原因（突变机理）,自发突变：,微生物在自然条件下，没有人工参与而发生的基因突变。,多因素低剂量的诱变效应,背景因素和环境因素的诱变,微生物自身有害代谢产物的诱变,互变异构效应,碱基配对,A-T,、,G-C,，在,DNA,复制时出现与前不同的碱基对：,G-T,、,C-A,。,环出效应,诱发突变,碱基对的置换 点突变,移码突变,染色体畸变,7.2,微生物的变异,诱发突变,碱基对的置换,7.2,微生物的变异,碱基对的置换可分成两个亚类：一类是,DNA,链上的一个嘌呤被另一个嘌呤或是一个嘧啶被另一个嘧啶所置换，称为,转换,；另一类是,DNA,链上的一个嘌呤被另一个嘧啶或是一个嘧啶被另一个嘌呤所置换，称为,颠换,.,（实线代表转换，虚线代表颠换）,直接引起置换的诱变剂：可直接与核酸的碱基发生化学反应的诱变剂，例如,亚硝酸,、羟胺和各种,烷化剂,。,间接引起置换的诱变剂：碱基类似物，通过细胞的代谢活动渗入到,DNA,分子中引起。,腺嘌呤,次黄嘌呤,腺嘌呤氧化脱氨后形成烯醇式次黄嘌呤（,He,）,He,通过互变异构效应形成酮式次黄嘌呤（,HK,）,DNA,复制时，,HK,与胞嘧啶（,C）,配对,DNA,第二次复制时，,C,与,G,正常配对，实现了转换。,碱基转换的分子机制,以亚硝酸为例,HNO2,胞嘧啶（,C,）尿嘧啶（,U,）,HNO2,腺嘌呤（,A,）次黄嘌呤（,H,）,HNO2,鸟嘌呤（,G）,黄嘌呤（,X,）,这些反应及形成物均可在,DNA,复制中产生影响，主要是使碱基对发生转换。,移码突变,7.2,微生物的变异,指诱变剂会使,DNA,序列中一个或少数几个核苷酸发生增添,(,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翻译错误,的一类突变。,能引起移码突变的因素是一些吖啶类染料,，包括原黄素、吖啶黄、吖啶橙和,-,氨基吖啶等，以及一系列,“,ICR,”,类化合物。,吖啶,类化合物诱发的移码突变及其回复突变图示：,染色体畸变,7.2,微生物的变异,某些强烈理化因子，如,X,射线等的辐射及烷化剂、亚硝酸等，除了能引起上述的点突变外，还会引起,DNA,的大损伤,染色体畸变，,既包括染色体结构上的缺失、重复、插入、易位和倒位，也包括染色体数目的变化。,染色体畸变（,chromosomal aberration,）,某些理化因子，如,X,射线等的辐射及烷化剂、亚硝酸等，除了能引起,点突变,外，还会引起,DNA,的大损伤（,macrolesion,）,染色体畸变，它包括：,染色体结构上的变化：,缺失（,deletion,）,重复（,duplication,）,易位（,translocation,）,倒位（,inversion,）,染色体数目的变化,分为染色体内畸变和染色体间畸变两类。,染色体内畸变：只涉及一条染色体上的变化，,如发生染色体的部分缺失或重复时，其结果可造成基因的减少或增加；,如发生,倒位,或,易位,时，则可造成基因排列顺序的改变，但数目却不改变。,倒位,-,是指断裂下来的一段染色体旋转,180,后，重新插入到原来染色体的原位置上，从而使其基因顺序与其它的基因顺序相反；,易位,-,是指断裂下来的一小段染色体再顺向或逆向地插入到同一条染色体的其它部位上。,染色体间畸变：指非同源染色体间的,易位,。