第八章-微生物的遗传与变异课件.ppt

第八章第八章 微生物的遗传和变异微生物的遗传和变异微生物的遗传性微生物的遗传性亲代微生物将其一套完整的遗传物质所携带的信息传亲代微生物将其一套完整的遗传物质所携带的信息传递给子代微生物的特征。递给子代微生物的特征。（一）证明核酸是遗传和变异物质基础的经典实验（一）证明核酸是遗传和变异物质基础的经典实验第一节第一节 微生物的遗传微生物的遗传一一、遗传和变异的物质基础、遗传和变异的物质基础1.肺炎球菌的转化实验肺炎球菌的转化实验1928年，英国医生年，英国医生F.Griffith最早利用肺炎链最早利用肺炎链球菌进行了转化实验球菌进行了转化实验 1944年，年，O.T.Avery等人对转化实验进行了进一步等人对转化实验进行了进一步的研究的研究 肺炎球菌的转化实验肺炎球菌的转化实验（一）证明核酸是遗传和变异物质基础的经典实验（一）证明核酸是遗传和变异物质基础的经典实验第一节第一节 微生物的遗传微生物的遗传一一、遗传和变异的物质基础、遗传和变异的物质基础2.噬菌体感染实验噬菌体感染实验 1952年，年，Hershey和和Chase利用示踪同位素的方法，利用示踪同位素的方法，对大肠杆菌对大肠杆菌T2噬菌体感染大肠杆菌进行了实验研究噬菌体感染大肠杆菌进行了实验研究 噬菌体感染实验噬菌体感染实验3.病毒的拆开和重建实验病毒的拆开和重建实验 1956年，科学家年，科学家Gierer和和Schramm对烟草花叶病毒对烟草花叶病毒的蛋白质和的蛋白质和RNA 的研究的研究（一）证明核酸是遗传和变异物质基础的经典实验（一）证明核酸是遗传和变异物质基础的经典实验第一节第一节 微生物的遗传微生物的遗传一一、遗传和变异的物质基础、遗传和变异的物质基础TMV重建实验示意图烟草花叶病毒（烟草花叶病毒（TMV）和车前草病毒（）和车前草病毒（HRV）都能感染烟草，但病斑情况不同。）都能感染烟草，但病斑情况不同。（二）（二）DNA的结构的结构1.DNA的化学组成的化学组成基本结构单元基本结构单元核苷酸核苷酸 核苷酸核苷酸磷酸磷酸戊糖戊糖碱基碱基脱氧核糖脱氧核糖 腺嘌呤腺嘌呤 A鸟嘌呤鸟嘌呤 G胞嘧啶胞嘧啶 C胸腺嘧啶胸腺嘧啶 T 第一节第一节 微生物的遗传微生物的遗传一一、遗传和变异的物质基础、遗传和变异的物质基础2.DNA的双螺旋结构的双螺旋结构Waston和和Crick于于1953年提出年提出（二）（二）DNA的结构的结构第一节第一节 微生物的遗传微生物的遗传一一、遗传和变异的物质基础、遗传和变异的物质基础DNA的双螺旋模型的双螺旋模型DNA是由含脱氧核糖的核苷酸双链构成的大分子，它的两条核是由含脱氧核糖的核苷酸双链构成的大分子，它的两条核苷酸链以反向平行和互补的方式构成螺旋梯状。由磷酸和核糖组苷酸链以反向平行和互补的方式构成螺旋梯状。由磷酸和核糖组成的主链位于螺旋的外侧，含氮的碱基位于螺旋内部。成的主链位于螺旋的外侧，含氮的碱基位于螺旋内部。螺旋形螺旋形DNA分子每一圈含分子每一圈含10对碱基，其跨度是对碱基，其跨度是3.4nm，螺旋的，螺旋的直径为直径为2nm。碱基平面与双螺旋。碱基平面与双螺旋DNA链的中轴垂直。链的中轴垂直。链之间的螺旋形成凹槽，一条较深，称为大沟；一条较浅，称链之间的螺旋形成凹槽，一条较深，称为大沟；一条较浅，称为小沟。大沟中的碱基差异很易被识别，是蛋白质结合特异为小沟。大沟中的碱基差异很易被识别，是蛋白质结合特异DNA序列的位点。序列的位点。