普通高考全国卷2语文试题.ppt

主要内容主要内容1微生物的遗传微生物的遗传2微生物的变异微生物的变异3微生物基因重组微生物基因重组4菌种的衰退、复壮和保藏菌种的衰退、复壮和保藏第第4 4章章 微生物的遗传与变异微生物的遗传与变异引言（相关概念）引言（相关概念）遗传遗传(heredity或或inheritance)指生物的上一代将自己的一指生物的上一代将自己的一整套遗传因子传递给下一代的行为或功能，具有极其稳定的整套遗传因子传递给下一代的行为或功能，具有极其稳定的特性。特性。遗传型遗传型(genotype)：又称基因型，指某一生物个体所含有的：又称基因型，指某一生物个体所含有的全部遗传因子，即基因的总和。全部遗传因子，即基因的总和。遗传型是一种内在的可能性或潜力，其实质是遗传物质上所遗传型是一种内在的可能性或潜力，其实质是遗传物质上所负载的特定遗传信息。负载的特定遗传信息。表型表型(phenotype)具有一定遗传型的个体，在特定的外界环境中，通过生长和具有一定遗传型的个体，在特定的外界环境中，通过生长和发育所表现出来的种种形态和生理特征的总和，即为其表型；发育所表现出来的种种形态和生理特征的总和，即为其表型；即是遗传型在合适的环境下的具体表现。即是遗传型在合适的环境下的具体表现。遗传型遗传型+环境条件环境条件表型表型代谢代谢发育发育变异变异(variation)：指生物体在某种外因或内因的作用下所引起的：指生物体在某种外因或内因的作用下所引起的遗传物质结构或数量的改变，亦即遗传型的改变。遗传物质结构或数量的改变，亦即遗传型的改变。变异的特点是在群体中以极低的几率出现，性状改变的幅度极大，变异的特点是在群体中以极低的几率出现，性状改变的幅度极大，变化后的性状是稳定的、可遗传的。变化后的性状是稳定的、可遗传的。饰变饰变(modification)指不涉及遗传物质的改变，而只发生在转录、转译水平上的表型变化，指不涉及遗传物质的改变，而只发生在转录、转译水平上的表型变化，即同样遗传型的生物，在不同的外界条件下，会呈现不同的表型，这即同样遗传型的生物，在不同的外界条件下，会呈现不同的表型，这种表型上的差别，只能称为适应或饰变。种表型上的差别，只能称为适应或饰变。其特点是整个群体中的几乎每一个体都发生同样的变化，性状变化的其特点是整个群体中的几乎每一个体都发生同样的变化，性状变化的幅度较小，遗传物质不变。不是真正的变异，是不遗传的。幅度较小，遗传物质不变。不是真正的变异，是不遗传的。引起饰变的因素消失后，表型即可恢复。引起饰变的因素消失后，表型即可恢复。例如：粘质沙雷氏菌：例如：粘质沙雷氏菌：在在2525下培养，产生深红色的灵下培养，产生深红色的灵杆菌素；在杆菌素；在3737下培养，不产生色素；如果重新将温度下培养，不产生色素；如果重新将温度降到降到2525，又恢复产色素的能力。，又恢复产色素的能力。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微生物细胞结构简单，营养体一般为单倍体，微生物细胞结构简单，营养体一般为单倍体，方便建立纯系。方便建立纯系。很多常见微生物都易于人工培养，快速、大很多常见微生物都易于人工培养，快速、大量生长繁殖量生长繁殖。对环境因素的作用敏感，易于获得各类突变对环境因素的作用敏感，易于获得各类突变株，操作性强。株，操作性强。第一节第一节微生物的遗传微生物的遗传一、遗传变异的物质基础一、遗传变异的物质基础1883-1889年间，年间，Weissmann提出种质连续理论，提出种质连续理论，认为遗传认为遗传物质是一种具有特定分子结构的化合物物质是一种具有特定分子结构的化合物；20世纪初，发现了染色体并提出了基因学说，世纪初，发现了染色体并提出了基因学说，使得遗传物质使得遗传物质基础的范围缩小到染色体上基础的范围缩小到染色体上；1944年后，由于连续利用微生物这一有利的实验对象进行了年后，由于连续利用微生物这一有利的实验对象进行了三个著名的实验，才以确凿的事实证实核酸，尤其是三个著名的实验，才以确凿的事实证实核酸，尤其是DNA才才是遗传变异的真正物质基础。是遗传变异的真正物质基础。经典经典转化实验转化实验、噬菌体感染实验噬菌体感染实验、植物病毒重组实验植物病毒重组实验三个经典实验与遗传物质三个经典实验与遗传物质1、转化试验：、转化试验：肺炎链球菌肺炎链球菌(Streptococcus pneumoniae)以肺炎链球菌作为研究对象，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以肺炎链球菌作为研究对象，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；亡；有荚膜者是致病性的，它的菌落表面光滑有荚膜者是致病性的，它的菌落表面光滑(smooth)，称为，称为S型；型；有的不形成荚膜，无致病性，菌落外观粗糙有的不形成荚膜，无致病性，菌落外观粗糙(rough)，故称，故称R型。