,若干诱变剂的作用机制及诱变功能,诱变因素在,DNA,上的初级效应 遗传效应,碱基类似物 掺入作用,AT=GC,双向转换,羟 胺 与胞嘧啶起反应,GCAT,的转换,亚硝酸,A,、,G,、,C,的氧化脱氨作用,AT=GC,双向转换,交 联 缺失,烷化剂 烷化碱基（主要是,G,）,AT=GC,双向转换,烷化磷酸基团,ATTA,的颠换,丧失烷化的嘌呤,GCCG,的颠换,糖,-,磷酸骨架的断裂 巨大损伤（缺失、重复、倒位、易位）,丫啶类 碱基之间的相互作用（双链变形）码组移动（或）,紫外线 形成嘧啶的水合物,GCAT,转换,形成嘧啶的二聚体 码组移动（或）交 联,电离辐射 碱基的羟基化核降解,AT=GC,双向转换,DNA,降解 码组移动（或）,糖,-,磷酸骨架的断裂巨大损伤 （缺失、重复、倒位、易位）,加热,C,脱氨基,CGTA,转换,Mu,噬菌体 结合到一个基因中间 码组移动,紫外辐射诱变作用机制,7.2,微生物的变异,紫外辐射的生物学效应主要是引起,DNA,的变化。,DNA,链上的碱基对紫外辐射很敏感，嘌呤和嘧啶吸收的光波波长与紫外辐射波长接近，可强烈吸收紫外辐射。,嘧啶对紫外线的敏感性要比嘌呤强得多，其光化学反应产物主要是嘧啶二聚体和水合物，相邻嘧啶形成二聚体后造成局部,DNA,分子无法配对，从而引起微生物的死亡或突变。,DNA,损伤的修复,7.2,微生物的变异,紫外辐射对,DNA,的破坏和,DNA,的修复,DNA,损伤的修复,7.2,微生物的变异,光复活和暗复活,重组修复,SOS,修复,适应性修复,切补修复,暗修复,为把它与光复活作用区分开，切补修复常称为暗修复。它作为许多不同类型的,DNA,损伤修复的普遍系统，如嘧啶二聚体和错误碱基配对引起的,DNA,损伤。,B,、,C,和基因产物结合形成一个核酸内切酶，它能识别碱基改变所引起的,DNA,螺旋扭曲。,uvrABC,内切核酸酶在损伤的任何一边作一切口，聚合酶,I,切除和替换损伤部位的碱基，,DNA,连接酶将缺口填补上。,1,、由,核酸内切酶,切开二聚体的,5,末端，形成,3-,OH,和5-,P,的单链缺口,2、,核酸外切酶,从5-,P,到,3-,OH,方向切除二聚体，并扩大缺口。,3、,DNA,聚合酶,以另一条互补链为模板，从原有链上暴露的,3-,OH,端起合成缺失片段。,4、,连接酶,将新合成的,3-,OH,与原有的5-,P,相连接。,重组修复,(,复制后修复,),胸腺嘧啶二聚体不能被复制，不是在此位点阻塞，而是,DNA,聚合酶能跳过该损伤部位，沿着下面,DNA,的模板，恢复,DNA,继续合成。在新合成的,DNA,子链上二聚体对面留下一个缺口。由于需要一个完整的链作为模板，不能用切补修复来恢复。而这个缺口能由,RecA,蛋白调控的通过与母链,DNA,螺旋发生重组来填补。母链,DNA,在二聚体的对面应当含有完整的序列。尽管重组并不能修复损伤，它确创造了两个新的,DNA,分子，通过切补修复完成了修复的功能。,细胞在不切除二聚体的情况下，以带有二聚体的这条链为模板合成互补单链，但在每个二聚体附近留有一空隙。通过染色体交换，空隙部位就不在面对着,胸腺嘧啶二聚体，而是面对着正常的单链，在这种条件下，,DNA,聚合酶和连接酶起作用将空隙部位进行修复，,重组修复中的,DNA,损伤并没有去除，但随着微生物的传代繁殖，损伤的比例逐渐降低。,SOS,修复系统,细胞中有许多基因和操纵子受,RecA,蛋白协同调控和,LexA,蛋白阻遏转录。它涉及处理,DNA,损伤和称为,SOS,修复系统。为一个倾向差错的修复系统，该系统与,DNA,聚合酶相互作用，使之通过嘧啶二聚体继续复制,DNA,。