双螺旋结构的主要特征双螺旋结构的主要特征DNA变性变性 解股温度解股温度Tm DNA复性复性（二）（二）DNA的结构的结构第一节第一节 微生物的遗传微生物的遗传一一、遗传和变异的物质基础、遗传和变异的物质基础2.DNA的双螺旋结构的双螺旋结构二二、DNA的复制以及遗传信息的表达的复制以及遗传信息的表达第一节第一节 微生物的遗传微生物的遗传（一）（一）DNA的复制的复制碱基互补配对原则碱基互补配对原则 半保留复制半保留复制 DNA的复制的复制 环状环状DNA 的复制形成的复制形成结构结构（二）遗传信息的表达（二）遗传信息的表达基因基因 具有某一特定碱基排列顺序和数目的具有某一特定碱基排列顺序和数目的DNA分子片段，分子片段，是是DNA分子中的最小功能单位分子中的最小功能单位。RNA 磷酸磷酸戊糖戊糖碱基碱基核糖核糖 腺嘌呤腺嘌呤A、鸟嘌呤、鸟嘌呤G、胞嘧啶胞嘧啶C、尿嘧啶、尿嘧啶U 二二、DNA的复制以及遗传信息的表达的复制以及遗传信息的表达第一节第一节 微生物的遗传微生物的遗传mRNA、tRNA、rRNARNA（二）遗传信息的表达（二）遗传信息的表达二二、DNA的复制以及遗传信息的表达的复制以及遗传信息的表达第一节第一节 微生物的遗传微生物的遗传rRNAmRNAmRNAtRNA1.转录转录是指以是指以DNA为模板，在依赖于为模板，在依赖于DNA的的RNA聚合酶的催聚合酶的催化下，以化下，以4种种rNTP(ATP、CTP、GTP和和UTP)为原料，为原料，合成合成RNA的过程。的过程。（二）遗传信息的表达（二）遗传信息的表达二二、DNA的复制以及遗传信息的表达的复制以及遗传信息的表达第一节第一节 微生物的遗传微生物的遗传转转录录RNA的合成与的合成与DNA的合成不同之处的合成不同之处 所用的原材料为核苷三磷酸，而所用的原材料为核苷三磷酸，而DNA则为脱氧核苷三磷酸。则为脱氧核苷三磷酸。只有一条只有一条DNA链被用作模板，而链被用作模板，而DNA合成时两条链都用作模板。合成时两条链都用作模板。RNA合成不需要引物，可直接合成，而合成不需要引物，可直接合成，而DNA合成一定要引物。合成一定要引物。2.翻译翻译以以mRNA作为模板，将遗传信息从作为模板，将遗传信息从mRNA传递到蛋白传递到蛋白质的过程称为翻译。质的过程称为翻译。（1）翻译的起始）翻译的起始（2）肽链的延伸和翻译终止）肽链的延伸和翻译终止延伸包括氨酰基延伸包括氨酰基-tRNA与核糖体结合、肽键生成和移位与核糖体结合、肽键生成和移位（二）遗传信息的表达（二）遗传信息的表达二二、DNA的复制以及遗传信息的表达的复制以及遗传信息的表达第一节第一节 微生物的遗传微生物的遗传第二节第二节 基因调控基因调控基因表达的调节作用基因表达的调节作用 导致细胞分化导致细胞分化 维持细胞的功能活动维持细胞的功能活动 细胞的主要调控机制细胞的主要调控机制 调控酶的合成调控酶的合成 调控已有酶的活性调控已有酶的活性 一、酶活性调节一、酶活性调节第二节第二节 基因调控基因调控翻译后的调控翻译后的调控 调控的表现：调控的表现：通过反馈作用或产生抑制剂和激活剂调节酶的活性通过反馈作用或产生抑制剂和激活剂调节酶的活性 通过调节修饰酶的结构改变其活性通过调节修饰酶的结构改变其活性（一）反馈抑制（一）反馈抑制一、酶活性调节一、酶活性调节第二节第二节 基因调控基因调控变构酶结合位点变构酶结合位点变构酶变构酶活性位点活性位点变构位点变构位点底物结合位点底物结合位点 抑制剂结合位点抑制剂结合位点（二）共价修饰（二）共价修饰通过向代谢途径中添加或删除特定的修饰酶催化小的通过向代谢途径中添加或删除特定的修饰酶催化小的有机分子来调节酶活性的机制称为共价修饰。有机分子来调节酶活性的机制称为共价修饰。