微生物遗传学基础.pptx

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,#,1,、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,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,(Chlorampenicol,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,