型。Griffith经经典典转转化化实实验验(1928)RII型活菌型活菌SIII型活菌型活菌SIII型热死菌型热死菌RII型活菌型活菌SIII型活菌型活菌混合培养混合培养健康健康健康健康健康健康健康健康健康健康健康健康健康健康病死病死病死病死病死病死Griffith（格里菲斯）转化试验结果（格里菲斯）转化试验结果(有毒有毒)死细菌中的某种物质转移到死细菌中的某种物质转移到(无毒无毒)活细活细菌中，并使之具有毒性，导致小家鼠死亡；菌中，并使之具有毒性，导致小家鼠死亡；他将这种细菌遗传类型的转变称为转化，并将他将这种细菌遗传类型的转变称为转化，并将引起转化的物质称为转化因子引起转化的物质称为转化因子(tranformingprinciple)；当时的化学与生化分析技术还无法鉴定杀死细当时的化学与生化分析技术还无法鉴定杀死细菌中的成分，因而不知转化因子为何物。菌中的成分，因而不知转化因子为何物。离体转化实验离体转化实验1944年，年，O.T.Avery、C.M.Macleod和和M.McCarty从热死的从热死的S型肺炎链球菌中提纯了可能作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。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等等的的体体外外培培养养实实验验(1944)分离后的分离后的S型细胞物质对型细胞物质对R型细胞的转化型细胞的转化离体转化实验结果离体转化实验结果来源于加热杀死的来源于加热杀死的SIII细菌，并使细菌，并使RII细菌转细菌转化成为化成为SIII型细菌的转化因子是型细菌的转化因子是DNA。Avery等人的实验实际上表明：决定细菌遗传等人的实验实际上表明：决定细菌遗传类型的物质是类型的物质是DNA，即证明了，即证明了DNA就是遗传就是遗传物质。物质。2、噬菌体感染实验、噬菌体感染实验1952年，年，A.D.Hershey和和M.Chase发表了证发表了证明噬菌体的遗传物质基础的著名实验噬菌明噬菌体的遗传物质基础的著名实验噬菌体感染实验。体感染实验。首先，他们将首先，他们将E.coli培养在以放射性培养在以放射性32P3O4或或35S2O4作为磷源或硫源的合成培养基中。作为磷源或硫源的合成培养基中。结果结果,可以获得含可以获得含32P-DNA(噬菌体核心噬菌体核心)的噬的噬菌体或含菌体或含35S-蛋白质蛋白质(噬菌体外壳噬菌体外壳)的两种实的两种实验用噬菌体。验用噬菌体。蛋白质外壳蛋白质外壳在噬菌体的感染过程中，其蛋白质外壳未进在噬菌体的感染过程中，其蛋白质外壳未进入宿主细胞。入宿主细胞。DNA核心核心进入宿主细胞的进入宿主细胞的DNA经增殖、装配后经增殖、装配后,能产生一大群既有能产生一大群既有DNA核心又有蛋白质外壳的完整噬菌体颗粒。核心又有蛋白质外壳的完整噬菌体颗粒。证明：在其证明：在其DNA中，含有包括合成蛋白质外壳在内的整套遗传信息。中，含有包括合成蛋白质外壳在内的整套遗传信息。通过电子显微镜的观察也证实了这个论点。通过电子显微镜的观察也证实了这个论点。从而证明了遗传物质基础是从而证明了遗传物质基础是DNA。3、植物病毒的重组实验、植物病毒的重组实验H.Fraenkel-Conrat(1956)用含用含RNA的烟草的烟草花叶病毒花叶病毒(TMV)进行了著名的植物病毒重建进行了著名的植物病毒重建实验。实验。把把TMV和和HRV（霍氏车前花叶病毒）的蛋的蛋白质外壳与白质外壳与RNA相分离。相分离。用用TMV的的RNA与与HRV的蛋白质外壳，的蛋白质外壳，HRV的的RNA与与TMV的蛋白质外壳重建后的杂合的蛋白质外壳重建后的杂合病毒去感染烟草。病毒去感染烟草。植物病毒的重组植物病毒的重组核酸核酸(这里为这里为RNA)是病毒的遗传物质。是病毒的遗传物质。至此至此,我们可确信无疑地得出结论我们可确信无疑地得出结论,只有核酸才是贮存遗传信息只有核酸才是贮存遗传信息的真正物质。的真正物质。实验结果实验结果三个经典试验结果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。朊病毒的发现和思考朊病毒的发现和思考无论是无论是DNA还是还是RNA作为遗传物质的基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蛋白质不是遗传物质”的定论也带来一些的定论也带来一些疑云。疑云。PrP是具有传染性的蛋白质致病因子，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。？还有待于生命科学家去认识和探索。