,3,5,校正读码能力的酶被抑制，结果碱基能随机插入二聚体的对面，没有精确的碱基对,(,参见,C2),，这个机制是紫外线所以致突变的主要原因，因为大多数的其他系统是精确修复,DNA,的。,SOS,修复系统是由,RecA,蛋白诱导的，由于存在,DNA,损伤，,RecA,蛋白构型改变显示出激活态。激活态的热,RecA,蛋白引起,LexA,蛋白被蛋白水解酶切开，结果,LexA,蛋白不再作为一个转录的阻遏物。只要细胞中存在,DNA,的损伤，,SOS,修复系统的基因就能表达。一旦,DNA,损伤被消除，,RecA,蛋白不再有活性，不再作为,LexA,蛋白水解诱导物，,IexA,蛋白在细胞中累积，并且抑制,SOS,修复的基因转录。,7.2,微生物的变异,突变与育种,定向培育和驯化,定向培育是指用某一特定因素长期处理某一微生物培养物，同时不断对它们进行传代，以达到累积并选择相应的自发突变体的一种古老的育种方法。由于定向培育的自发突变频率较低，变异程度较轻微，所以培育新种的过程十分缓慢。,环境工程仍采用定向培育的方法培育菌种，也称为驯化。,7.2,微生物的变异,突变与育种,诱变育种,诱变育种是指利用物理或化学诱变剂处理均匀而分散的微生物细胞群，促进其突变频率大幅度提高，然后设法采用简便、快速高效的筛选方法，从中挑选少数符合育种目的的突变株，以供生产实践或科学实验之用。,诱变育种不仅能提高菌种的生产性能而增加产品的产量外，而且还可达到改进产品质量、扩大品种和简化生产工艺等目的，故仍是目前使用最广泛的育种手段之一。,7.2,微生物的变异,诱变育种,变异,基因突变,基因重组,(gene recombination),诱变,自发突变,点突变,染色体畸变,碱基置换,移码突变,转换,颠换,缺失,添加,缺失,添加,易位,倒位,基因重组又称为遗传重组，它是指把两个不同性状个体内的遗传基因转移到一起，经过遗传分子的重新组合后，形成新遗传型个体的过程。,微生物中各种基因重组形式的比较,整套染色体,局部杂合,高频率,低频率,部分染色体,个别或少数基因,细胞融合或连接,性细胞,真菌的有性生殖,体细胞,真菌的准性生殖,细胞间暂时沟通,细菌的结合,性导,细胞间不接触,吸收游离,DNA,片段,转化,噬菌体携带,DNA,转导,由噬菌体提供遗传物质,完整噬菌体,溶原转变,噬菌体,DNA,转染,7.3,基因重组,重组是分子水平上的概念，可以理解成是遗传物质分子水平上的杂交，而一般所说的杂交是细胞水平上的概念。,杂交中必然包含着重组，而重组则不限于杂交一种形式。,真核微生物中的有性杂交，准性生殖以及原核微生物中的转化、转导、接合和溶原转变等都是基因重组在细胞水平上的反映,。,7.3,基因重组,一、杂交（,hybridization,）,杂交是通过双亲细胞的融合，使整套染色体的基因重组，或是通过双亲细胞的沟通，是部分染色体基因重组。,有性杂交：一般指不同遗传型的两性细胞间发生的接合和随之进行的染色体重组，进而产生新遗传型后代的一种育种技术。,准性杂交：是一种类似于有性生殖但比它更为原始的两性生殖方式。它可使同一生物的两个不同来源的体细胞经融合后，不通过减数分裂而导致低频率的基因重组。,7.3,基因重组,二、转化（,transformation,）,受体细胞直接吸收来自供体细胞的,DNA,片段，并把它整合到自己的基因组中，从而获得了供体细胞的部分遗传性状的现象，称为转化。转化后的受体菌，称为转化子。供体菌的,DNA,片段称为转化因子。,只有处于感受态的细胞才能接受转化因子，进行转化作用。