《遗传和变异》PPT课件.ppt

第一节第一节 微生物的遗传物质微生物的遗传物质第二节第二节 质粒和转座因子质粒和转座因子第三节第三节 微生物的基因突变和基因重组微生物的基因突变和基因重组第四节第四节 细菌遗传变异的实际意义细菌遗传变异的实际意义 生物的各项生命活动都有它的物质基础。生物遗传的物质基础是什么呢？根据现代细胞学和遗传学的研究得知，控制生物性状的根据现代细胞学和遗传学的研究得知，控制生物性状的主要遗传物质是主要遗传物质是 脱氧核糖核酸（脱氧核糖核酸（DNA）。）。遗传遗传：亲代与子代相似亲代与子代相似变异：变异：亲代与子代、子代间不同个体不完全相同亲代与子代、子代间不同个体不完全相同遗传遗传（inheritance）和和变变异（异（variation）是生命的最本是生命的最本质质特性之一特性之一遗传型遗传型：表型表型：又称基因型，指生物个体所含有的全部基因的总和。又称基因型，指生物个体所含有的全部基因的总和。具有一定遗传型的个体，在特定环境条件下通过生长具有一定遗传型的个体，在特定环境条件下通过生长发育所表现出来的外表特征和内在特征的总和。发育所表现出来的外表特征和内在特征的总和。表型是由遗传型所决定，但也和环境有关。表型是由遗传型所决定，但也和环境有关。第一节第一节 遗传变异的物质基础遗传变异的物质基础 表型表型饰变饰变:不涉不涉及遗传物质及遗传物质结构改变而结构改变而只发生在转只发生在转录、翻译水录、翻译水平的表型改平的表型改变。变。表型的差异只与环境等因素有关表型的差异只与环境等因素有关特点：特点：暂时性、不可遗传性、表现为全部个体的行为暂时性、不可遗传性、表现为全部个体的行为变异（基因变异、基因突变）变异（基因变异、基因突变）：遗传物质结构或数量的改变，导致表型改变遗传物质结构或数量的改变，导致表型改变特点：特点：可遗传的、群体中极少数个体可遗传的、群体中极少数个体的行为的行为 （自发突变频率通常为（自发突变频率通常为1010-6-6-10-10-9-9）粘质沙雷氏菌：粘质沙雷氏菌：在在25下培养，产生深下培养，产生深红色的灵杆菌素；在红色的灵杆菌素；在37下培养，不产生下培养，不产生色素；如果重新将温色素；如果重新将温度降到度降到25，又恢复，又恢复产色素的能力。产色素的能力。第一节第一节 遗传变异的物质基础遗传变异的物质基础（一）、经典转化实验（一）、经典转化实验（二）、噬菌体感染实验（二）、噬菌体感染实验（三）、植物病毒的重建实验（三）、植物病毒的重建实验DNA是遗传物质的证据是遗传物质的证据一、三个经典证明实验一、三个经典证明实验实验者：格里菲斯实验者：格里菲斯（F.Gruffith，1928)；艾弗里；艾弗里（等，等，1944)。致病性：人患肺炎；鼠患败血症。致病性：人患肺炎；鼠患败血症。材料：材料：R型肺炎双球菌，粗糙型无毒型肺炎双球菌，粗糙型无毒 S型肺炎双球菌，光滑型有毒型肺炎双球菌，光滑型有毒R型型(无荚膜无荚膜)S型型(有荚膜有荚膜)研究对象：研究对象：Streptococcus pneumoniae（肺炎双球菌）（肺炎双球菌）.将无毒的将无毒的 R菌注入，小鼠不死，分离到菌注入，小鼠不死，分离到 R菌菌.将有毒的将有毒的 S 菌注入，小鼠死，分离到菌注入，小鼠死，分离到 S 菌菌1928年，年，Griffith进行了以下几组实验：进行了以下几组实验：（1 1）动物实验）动物实验.将加将加热杀热杀死死（6）的的 S 菌注入，小鼠不死，分离不到菌注入，小鼠不死，分离不到 S 菌菌.将无毒的将无毒的 R菌和加菌和加热杀热杀死死（）的的S 菌混合注入，小鼠菌混合注入，小鼠死，分离到死，分离到 S 菌菌（3 3）S S型菌的无细胞抽提液试验型菌的无细胞抽提液试验型菌的无细胞抽提液试验型菌的无细胞抽提液试验肺炎链肺炎链球菌球菌分析：这些活的有毒型细菌是怎么来的呢？（1）是死的变成了活的吗？回答：加热处死，然后体内注射）是死的变成了活的吗？回答：加热处死，然后体内注射试验说明这不可能的（第三个实验）。试验说明这不可能的（第三个实验）。（2）是活的无毒型细菌（）是活的无毒型细菌（R型）回复突变成有毒型细菌型）回复突变成有毒型细菌（S 型）的吗？回答：这是不可能的（第一个实验）型）的吗？回答：这是不可能的（第一个实验）但是，转变是怎么产生的呢？分明是活的无毒型细菌受到但是，转变是怎么产生的呢？分明是活的无毒型细菌受到了死的有毒型细菌的影响，因为它们是一起注入小家鼠体内的。了死的有毒型细菌的影响，因为它们是一起注入小家鼠体内的。