微生物遗传-1-遗传物质.ppt
课程安排uu2-16周，周三下午，周，周三下午，5-6节，共节，共24学时。学时。uu成绩成绩作业（作业（5次）和考勤占次）和考勤占10%实验实验20%期末考试占期末考试占70%(。授课目的授课目的n n结合微生物和生物化学的相关知识，掌结合微生物和生物化学的相关知识，掌握微生物遗传的基本规律，了解此领域握微生物遗传的基本规律，了解此领域的应用研究进展。的应用研究进展。n n掌握微生物育种和改造菌种的基本方法。掌握微生物育种和改造菌种的基本方法。第一章第一章 基本理论基本理论1 1 几个基本概念几个基本概念1.1 1.1 遗传遗传（inheritanceinheritance）：亲代与子代相似。）：亲代与子代相似。保留保留-复制复制传递传递-细胞分裂，遗传物质分配（有丝分裂、细胞分裂，遗传物质分配（有丝分裂、减数分裂）减数分裂）1.2 1.2 变异和饰变变异和饰变变异（变异（variationvariation）亲代与子代、子代间不同个体不完全相同，遗传物质亲代与子代、子代间不同个体不完全相同，遗传物质改变，导致表型改变改变，导致表型改变 。特点：遗传性、群体中极少数个体的行为特点：遗传性、群体中极少数个体的行为 （自发突变频率通常为（自发突变频率通常为1010-5-5-10-10-10-10）饰变饰变（modificationmodification）表型的差异只与环境有关。不涉及遗传物质结构改变表型的差异只与环境有关。不涉及遗传物质结构改变而只发生在转录、转译水平上的表型改变。而只发生在转录、转译水平上的表型改变。特点：暂时性、不可遗传性、表现为全部个体的行为特点：暂时性、不可遗传性、表现为全部个体的行为微生物是遗传学研究中的明星微生物是遗传学研究中的明星n n微生物细胞结构简单，营养体一般为单倍微生物细胞结构简单，营养体一般为单倍体，方便建立纯系。体，方便建立纯系。n n很多常见微生物都易于人工培养，快速、很多常见微生物都易于人工培养，快速、大量生长繁殖。大量生长繁殖。n n对环境因素的作用敏感，易于获得各类突对环境因素的作用敏感，易于获得各类突变株，操作性强。变株，操作性强。2 2、遗传物质及其存在形式、遗传物质及其存在形式2.1 2.1 核酸是遗传物质核酸是遗传物质uu DNADNADNADNA是微生物的主要遗传物质是微生物的主要遗传物质是微生物的主要遗传物质是微生物的主要遗传物质uu 噬菌体和病毒的遗传物质是噬菌体和病毒的遗传物质是噬菌体和病毒的遗传物质是噬菌体和病毒的遗传物质是DNADNADNADNA或或或或RNARNARNARNA2.2 DNA2.2 DNA的结构的结构uu由两条由两条由两条由两条DNADNADNADNA链反向互补链反向互补链反向互补链反向互补组成的双螺旋结构组成的双螺旋结构组成的双螺旋结构组成的双螺旋结构uu核苷酸是组成核酸的核苷酸是组成核酸的核苷酸是组成核酸的核苷酸是组成核酸的基本单位基本单位基本单位基本单位核苷酸：磷酸根核苷酸：磷酸根+核糖（戊糖）核糖（戊糖）+碱基碱基戊糖有核糖和脱氧核糖两种，戊糖有核糖和脱氧核糖两种，分别存在于分别存在于RNARNA和和DNADNA中。中。碱基的结构及配对原则碱基的结构及配对原则 A-T G-CA-T G-CA A A A腺嘌呤腺嘌呤腺嘌呤腺嘌呤T T T T胸腺嘧啶胸腺嘧啶胸腺嘧啶胸腺嘧啶G G G G鸟嘌呤鸟嘌呤鸟嘌呤鸟嘌呤C C C C胞嘧啶胞嘧啶胞嘧啶胞嘧啶U U U U尿嘧啶尿嘧啶尿嘧啶尿嘧啶DNADNA链是由磷酸二酯键链是由磷酸二酯键5533方向连接而成方向连接而成2.3 2.3 遗传物质在细胞中的存在形式遗传物质在细胞中的存在形式2.3.1 细胞水平同种或不同种的微生物细胞中，细胞核的数目同种或不同种的微生物细胞中，细胞核的数目有所不同有所不同单核真菌：酵母（单核真菌：酵母（S.cerevisiaeS.cerevisiae）、黑曲霉）、黑曲霉（A.nigerA.niger）、构巢曲霉（）、构巢曲霉（A.nidulansA.nidulans）等。）等。多核真菌：粗糙脉孢霉、米曲霉。多核真菌：粗糙脉孢霉、米曲霉。放线菌：菌丝细胞多核，孢子单核。放线菌：菌丝细胞多核，孢子单核。细菌：杆菌两个核区，球菌单核区细菌：杆菌两个核区，球菌单核区2.3.2 细胞核水平真核：核膜包裹，与组蛋白结合原核：无核膜包裹的核区，环状双链结构，不与任何蛋白质结合。