一、酶活性调节一、酶活性调节第二节第二节 基因调控基因调控二二、转录调节、转录调节第二节第二节 基因调控基因调控酶合成的调控酶合成的调控 正转录调控正转录调控 负转录调控负转录调控 存在于细胞中的阻遏物阻止转录的过程是负调控存在于细胞中的阻遏物阻止转录的过程是负调控 是经诱导物诱导转录的调控机制。是经诱导物诱导转录的调控机制。酶阻遏的过程。酶阻遏的过程。(a)阻遏物未与操纵子结合时，转录正常进行。阻遏物未与操纵子结合时，转录正常进行。(b)阻遏物与辅阻遏物阻遏物与辅阻遏物(小分子小分子)结合后与操纵子结合，阻遏转录。结合后与操纵子结合，阻遏转录。转录的正调控转录的正调控(a)无诱导物时，激活蛋白和无诱导物时，激活蛋白和RNA聚合酶均不能与聚合酶均不能与DNA结合。结合。(b)诱导物分子与激活蛋白结合，接着结合到激活复合物结合位点，诱导物分子与激活蛋白结合，接着结合到激活复合物结合位点，从而使得从而使得RNA聚合酶与启动子结合，开始转录。聚合酶与启动子结合，开始转录。第三节第三节 微生物的变异微生物的变异一、突变的类型一、突变的类型根据突变的原因根据突变的原因 自发突变自发突变诱发突变诱发突变 根据基因突变的范围根据基因突变的范围 基因突变基因突变染色体畸变染色体畸变（一）基因突变（一）基因突变一对碱基或少数几对碱基的突变一对碱基或少数几对碱基的突变 1.根据遗传物质的结构来分：根据遗传物质的结构来分：碱基的置换碱基的置换 缺失缺失 插入插入 移码突变移码突变 第三节第三节 微生物的变异微生物的变异一、突变的类型一、突变的类型2.按照突变体表型特征的不同，可把基因突变分成按照突变体表型特征的不同，可把基因突变分成 u形态突变型形态突变型 u生化突变型生化突变型 u致死突变型致死突变型 u条件致死突变型条件致死突变型 u其他突变型其他突变型 如毒力、糖发酵能力、代谢产物的种如毒力、糖发酵能力、代谢产物的种类和产量及对某种药物的依赖性突变型等类和产量及对某种药物的依赖性突变型等（一）基因突变（一）基因突变第三节第三节 微生物的变异微生物的变异一、突变的类型一、突变的类型3.根据根据DNA结构改变所造成的遗传信息意义的改变结构改变所造成的遗传信息意义的改变 分：分：同义突变同义突变 错义突变错义突变 无义突变无义突变（一）基因突变（一）基因突变第三节第三节 微生物的变异微生物的变异一、突变的类型一、突变的类型一个或两个碱基对的突变并不使多肽链上相应的氨基酸发生改变。一个或两个碱基对的突变并不使多肽链上相应的氨基酸发生改变。碱基对的突变直接影响到多肽链上相应氨基酸的变化。碱基对的突变直接影响到多肽链上相应氨基酸的变化。某个碱基突变造成某个碱基突变造成UAG、UAD和和UGA等终止密码子出现，导致多等终止密码子出现，导致多肽链合成终止，使突变失去意义。肽链合成终止，使突变失去意义。（二）染色体畸变（二）染色体畸变是指不发生染色体数目变化而在染色体上有较大范围是指不发生染色体数目变化而在染色体上有较大范围结构变化的变异，包括缺失、重复、易位和倒位。结构变化的变异，包括缺失、重复、易位和倒位。1.易位易位 2.倒位倒位 3.缺失缺失 第三节第三节 微生物的变异微生物的变异一、突变的类型一、突变的类型两条非同源染色体之间部分相连的现象。两条非同源染色体之间部分相连的现象。一个染色体的某一部分以颠倒的顺序出现在原来位置上的现象。一个染色体的某一部分以颠倒的顺序出现在原来位置上的现象。染色体丢掉了某一片段，最终直接影响基因的排列顺序及其相互关系。染色体丢掉了某一片段，最终直接影响基因的排列顺序及其相互关系。