推测推测:被加热杀死的被加热杀死的S S 型肺炎双球菌必然含型肺炎双球菌必然含有某种促成以上结果的活性物质有某种促成以上结果的活性物质 怎样影响的呢？怎样影响的呢？这个问题，当时的科学水平还不能回答。这个问题，当时的科学水平还不能回答。加S菌DNA加S菌DNA及DNA酶以外的酶加S菌的DNA和DNA酶加S菌的RNA加S菌的蛋白质加S菌的荚膜多糖活活R菌菌长出长出S菌菌只有只有R菌菌 1944年年，美美国国的的生生物物学学家家艾艾弗弗里里（Avery）、麻麻克克里里奥奥（）和和麦麦卡卡第第（）合合作作，在在格格里里菲菲思思的的肺肺炎炎双双球球菌菌转转化化实实验验的的基基础础上上进进行行了了细细致致的的工工作作。从从热热死死S型型中中提提纯纯了了可可能能作作为为转转化化因因子子的的各各种种成成分分，并并在在离离体体条条件件下下进进行行了转化试验：了转化试验：等试验等试验他们分别用降解他们分别用降解DNA、RNA或蛋白质的酶或蛋白质的酶作用于有毒的作用于有毒的S型细胞抽提物，选择性地型细胞抽提物，选择性地破坏这些细胞成分，然后分别与无毒的破坏这些细胞成分，然后分别与无毒的R型细胞混合，观察转化现象发生。型细胞混合，观察转化现象发生。结果：结果：只有只有S S型细菌的型细菌的DNADNA才能将才能将R R型转化为型转化为S S型。且型。且DNADNA纯度越高，转化效率也越高。说明纯度越高，转化效率也越高。说明S S型型菌株转移给菌株转移给R R型菌株的，是遗传因子。型菌株的，是遗传因子。等试验(二)、T2噬菌体的感染实验1952年，美国人候喜（年，美国人候喜（Hershey）和蔡斯（和蔡斯（Chase）为了为了证实证实T2噬菌体的噬菌体的DNA是遗传物质，他们用是遗传物质，他们用32P标记病毒的标记病毒的DNA，用，用35S标记病毒的蛋白质外壳。然后将这两种不同标标记病毒的蛋白质外壳。然后将这两种不同标记与其宿主大肠杆菌混合。记与其宿主大肠杆菌混合。以以3535S S标记蛋白质外壳做噬菌体感染实验标记蛋白质外壳做噬菌体感染实验上清液中含75%放射性沉淀中含25%放射性（1 1）含）含3535S-S-蛋白质的一组：蛋白质的一组：放射性放射性7575%在上清液中在上清液中用含有用含有35S蛋白质的蛋白质的T2噬菌体感染大肠杆菌时，大多数放噬菌体感染大肠杆菌时，大多数放射活性留在宿主细胞的外边射活性留在宿主细胞的外边 二、噬菌体感染实验二、噬菌体感染实验（2 2）含）含3232P-DNAP-DNA的一组：放射性的一组：放射性8585%在沉淀中在沉淀中上清液中含15%放射性沉淀中含85%放射性 以以3232P P标记标记DNADNA做噬菌体感染实验做噬菌体感染实验用含有用含有32P-DNA的的T2噬菌体与宿主细菌混合时，则发现噬菌体与宿主细菌混合时，则发现32P DNA注入宿注入宿主细胞，并产生噬菌体后代，这些主细胞，并产生噬菌体后代，这些T2噬菌体后代的蛋白质外壳的组成、噬菌体后代的蛋白质外壳的组成、形状大小等均与留在细胞外的蛋白质外壳一模一样形状大小等均与留在细胞外的蛋白质外壳一模一样进入细菌细胞内部的物质是进入细菌细胞内部的物质是DNA。DNA包含有产生完整噬菌体的全部信息包含有产生完整噬菌体的全部信息1956 年，年，弗朗克弗朗克-康勒脱康勒脱(Fraenkel-Conrat)用含用含RNA的烟草花叶病毒（的烟草花叶病毒（TMV）和霍氏车前花叶病毒）和霍氏车前花叶病毒（HRV）进行了著名的植物病毒重建实验。）进行了著名的植物病毒重建实验。将将TMV和和HRV在一定浓度尿素或苯酚溶液中振荡，分在一定浓度尿素或苯酚溶液中振荡，分别拆分得到各自的别拆分得到各自的RNA和蛋白质，将两种和蛋白质，将两种RNA分别与分别与对方的蛋白质外壳重建形成两种杂合病毒：对方的蛋白质外壳重建形成两种杂合病毒：(三三)、植物病毒的重建实验、植物病毒的重建实验实验证明，遗传信息的流向与实验证明，遗传信息的流向与RNA的传递是一致的。的传递是一致的。选用选用TMVTMV和霍氏车前花叶病和霍氏车前花叶病毒（毒（HRVHRV），分别拆分取得），分别拆分取得各自的各自的RNARNA和蛋白质，将两和蛋白质，将两种种RNARNA分别与对方的蛋白质分别与对方的蛋白质外壳重建形成两种杂合病毒：外壳重建形成两种杂合病毒：1 1、RNARNA（TMVTMV）-蛋白质（蛋白质（HRVHRV）2 2、RNARNA（HRVHRV）-蛋白质（蛋白质（TMVTMV）用两种杂合病毒感染寄主：用两种杂合病毒感染寄主：1 1、表现、表现TMVTMV的典型症状病的典型症状病分离到正常分离到正常TMVTMV粒子粒子2 2、表现、表现HRVHRV的典型症状病的典型症状病分离到正常分离到正常HRVHRV粒子。