核外基因：真核：细胞质基因（线粒体和叶绿体）、共生真核：细胞质基因（线粒体和叶绿体）、共生生物、生物、2 2mm质粒质粒 原核：原核：F F因子、因子、R R因子、因子、ColCol质粒、质粒、TiTi质粒等质粒等2.3.3 染色体水平染色体数染色体数 人人人人23232323、酿酒酵母、酿酒酵母、酿酒酵母、酿酒酵母16-1716-1716-1716-17、米曲霉、米曲霉、米曲霉、米曲霉7 7 7 7、大肠杆菌、大肠杆菌、大肠杆菌、大肠杆菌1 1 1 1、枯草芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌1 1 1 1染色体倍数：单倍体和双倍体染色体倍数：单倍体和双倍体2.3.4 核酸水平种类：DNA、RNA结构：单、双链结构DNA长度原核原核 操纵子操纵子操纵子操纵子+调节基因调节基因调节基因调节基因真核真核 断裂基因断裂基因断裂基因断裂基因 外显子和内含子外显子和内含子外显子和内含子外显子和内含子2.3.5 基因水平2.3.6 密码子水平三联体密码三联体密码三联体密码三联体密码起始密码子起始密码子起始密码子起始密码子AUGAUGAUGAUG、终、终、终、终止码子止码子止码子止码子UAAUAAUAAUAA、UAGUAGUAGUAG、UGAUGAUGAUGA密码子具有兼并性密码子具有兼并性密码子具有兼并性密码子具有兼并性稀有密码子及密码稀有密码子及密码稀有密码子及密码稀有密码子及密码子的偏好。子的偏好。子的偏好。子的偏好。2.3.7 核苷酸水平n n点突变：结构基因或非转录序列中（调节序列）点突变：结构基因或非转录序列中（调节序列）点突变：结构基因或非转录序列中（调节序列）点突变：结构基因或非转录序列中（调节序列）2.4 2.4 微生物基因组微生物基因组2.4.1 2.4.1 基因组（基因组（genomegenome）指存在于细胞或病毒中的所有基因。（一个指存在于细胞或病毒中的所有基因。（一个物种的单倍体的所有染色体及其所包含的遗传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）信息的总称）目前一般将微生物分为目前一般将微生物分为真菌真菌、放线菌、放线菌、细菌细菌、螺旋体螺旋体、立克次体、立克次体、衣原体衣原体、支原体支原体和和病病毒毒。2.4.2 微生物基因组的进展SangerSanger等于等于19771977年完成的第一个基因组序列年完成的第一个基因组序列噬噬菌体菌体X174X174（5.386 kb5.386 kb，基因数：，基因数：1111）19821982年完成的年完成的“噬菌体序列噬菌体序列”（5x105x104 4 bp,bp,基因基因数：数：5050）19951995年，流感嗜血杆菌（年，流感嗜血杆菌（1.83x101.83x106 6 bpbp，基因数：，基因数：17801780）19961996年，酿酒酵母（年，酿酒酵母（12.1x1012.1x106 6 bp,bp,基因数：基因数：58005800，1616条染色体条染色体 ）19971997年，年，E.coliE.coli K12 K12（4.6x104.6x106 6bp,bp,基因数：基因数：41004100）20042004年，完成年，完成156156个微生物全基因组测序个微生物全基因组测序 截至到截至到20102010年年1111月月2020日，日，GOLDGOLD（Genomes OnLine Genomes OnLine DatabaseDatabase）已发布完成）已发布完成61156115株综合微生物全基因株综合微生物全基因组（组（Integrated Microbial GenomesIntegrated Microbial Genomes）的测序，）的测序，包括包括22902290株细菌、株细菌、7676株真核微生物、株真核微生物、9494株古菌、株古菌、25362536株病毒和株病毒和11191119个质粒；同时，有个质粒；同时，有53845384种细菌种细菌基因组、基因组、16581658种真核微生物和种真核微生物和208208种古菌测序正全种古菌测序正全面展开。面展开。德国实验室利用德国实验室利用Ion PGMIon PGM仅用了仅用了3 3天时间就完成了天时间就完成了该致病型大肠杆菌菌株的全基因组测序和序列的该致病型大肠杆菌菌株的全基因组测序和序列的组装组装 20112011年年3 3月月2222日日,中国科学家宣布将参与全球最大中国科学家宣布将参与全球最大微生物基因组研究项目（微生物基因组研究项目（Earth Microbiome Earth Microbiome ProjectProject，EMPEMP），并承担核心工作。该项目旨在），并承担核心工作。该项目旨在全面、系统地研究全球范围内的微生物群落的功全面、系统地研究全球范围内的微生物群落的功能及进化多样性，以便更好地造福人类。能及进化多样性，以便更好地造福人类。该项目的研究对象不仅仅集中于海洋和人体环境该项目的研究对象不仅仅集中于海洋和人体环境中微生物群落，还包括土壤、空气、淡水生态系中微生物群落，还包括土壤、空气、淡水生态系统等整个地球表面的绝大多数的微生物群落。统等整个地球表面的绝大多数的微生物群落。预预计可获得计可获得500,000500,000个重测的基因组。个重测的基因组。2.4.3 基因组学为微生物遗传学带来崭新工具微生物进化关系更加清晰微生物进化关系更加清晰同一功能单位在同源及异缘物种之间差异同一功能单位在同源及异缘物种之间差异性的评估变为现实性的评估变为现实变异更易检测变异更易检测引发了蛋白质组学、糖组学和代谢组学的引发了蛋白质组学、糖组学和代谢组学的迅速发展迅速发展