二、突变的分子基础二、突变的分子基础第三节第三节 微生物的变异微生物的变异（一）自发突变（一）自发突变（二）诱发突变（二）诱发突变物理因素物理因素：紫外辐射、电离辐射和激光等：紫外辐射、电离辐射和激光等 化学因素化学因素：如碱基结构类似物、与：如碱基结构类似物、与DNA发生化学反应的发生化学反应的诱变剂、移码诱变剂等诱变剂、移码诱变剂等 吖啶类化合物（如原黄素、吖啶橙、吖啶黄、吖啶类化合物（如原黄素、吖啶橙、吖啶黄、氨基吖啶等）氨基吖啶等）；ICR类化合物（由烷化剂和吖啶化合物相结类化合物（由烷化剂和吖啶化合物相结合而成的化合物）是一类染料合而成的化合物）是一类染料 第四节第四节 微生物的遗传重组微生物的遗传重组遗传重组：遗传重组：是指将两个具有不同性状的生物细胞中的遗传基因转移到是指将两个具有不同性状的生物细胞中的遗传基因转移到一起，并经过遗传物质的重新组合，形成新遗传型个体的一起，并经过遗传物质的重新组合，形成新遗传型个体的方式。方式。真核微生物的基因重组真核微生物的基因重组：有性杂交、准性杂交等：有性杂交、准性杂交等 原核微生物的基因重组原核微生物的基因重组：转化、接合和转导等：转化、接合和转导等 第四节第四节 微生物的遗传重组微生物的遗传重组一、转化一、转化第四节第四节 微生物的遗传重组微生物的遗传重组受体受体细细胞直接吸收了来自供体胞直接吸收了来自供体细细胞的胞的DNA片段，并把它片段，并把它整合到自己的基因整合到自己的基因组组中，中，从而获得了供体细胞部分遗传从而获得了供体细胞部分遗传性状的现象，称为转化。性状的现象，称为转化。转化因子转化因子 感受态感受态 转化的过程：转化的过程：一、转化一、转化第四节第四节 微生物的遗传重组微生物的遗传重组感受态阶段感受态阶段 DNA的摄取和结合的摄取和结合 转化转化DNA的整合的整合+细菌的转化作用过程细菌的转化作用过程（a）游离）游离DNA与细胞膜上的与细胞膜上的DNA结合蛋白相结合；结合蛋白相结合；（b）核酸酶降解一条）核酸酶降解一条DNA单链，单链，另一条单链进入细胞；另一条单链进入细胞；(c)在在RecA蛋白作用下进入的单蛋白作用下进入的单链与染色体同源区域重组；链与染色体同源区域重组；(d)形成转化子。形成转化子。二、转导二、转导第四节第四节 微生物的遗传重组微生物的遗传重组转导是通过噬菌体引起转导是通过噬菌体引起DNA在不同细菌细胞在不同细菌细胞间转移和基因重组现象。间转移和基因重组现象。通过噬菌体对寄主细胞任何通过噬菌体对寄主细胞任何DNA片段的片段的“错装错装”，而使寄，而使寄主细胞获得新的遗传性状的转导，称为普遍性转导。主细胞获得新的遗传性状的转导，称为普遍性转导。（一）、普遍性转导（一）、普遍性转导二、转导二、转导第四节第四节 微生物的遗传重组微生物的遗传重组普遍性转导示意图普遍性转导示意图（二）特异性转导（二）特异性转导二、转导二、转导第四节第四节 微生物的遗传重组微生物的遗传重组是指某些温和噬菌体，把供体菌的少数特定基因转移是指某些温和噬菌体，把供体菌的少数特定基因转移到受体菌中，并获得表达的遗传现象。到受体菌中，并获得表达的遗传现象。三、接合三、接合第四节第四节 微生物的遗传重组微生物的遗传重组接合是通过两个细菌细胞直接接触将接合是通过两个细菌细胞直接接触将DNA从一种细菌从一种细菌转移到另一种细菌。转移到另一种细菌。蛋氨酸、生物素缺陷型菌株（蛋氨酸、生物素缺陷型菌株（met-、bio-）苏氨酸、亮氨酸缺陷型菌株（苏氨酸、亮氨酸缺陷型菌株（thr-、leu-）三、接合三、接合第四节第四节 微生物的遗传重组微生物的遗传重组F因子因子 根据根据F因子在细胞中的有无和存在方式，大肠杆菌分为四中类型：因子在细胞中的有无和存在方式，大肠杆菌分为四中类型：（1）F-菌株菌株（2）F+菌株菌株 F+F-F+F+（3）Hfr菌株菌株 游离游离F因子因子 非游离非游离F因子因子 高频重组高频重组（4）F菌株菌株 F因子的存在方式因子的存在方式第四节第四节 微生物的遗传重组微生物的遗传重组质质粒粒DNA的的接接合合作作用用第五节第五节 重组重组DNA技术技术 细胞内发生的基因重组现象，称为体内重组。