粒子。肺炎球菌的转化试验肺炎球菌的转化试验噬菌体感染试验噬菌体感染试验病毒拆开与重建试验病毒拆开与重建试验利用微生物为利用微生物为实验对象进行实验对象进行的三个著名实的三个著名实验的论证验的论证只有核酸才是负载遗传信息只有核酸才是负载遗传信息的真正物质基础的真正物质基础二、遗传物质在细胞内的存在部位和方式二、遗传物质在细胞内的存在部位和方式u遗传物质的七个水平遗传物质的七个水平细胞水平细胞水平细胞核水平细胞核水平染色体水平染色体水平核酸水平核酸水平基因水平基因水平密码子水平密码子水平核苷酸水平核苷酸水平u生物体生物体DNA大部分或几乎存在于大部分或几乎存在于细胞核（真核）或核区（原核）中细胞核（真核）或核区（原核）中u不同微生物细胞，细胞核数目不同不同微生物细胞，细胞核数目不同l单核单核酿酒酵母酿酒酵母、黑曲霉、孢子黑曲霉、孢子l双核双核杆菌细胞存在两个核区（球菌一般一个）杆菌细胞存在两个核区（球菌一般一个）l多核多核粗糙脉胞菌粗糙脉胞菌、米曲霉米曲霉、藻状菌、放线菌藻状菌、放线菌1 1、细胞水平、细胞水平2、细胞核水平、细胞核水平u基因组、核基因组或核染色体组基因组、核基因组或核染色体组l真核生物真核生物有核膜，有核膜，DNA与组蛋白结合与组蛋白结合形成染色体形成染色体l原核生物原核生物有核区，有核区，DNA裸露，环状双链，无组蛋白与裸露，环状双链，无组蛋白与DNA结合在一起结合在一起l真核生物质粒：真核生物质粒：线粒体、叶绿体、共生生物、线粒体、叶绿体、共生生物、2m质粒（酵质粒（酵 母菌质粒位于核内，不与核染色体组整合）等母菌质粒位于核内，不与核染色体组整合）等l原核生物质粒：原核生物质粒：F质粒、质粒、R质粒、质粒、Ti质粒等质粒等在细胞质中，还存在核外染色体。在细胞质中，还存在核外染色体。3 3、染色体水平、染色体水平u染色体数目染色体数目人：人：23；水稻：；水稻：12；大肠杆菌：；大肠杆菌：1；酿酒酵母：酿酒酵母：1617；枯草芽孢杆菌：；枯草芽孢杆菌：1u染色体倍数：同一细胞中相同染色体的套数染色体倍数：同一细胞中相同染色体的套数真核生物：多条染色体，单倍体、双倍体真核生物：多条染色体，单倍体、双倍体原核生物：一条裸露的原核生物：一条裸露的DNA构成的环状染色体构成的环状染色体单倍体：单倍体：细胞仅含有一套染色体的个体。如多数微生物、高细胞仅含有一套染色体的个体。如多数微生物、高等动植物的生殖细胞等动植物的生殖细胞双倍体：双倍体：细胞含有两套功能相同的染色体的个数。如多数高细胞含有两套功能相同的染色体的个数。如多数高等动物、植物体细胞、啤酒酵母营养细胞、合子等等动物、植物体细胞、啤酒酵母营养细胞、合子等4 4、核酸水平、核酸水平核酸种类核酸种类多数生物遗传物质为多数生物遗传物质为DNA，少数病毒为，少数病毒为RNA原核原核DNA裸露裸露真核真核DNA被包裹，与组蛋白结合在一起被包裹，与组蛋白结合在一起u核酸结构核酸结构DNA双链、单链；双链、单链；RNA单链、双链单链、双链、环状、线状、超螺旋、环状、线状、超螺旋uDNA长度：长度：u基因组大小的单位是基因组大小的单位是bp、kb、Mb截止到截止到2010年年11月：月：1748个细菌基因组，个细菌基因组，61个真菌基因组和个真菌基因组和103个古细菌个古细菌基因组序列已被发布。基因组序列已被发布。随着细菌基因组研究的迅速发展，全基因组测序已逐步随着细菌基因组研究的迅速发展，全基因组测序已逐步成为微生物基础研究的重要手段之一。成为微生物基础研究的重要手段之一。u微生物基因组测序微生物基因组测序5 5、基因水平、基因水平u基因（基因（gene）基因是一个实体，它的物质基础是核酸（基因是一个实体，它的物质基础是核酸（DNA或或RNA），），是一个携带有特定遗传信息的核苷酸序列，是一个携带有特定遗传信息的核苷酸序列，是具有自主复制能力的遗传物质的最小功能单位是具有自主复制能力的遗传物质的最小功能单位u基因组（基因组（genome）一个物种的单倍体的所有染色体及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其所包含的遗传信息的总称原核生物与真核生物基因组的差别原核生物与真核生物基因组的差别1）原核生物（细菌、古生菌）的基因组原核生物（细菌、古生菌）的基因组u染色体为染色体为双链环状的双链环状的DNA分子（单倍体）；分子（单倍体）；u基因组上遗传信息具有连续性（一般不含基因组上遗传信息具有连续性（一般不含 内含子内含子）；）；u功能相关的结构基因组成操纵子结构；功能相关的结构基因组成操纵子结构；u结构基因的单拷贝及结构基因的单拷贝及rRNA基因的多拷贝；基因的多拷贝；u基因组的重复序列少而短；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。