,感受态细胞是能吸收外来的,DNA,片断，并能把它整合到自己的染色体上以实现转化的细胞。,转化现象是在,1928,年由,Griffith,进行肺炎双球菌的研究中发现的。,受体菌直接接受供体菌的,DNA,片段而获得部分新的遗传性状的现象，就称为转化或转化作用。,7.3,基因重组,二、转化,转化过程：,感受态细胞的出现,DNA,的吸附,DNA,进入细胞,DNA,解链，形成受体,DNA,供体,DNA,复合物,DNA,复制分离,7.3,基因重组,三、转导（,transfection,）,转导现象由,J.Lederberg,等首先在鼠伤寒沙门氏菌中发现，以后又在许多原核微生物中陆续发现。,通过温和噬菌体的媒介，把供体细胞的小片段,DNA,携带到受体细胞中，通过交换与整合，使后者获得前者部分遗传性状的现象，称为转导。由转导作用而获得部分新遗传性状的重组细胞，称为,转导子,。,7.3,基因重组,三、转导（,transfection,）,普遍性转导,由缺陷型噬菌体误包（而非整合）供体细菌,DNA,中的任何一部分片段（包括核外遗传物质在内）后，当它再次感染受体细菌时，使后者获得了这部分遗传性状的现象，称为普遍性转导。它的转导频率为 10,5,10,8,。,7.3,基因重组,三、转导（,transfection,）,局限性转导,由温和噬菌体侵染而形成的某一溶源细菌群被诱导裂解时，其中极少数个体的,DNA,可能与噬菌体,DNA,发生若干特定基因的交换，从而被整合到噬菌体的基因组上，当该噬菌体再次感染受体细菌时，就使受体细菌获得了这一特定遗传性状的现象，称为局限性转导，它的转导频率为 10,-6,。,溶源转变,溶源转变,(lysogenic conversion),：是一种与转导相似，但本质上却不相同的特殊现象，即当温和噬菌体感染其宿主后，发生溶源化，因噬菌体的基因整合到宿主的核基因组上，而使后者获得除免疫性以外的新性状的现象，称为溶源转变。,当宿主丧失这一噬菌体时，通过溶源转变而获得的性状也同时消失。,溶源转变与转导有本质上的不同，首先是它的温和噬菌体不携带任何供体菌的基因；其次，这种噬菌体是完整的，而不是缺陷的。,原生质体融合,(protoplast fusion),通过人为的方法，使遗传性状不同的两细胞的原生质体发生融合，并进而发生遗传重组以产生同时带有双亲性状的、遗传稳定的融合子,(fusant),的过程，称为原生质体融合。,7.4,突变体的检测与筛选,一、突变体的检测,直接检测表现型,菌落、影印平板法等,间接检测法,通过控制培养条件获得，,如,Ames,试验。,影印平板技术,7.4,突变体的检测与筛选,二、突变体的筛选,为什么进行突变体的筛选？,诱变处理使微生物群体中出现各种突变型，其中绝大多数是,负变株,。要获得预定的效应表型主要靠科学的筛选方案和筛选方法。,有效技术是创造一种只允许突变体生长，抑制原养型菌生长的培养基或生长环境条件。,7.5,分子遗传学新技术在环境工程与环境保护中的应用,遗传工程是从分子遗传学,特别是从细菌质粒和限制性酶等研究中发展起来的一个分子遗传学的分支学科。它综合采用了生物化学和微生物学的现代技术和手段,尤其是酶学的方法,将某种生物的基因,(DNA,片段,),转移到另一生物的细胞中去,通过其复制以及表达,使该生物获得新的遗传性状。,遗传工程可分为狭义和广义两种。狭义的遗传工程即指基因工程,广义的遗传工程还包括细胞工程,染色体工程,细胞器工程等。习惯上所说的遗传工程多指基因工程。,基因工程又称重组,DNA