细胞内发生的基因重组现象，称为体内重组。由人工操作在细胞外进行由人工操作在细胞外进行DNADNA重组，称为体外重组。重组，称为体外重组。一、目的基因的克隆一、目的基因的克隆第五节第五节 重组重组DNA技术技术克隆克隆 名词名词 克隆子克隆子 动词动词 指利用指利用DNA体外重组技术，将体外重组技术，将一个特定的基因或一个特定的基因或DNA序列插序列插入到一个载体入到一个载体DNA上，进行扩上，进行扩增。增。（一）基因克隆的程序（一）基因克隆的程序一、目的基因的克隆一、目的基因的克隆第五节第五节 重组重组DNA技术技术1.目的目的DNA的分离和合成的分离和合成 2.克隆的载体和外源克隆的载体和外源DNA的连接的连接 3.克隆的基因送入受体细胞克隆的基因送入受体细胞 4.特定克隆子的筛选特定克隆子的筛选 5.大量扩增含有目的基因的克隆子大量扩增含有目的基因的克隆子（二）基因克隆的载体（二）基因克隆的载体一、目的基因的克隆一、目的基因的克隆第五节第五节 重组重组DNA技术技术质粒质粒 二、克隆子的筛选二、克隆子的筛选第五节第五节 重组重组DNA技术技术（一）克隆子的受体（一）克隆子的受体E.coli Bacillus subtilis 酿酒酵母酿酒酵母（二）克隆子的挑选（二）克隆子的挑选二、克隆子的筛选二、克隆子的筛选第五节第五节 重组重组DNA技术技术测定特异蛋白的方法测定特异蛋白的方法 采用核酸探针的方法直接搜寻采用核酸探针的方法直接搜寻 三、三、DNA的人工合成和扩增的人工合成和扩增第五节第五节 重组重组DNA技术技术（一）合成（一）合成DNA 探针、定点诱变、引物。探针、定点诱变、引物。（二）（二）DNA的扩增的扩增多聚酶链式反应多聚酶链式反应三、三、DNA的人工合成和扩增的人工合成和扩增第五节第五节 重组重组DNA技术技术PCR的步骤：的步骤：1、双链目标、双链目标DNA热变性；热变性；2、冷却使特定引物同目标、冷却使特定引物同目标DNA结合；结合；3、DNA多聚酶使引物延长，使目标多聚酶使引物延长，使目标DNA加倍。加倍。Taq酶、酶、Pfu酶酶 四、基因的定点诱变四、基因的定点诱变第五节第五节 重组重组DNA技术技术寡核苷酸引物诱变寡核苷酸引物诱变盒式诱变盒式诱变全基因成法全基因成法PCR诱变诱变（一）寡核苷酸引物诱变（一）寡核苷酸引物诱变四、基因的定点诱变四、基因的定点诱变第五节第五节 重组重组DNA技术技术818个核苷酸个核苷酸 将待突变的将待突变的DNA片段克隆到某一载体上并分离到单链环状片段克隆到某一载体上并分离到单链环状DNA；合成突变引物；合成突变引物；制备异源双链制备异源双链DNA分子；分子；富集双链闭环富集双链闭环DNA；转化；转化；筛选突变株；筛选突变株；鉴定突变株。鉴定突变株。诱变过程诱变过程：（二）盒式诱变（二）盒式诱变四、基因的定点诱变四、基因的定点诱变第五节第五节 重组重组DNA技术技术就是利用一段人工合成的具有突变序列的寡核苷酸片段，就是利用一段人工合成的具有突变序列的寡核苷酸片段，即所谓的寡核苷酸盒，取代野生型基因中的相应序列。即所谓的寡核苷酸盒，取代野生型基因中的相应序列。（三）（三）全基因合成法全基因合成法四、基因的定点诱变四、基因的定点诱变第五节第五节 重组重组DNA技术技术