但是信息传古生菌的基因组在结构上类似于细菌。但是信息传递系统递系统(复制、转录和翻译复制、转录和翻译)则与细菌不同而类似于则与细菌不同而类似于真核生物。真核生物。原核生物原核生物基因调空表达系统基因调空表达系统操纵子操纵子调节基因调节基因 启动基因启动基因操纵基因操纵基因结构基因结构基因结构基因：结构基因：决定某一多肽链结构的决定某一多肽链结构的DNADNA摸板摸板操纵基因：操纵基因：控制结构基因转录与否控制结构基因转录与否启动基因：启动基因：是转录的起始位点是转录的起始位点2）真核微生物的基因组）真核微生物的基因组u典型的真核染色体结构典型的真核染色体结构DNA与组蛋白结合；与组蛋白结合；u一般无一般无操纵子结构操纵子结构；u有间隔区（即非编码区）和内含子序列有间隔区（即非编码区）和内含子序列u存在大量不编码序列和存在大量不编码序列和重复序列；重复序列；u 在细胞核中转录、细胞质中翻译。在细胞核中转录、细胞质中翻译。3）原核生物和真核生物的基因组比较原核生物和真核生物的基因组比较遗传密码：遗传密码：指指DNA链上各个核苷酸的特定链上各个核苷酸的特定 排列顺序。排列顺序。密码子：密码子：由由3个核苷酸顺序决定，负载遗传个核苷酸顺序决定，负载遗传 信息的基本单位。信息的基本单位。起始密码子：起始密码子：AUG。终止密码子：终止密码子：UAA、UGA、UAG。三联密码子：三联密码子：每个密码子由链上三个核苷酸顺序决定，常以每个密码子由链上三个核苷酸顺序决定，常以mRNA上三个核苷酸顺序上三个核苷酸顺序表示。表示。l四个核苷酸编出三联密码四个核苷酸编出三联密码 4364个个l同一氨基酸由多个密码子编码同一氨基酸由多个密码子编码6 6、密码子水平、密码子水平7 7、碱基水平（核苷酸水平）、碱基水平（核苷酸水平）u最低突变单位或交换单位最低突变单位或交换单位uDNA链中有链中有A（腺嘌呤）、（腺嘌呤）、T（胸腺嘧啶）、（胸腺嘧啶）、G（鸟嘌呤）（鸟嘌呤）、C（胞嘧啶）四种碱基（胞嘧啶）四种碱基uRNA链中有链中有A、U（尿嘧啶尿嘧啶）、）、G、C四种碱基四种碱基u几个数据几个数据 多数细菌的基因组在多数细菌的基因组在19Mb 每个碱基对的平均分子量每个碱基对的平均分子量650道尔顿道尔顿 1*106的的dsDNA约为约为1.5kb，或，或0.5um 3nm碱基重量约为碱基重量约为1ug 遗传物质的复制遗传物质的复制-双链双链DNADNA的复制的复制 （半保留复制）（半保留复制）沃森沃森-克里克根据克里克根据DNA的双螺旋模型提出的的双螺旋模型提出的DNA复制方式。即复制方式。即DNA复制时亲代复制时亲代DNA的两条链解开，每条链作为新链的模板，的两条链解开，每条链作为新链的模板，从而形成两个子代从而形成两个子代DNA分子，每一个子代分子，每一个子代DNA分子包含一条亲分子包含一条亲代链和一条新合成的链。代链和一条新合成的链。合成只能从合成只能从5到到3一一个方向进行；个方向进行；只有一条链的合成是只有一条链的合成是连续的（前导链）；连续的（前导链）；另一条链的合成是不另一条链的合成是不连续的，而是分段进行连续的，而是分段进行的；的；随着解旋酶的前移，随着解旋酶的前移，DNA聚合酶跳跃式往前聚合酶跳跃式往前挪动而合成不连续的小挪动而合成不连续的小DNA片段（冈崎片段）；片段（冈崎片段）；DNA连接酶将它们连连接酶将它们连接起来而成完整的接起来而成完整的DNA长链（后随链）；长链（后随链）；遗传物质的复制过程遗传物质的复制过程这确保了这确保了DNA复制精确，并复制精确，并保证了一切生物遗传性的相对保证了一切生物遗传性的相对稳定。稳定。又叫核糖核酸（又叫核糖核酸（ribonucleic acid）。与）。与DNA相似，不同之处是以核糖代替脱氧核相似，不同之处是以核糖代替脱氧核糖，以尿嘧啶（糖，以尿嘧啶（U）代替了胸腺嘧啶（）代替了胸腺嘧啶（T）。）。其碱基配对原则是其碱基配对原则是A-U，C-G。RNA有四种：有四种：mRNA,tRNA,rRNA和反义和反义RNA。叫叫信使信使RNA，其上带有指导氨基酸的信息其上带有指导氨基酸的信息密码子密码子（三联密码子），（三联密码子），它翻译氨基酸，它翻译氨基酸，具传递遗传性的功能。具传递遗传性的功能。叫叫转移转移RNA，其上有和其上有和mRNA互补的互补的反密反密码子，码子，能识别氨基酸及识别能识别氨基酸及识别mRNA上的密码上的密码子，在子，在tRNA-氨基酸合成酶氨基酸合成酶的作用下传递氨的作用下传递氨基酸。基酸。tRNA 的结构遗传密码遗传密码的的“阅读者阅读者”(1)含有含有7080个碱基个碱基(2)5端端和和3端端配配对对（常常为为7bp）形形成成茎茎区区，称称为为受受体体臂臂或或称称氨氨基基酸酸臂臂 。在在 3端端 永永 远远 是是 4个个 碱碱 基基（XCCA）的的单单链链区区。此此臂臂负负责责携携带特异的氨基酸带特异的氨基酸。三三叶叶草草型型的的二维结构二维结构反义反义RNA起起调节作用，调节作用，决定决定mRNA翻译合翻译合成速度。成速度。rRNA，又称又称核糖体核糖体RNA，其和蛋白质结合其和蛋白质结合成的核糖体为合成蛋白质的场所。成的核糖体为合成蛋白质的场所。DNA与遗传密码与遗传密码 -由由A、T（U）、）、C、G 组成的三联体密码组成的三联体密码(1)三联体密码决定一个氨基酸；三联体密码决定一个氨基酸；(2)密码的解读是从密码的解读是从53，每三个碱基为一区段进行解读的；，每三个碱基为一区段进行解读的；(3)蛋白质合成的终止是由终止密码子决定的；蛋白质合成的终止是由终止密码子决定的；(4)三联体单位中三个三联体单位中三个碱基都不重复解读，碱基都不重复解读，密码子与密码子之间密码子与密码子之间不存在多余的碱基；不存在多余的碱基；(5)有的氨基酸具有两种有的氨基酸具有两种以上的密码子；以上的密码子；(6)遗传密码对于所有遗传密码对于所有生物都是共通的。生物都是共通的。启动阶段启动阶段 在核糖体上合成蛋白质（P76）从从mRNA读码框架读码框架的起始码的起始码AUG开开始，按始，按mRNA模板模板三联体密码的顺序延三联体密码的顺序延长肽链，直至终止密长肽链，直至终止密码出现。码出现。蛋白蛋白质的生物合成，即翻的生物合成，即翻译，就是将核酸中由，就是将核酸中由 4 种核苷酸序列种核苷酸序列编码的的遗传信息，通信息，通过遗传密密码破破译的方式解的方式解读为蛋白蛋白质一一级结构中构中20种氨基酸的排列种氨基酸的排列顺序序。肽链的延伸阶段肽链的延伸阶段 -“受位受位”（A A）和和“给位给位”（P P）A位位（氨（氨酰基部位），基部位），氨基氨基酰-tRNA进入部入部位。位。P位位（肽基部位），基部位），为起始起始tRNA或正在或正在延伸中的延伸中的肽酰-tRNA结合部位。合部位。*进位反应*转位反应*移位反应*终止阶段 肽链的延伸阶段和终止阶段肽链的延伸阶段和终止阶段中心法则 1958年由克里克年由克里克(Crick)提出，包括由提出，包括由DNA到到DNA的复制、的复制、由由DNA到到RNA的转录和由的转录和由RNA到蛋白质的翻译等过程。到蛋白质的翻译等过程。20世纪世纪70年代逆转录酶的发现，表明还有由年代逆转录酶的发现，表明还有由RNA逆转录形成逆转录形成DNA的机制，是对中心法则的补充和丰富。的机制，是对中心法则的补充和丰富。遗传信息传递的规律遗传信息传递的规律基因基因A A基因基因B BDNA转录转录基因基因A A基因基因B BmRNA翻译翻译蛋白质蛋白质A A蛋白质蛋白质B B蛋白质蛋白质原核生物的染色体与细胞质没有核膜分开，因此三个过程紧密联系位于同一个操纵子内的多个基因共同转录为一个大的位于同一个操纵子内的多个基因共同转录为一个大的mRNA分子，然后分别翻译成不同的蛋白质。分子，然后分别翻译成不同的蛋白质。遗传信息传递遗传信息传递外显子1外显子2内含子1内含子2基因 XDNA外显子1外显子2内含子1内含子2初始RNA转录物转录加工过程中内含子被切除外显子1 外显子2成熟的mRNA细胞核转运到细胞质外外显子外显子2外显子外显子1mRNA翻译蛋白质蛋白质X X蛋白质蛋白质细胞质真核生物一、原核生物的质粒一、原核生物的质粒质粒（质粒（plasmid）：）：一种独立于染色体外，能进行自主复制的小型共价一种独立于染色体外，能进行自主复制的小型共价闭合环状的双链闭合环状的双链DNA分子，主要存在于各种微生物分子，主要存在于各种微生物细胞中。细胞中。第二节质粒与转座因子第二节质粒与转座因子1.质粒的特点质粒的特点（1）结构）结构通常以超螺旋双链通常以超螺旋双链DNA分子存在于细胞中；分子存在于细胞中；分离后大多是分离后大多是三种构型：三种构型：CCC型型（covalently closed circular):共价闭合环状共价闭合环状OC型型（open circular form):开环型开环型L型型（linear form)：线型线型也发现有线型双链也发现有线型双链DNA质粒和质粒和RNA质粒；质粒；质粒分子的大小范围从质粒分子的大小范围从1kb左右到左右到1000kb；（细菌质粒多在细菌质粒多在10kb以内）以内）一、原核生物的质粒一、原核生物的质粒麻花状的超螺旋结构麻花状的超螺旋结构1.质粒的特点质粒的特点一、原核生物的质粒一、原核生物的质粒（3）质质 粒粒 的的 鉴鉴 定定电镜电镜琼脂糖凝胶电泳琼脂糖凝胶电泳聚丙烯酰胺凝胶电泳聚丙烯酰胺凝胶电泳密度梯度离心密度梯度离心质粒的限制性酶切图谱质粒的限制性酶切图谱（2）质质 粒粒 的的 制制 备备增殖培养增殖培养裂解细胞裂解细胞蛋白质和蛋白质和RNA的去除的去除质粒质粒DNA与染色体与染色体DNA分离分离（4）质粒的消除）质粒的消除吖啶类染料、丝裂霉素吖啶类染料、丝裂霉素C、紫外线、利福平、紫外线、利福平、重金属离子、高温重金属离子、高温（5）质粒的主要类型）质粒的主要类型质粒所编码质粒所编码的功能和赋的功能和赋予宿主的表予宿主的表型效应型效应致育质粒（致育质粒（F F质粒，质粒，F F因子）因子）抗性质粒（抗性质粒（R R质粒，质粒，R R因子）因子）毒力质粒（毒力质粒（ViVi质粒）质粒）细菌素质粒细菌素质粒代谢质粒代谢质粒隐秘质粒隐秘质粒（6）质粒的特征）质粒的特征在细胞质中独立于染色体之外独立存在（游离态），也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，以通过交换掺入染色体上，以附加体附加体的形式存在；的形式存在；可自我复制，稳定遗传。对生存不是必要的。复制与染色体可自我复制，稳定遗传。对生存不是必要的。复制与染色体分开，但同步进行。分开，但同步进行。根据自我复制能力的不同，可把质粒复制的控制形式分为根据自我复制能力的不同，可把质粒复制的控制形式分为严严紧型紧型和和松弛型松弛型两种。两种。严紧型质粒严紧型质粒：复制与染色体的复制同步：复制与染色体的复制同步,低拷贝数（低拷贝数（寄主细寄主细胞内只有胞内只有15个拷贝）个拷贝）松弛型质粒松弛型质粒：复制与染色体的复制不同步，：复制与染色体的复制不同步，高拷贝数高拷贝数（寄主寄主细胞内达到细胞内达到10200个或更多拷贝）个或更多拷贝）（6）质粒的特征）质粒的特征可以通过可以通过转化转化、转导转导或或接合接合作用而由一个细菌细胞转移作用而由一个细菌细胞转移到另一个菌细胞中，使两个细胞都成为带有质粒的细胞；到另一个菌细胞中，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，所以它可成为段）一起进行转移，所以它可成为基因工程的载体基因工程的载体。不同质粒携带不同遗传信息。不同质粒携带不同遗传信息。功能多样化功能多样化2、质粒的亲和性和不亲和性质粒的亲和性和不亲和性几种质粒在同一宿主细胞内皆能复制且能稳定遗传，质粒间几种质粒在同一宿主细胞内皆能复制且能稳定遗传，质粒间有亲和性。有亲和性。亲和性（亲和性（compatibility）不亲和性（不亲和性（incompatibility）含一种质粒的细胞导入另一种质粒，几代后在细胞内只存在一含一种质粒的细胞导入另一种质粒，几代后在细胞内只存在一种质粒，而丢失一种质粒，这两种质粒相互排斥不能共存的关种质粒，而丢失一种质粒，这两种质粒相互排斥不能共存的关系称为不亲和性。系称为不亲和性。3.质粒在基因工程中的应用质粒在基因工程中的应用优点：优点：体积小，便于体积小，便于DNA的分离与操作；的分离与操作；呈环状，在分离中保持稳定的性能；呈环状，在分离中保持稳定的性能；有独立复制起点；有独立复制起点；拷贝数多，外援基因扩增比较快；拷贝数多，外援基因扩增比较快；存在选择性标记，便于选择和检出。存在选择性标记，便于选择和检出。二、原核生物的质粒二、原核生物的质粒克隆载体克隆载体应用：应用：1）致育致育质质粒粒(F质质粒、粒、F因子、致育因子因子、致育因子)大小约大小约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）（接合作用）有关的质粒。有关的质粒。存在于肠道细菌、奈球菌、球菌等。存在于肠道细菌、奈球菌、球菌等。F因子能以游离状因子能以游离状态态(F+)和以和以与染色体相与染色体相结结合的状合的状态态(Hfr)存在于存在于细细胞中，又称胞中，又称为为附加体附加体。包括抗药性和抗重金属二大类。包括抗药性和抗重金属二大类。包括抗药性和抗重金属二大类。包括抗药性和抗重金属二大类。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。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。R R R R质粒质粒质粒质粒抗性转移因子（抗性转移因子（抗性转移因子（抗性转移因子（RTFRTFRTFRTF）：转移和复制基因：转移和复制基因：转移和复制基因：转移和复制基因抗性决定因子抗性决定因子抗性决定因子抗性决定因子：抗性基因：抗性基因：抗性基因：抗性基因2）抗性抗性质质粒（粒（R质质粒、粒、R因子）因子）R质质粒与耐粒与耐药药性有关，性有关，尤其与多重耐尤其与多重耐药药性有关。性有关。Ti质粒质粒（tumor-inducing plasmid）存在于根癌土壤杆菌中，存在于根癌土壤杆菌中，引起双子叶植物根癌。特殊片段引起双子叶植物根癌。特殊片段TDNA整合植物整合植物DNA中，中，令其转化成癌细胞（破坏控制细胞分裂的激素调节系统）。令其转化成癌细胞（破坏控制细胞分裂的激素调节系统）。大小：大小：200kb(大型质粒大型质粒)组成：三个致癌基因。组成：三个致癌基因。一些具有重要性状的外源基因可借一些具有重要性状的外源基因可借DNA重组技术设法插入到重组技术设法插入到Ti质粒中，并质粒中，并进一步使之整合到植物染色体上，以改进一步使之整合到植物染色体上，以改变该植物的遗传性，达到培育植物优良变该植物的遗传性，达到培育植物优良品种的目的。品种的目的。3 3）毒性毒性质质粒粒Ti质粒是当前植物基因工程中使用最广、质粒是当前植物基因工程中使用最广、效果最佳的克隆载体。效果最佳的克隆载体。T-DNA可携带外源基因整合到植物基因组可携带外源基因整合到植物基因组许多致病菌的致病性是由其所携带的质粒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。引起的，这些质粒具有编码毒素的基因。编码各种细菌产生的细菌素。编码各种细菌产生的细菌素。大肠杆菌（大肠杆菌（E.coli）产生的细菌素为大肠杆菌素产生的细菌素为大肠杆菌素（colicins），而质粒被称为，而质粒被称为Col质粒质粒（大肠杆菌（大肠杆菌素质粒）。素质粒）。大肠杆菌素：大肠杆菌素：具有通过抑制转录、转译或能量代谢而专一杀死具有通过抑制转录、转译或能量代谢而专一杀死近缘近缘不含不含Col质粒质粒菌株的功能。菌株的功能。细菌素：抑制或杀死其他近缘细菌或同种不同菌株的代谢产物。细菌素：抑制或杀死其他近缘细菌或同种不同菌株的代谢产物。是由质粒编码的蛋白质，一般根据产生菌的种类进行命名。是由质粒编码的蛋白质，一般根据产生菌的种类进行命名。4）细细菌素菌素质质粒粒 质粒上携带有有利于微生物生存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，的基因，如能降解某些基质的酶，进行共生固氮，或产生抗生素进行共生固氮，或产生抗生素（某些放线菌）等。（某些放线菌）等。5 5）代代谢质谢质粒粒降解质粒：降解质粒：将复杂的有机化合物降解成能被其作为碳源和能源利用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。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，如芳香簇化合物假单胞菌：具有降解一些有毒化合物，如芳香簇化合物(苯苯)、农药、辛烷和樟脑等的能力。农药、辛烷和樟脑等的能力。6）隐秘质粒）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（用凝不显示任何表型效应，它们的存在只有通过物理的方法（用凝胶电泳检测细胞抽提液）才能发现。胶电泳检测细胞抽提液）才能发现。它们存在的生物学意义，目前几乎不了解。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）（一般加上抗性基因）二、转座因子二、转座因子(transposable element,TE)的类型的类型转座：转座：DNA序列从染色体某一部位转移到同一染色体上另一序列从染色体某一部位转移到同一染色体上另一部位或其它染色体上某一部位的现象。部位或其它染色体上某一部位的现象。插入序列插入序列(insertion sequence,IS)转座子转座子(transposon,Tn)Mu噬菌体噬菌体转座因子又称为可移动基因、可移动遗传因子、转座因子又称为可移动基因、可移动遗传因子、跳跃基因跳跃基因。转座转座因子因子位于染色体或质粒上的一段能改变自身位置的位于染色体或质粒上的一段能改变自身位置的DNA序列，广序列，广泛分布于原核和真核细胞中。泛分布于原核和真核细胞中。三、转座因子的类型三、转座因子的类型转座因子的特点：转座因子的特点：在转座时，通过转座因子的复制，将新形成的拷贝转移在转座时，通过转座因子的复制，将新形成的拷贝转移到染色体的新部位上。到染色体的新部位上。在转座因子两端各有一段一定长度的反向末端重复序列，在转座因子两端各有一段一定长度的反向末端重复序列，401000bp。TATTA.TATTA ATAAT.ATAAT 正向重复ACTTG.CAAGT TGAAC.GTTCA 反向重复带有一个对转座有特异功能的转座酶基因带有一个对转座有特异功能的转座酶基因。三、转座因子的类型三、转座因子的类型1.插入序列插入序列(insertion sequence,IS)是是最简单的转座因子最简单的转座因子，长度不超过，长度不超过2 2kbkb，只含有编码转座所必须只含有编码转座所必须的的转座酶基因转座酶基因，它们分布在细菌的染色体、质粒以及某些噬菌体，它们分布在细菌的染色体、质粒以及某些噬菌体DNADNA上。上。反向重复三、转座因子的类型三、转座因子的类型2.转座子转座子(transposon,Tn)u Tn比IS分子大，不不仅仅有插入序列，有插入序列，还还携携带带有有赋赋予宿主某些予宿主某些遗传遗传特性的基因，主要是抗生素和某些毒物的抗性基因。特性的基因，主要是抗生素和某些毒物的抗性基因。u当当Tn插入某一基因插入某一基因时时，一方面可引起插入基因失活，一方面可引起插入基因失活产产生基因突生基因突变变，另一方面可因，另一方面可因带带入耐入耐药药性基因而使性基因而使细细菌菌获获得耐得耐药药性。性。u转转座子可能与座子可能与细细菌的多重耐菌的多重耐药药性有关。性有关。ISIS ISISResistance Gene(s)Resistance Gene(s)ISIS ISISResistance Gene(s)Resistance Gene(s)转转座子座子携携带带耐耐药药或毒素基因或毒素基因Tn1 Tn2 Tn3Tn1 Tn2 Tn3APAP（氨（氨苄苄青霉素）青霉素）Tn4Tn4APAP、SMSM（链链霉素）、霉素）、SuSu（磺胺）（磺胺）Tn5Tn5KmKm（卡那霉素）（卡那霉素）Tn6Tn6KmKmTn7Tn7TMPTMP（甲氧（甲氧苄苄氨氨嘧啶嘧啶）、）、SMSMTn9Tn9CmCm（氯氯霉素）霉素）Tn10Tn10TcTc（四（四环环素）素）tn551tn551EmEm（红红霉素）霉素）Tn971Tn971EmEmTn1681Tn1681大大肠肠埃希菌（埃希菌（肠肠毒素基因）毒素基因）2.转座子转座子(transposon,Tn)3.转座噬菌体或前噬菌体转座噬菌体或前噬菌体Mu噬菌体：噬菌体：E.coli的温和噬菌体，溶源化后能起到的温和噬菌体，溶源化后能起到转座子的作用，是转座子的作用，是最大的转座因子，全长约最大的转座因子，全长约 39 kb。温和噬菌体温和噬菌体：噬菌体侵入寄主细菌以后，它们的核酸和寄主噬菌体侵入寄主细菌以后，它们的核酸和寄主细胞同步复制，寄主细胞不裂解。细胞同步复制，寄主细胞不裂解。溶原细胞（细胞溶原化）溶原细胞（细胞溶原化）：含有温和噬菌体的寄主细胞：含有温和噬菌体的寄主细胞转座噬菌体或前噬菌体（原噬菌体）转座噬菌体或前噬菌体（原噬菌体）：在溶原细胞内的噬菌体核：在溶原细胞内的噬菌体核酸酸 转座噬菌体从细菌染色体分离脱落时，可能连带有细菌的转座噬菌体从细菌染色体分离脱落时，可能连带有细菌的DNADNA片段，故它还可能在遗传物质转移过程中起载体作用。片段，故它还可能在遗传物质转移过程中起载体作用。一个基因内部遗传结构或一个基因内部遗传结构或DNA