（一）遗传物质（一）遗传物质DNA的分子结构及其多样性的分子结构及其多样性1DNA复制复制4dNTP2转录转录3 转译转译(翻译）翻译）原核生物只有一种RNA多聚酶；转录后不需加工，直接作为mRNA；mRNA只能存活几分钟、几小时；转录和转译可同时进行，是偶联的；微生物基因表达的调控微生物基因表达的调控调节基因也有转录和转译作用，以其模板生成的蛋白质称为阻遏蛋白或变构蛋白。阻遏蛋白的作用是能与操纵基因结合，阻止了RNA聚合酶向结构基因滑动，即使结构基因失去了合成mRNA的能力。先有调节基因决定的阻遏蛋白，与操纵基因结合从而阻止了基因的表达。基因控制系统操纵子调节基因启动基因操纵基因结构基因阻遏蛋白也能与培养基中的底物(由结构基因转录、转译的酶催化分解的底物)相结合，当阻遏蛋白与底物结合后，阻遏蛋白从操纵基因分离，从而开放了RNA聚合酶通向结构基因的通道，便能转录成mRNA，并转译成蛋白质(酶)。2.1遗传物质在细胞内的存在部位和方式遗传物质在细胞内的存在部位和方式七个水平七个水平细胞水平细胞水平：存在于细胞核或核质体，单核或多核：存在于细胞核或核质体，单核或多核细胞核水平细胞核水平：原与真核生物的细胞核结构不同，核外：原与真核生物的细胞核结构不同，核外DNA；染色体水平染色体水平：倍性：倍性(真核真核)和染色体数；和染色体数；核酸水平核酸水平：在原核中同染色体水平、存在部分二倍体：在原核中同染色体水平、存在部分二倍体DNA或或RNA，复合或裸露，双链或单链；，复合或裸露，双链或单链；基因水平基因水平：具自主复制能力的遗传功能单位，长度与信：具自主复制能力的遗传功能单位，长度与信息量，转录息量，转录翻译；翻译；密码子水平密码子水平：信息单位，起始和终止；：信息单位，起始和终止；核苷酸水平核苷酸水平：突变或交换单位，四种碱基。：突变或交换单位，四种碱基。（二）遗传物质在微生物中的存在（二）遗传物质在微生物中的存在2.2微生物遗传物质的存在形式微生物遗传物质的存在形式存在的主要形式存在的主要形式染色体染色体染色体外的遗传物质染色体外的遗传物质真核微生物中的真核微生物中的细胞器细胞器DNA：叶绿体、线粒体、中心粒、叶绿体、线粒体、中心粒、毛基体等毛基体等原核微生物和真核原核微生物和真核微生物的酵母菌：微生物的酵母菌：质粒质粒插入序列、转座子、插入序列、转座子、Mu病毒等病毒等RNA作为遗传物质作为遗传物质朊病毒的遗传物质朊病毒的遗传物质染色体染色体指携带细胞功能所必备的基因的遗传单元。病毒病毒是非细胞生物，它们的全套遗传基因称为基因组，但不足以形成染色体。原核生物原核生物的染色体常为一个环状的DNA分子。真核生物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原核生物的质粒游离于游离于原核生物原核生物染色体外，具有独立复制能力的小染色体外，具有独立复制能力的小型共价闭合环状型共价闭合环状DNA分子，即分子，即cccDNA(circularcovalentlyclosedDNA)，称为质粒。，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。特殊功能。质粒的特征质粒的特征自我复制能力，为复制子，单拷贝或多拷贝自我复制能力，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编码产物赋予细菌某些性状特征可自行丢失与消除（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（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（换掺入染色体上，以附加体（episome）的形式存在）的形式存在）对于细菌的生存并不是必要的对于细菌的生存并不是必要的功能多样化功能多样化功能：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、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。产生酶类、降解功能等。质粒的主要类型质粒的主要类型致育因子致育因子Fertilityfactor，F因子因子（制育因子，性因子，约制育因子，性因子，约2%核染色体，核染色体，94.5kb，编码的基因约，编码的基因约1/3与接合有关与接合有关）抗性因子抗性因子Resistancefactor，R因子因子（抗药性因子，其基因编码的物质对抗抗药性因子，其基因编码的物质对抗生素有抗性生素有抗性）Ti因子因子诱癌质粒，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，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。从而使其变成癌细胞。Col因子因子大肠杆菌素因子，即使大肠杆菌分泌大肠杆菌素大肠杆菌素因子，即使大肠杆菌分泌大肠杆菌素巨大质粒巨大质粒分子量分子量20030010106 6DaDa，比一般质粒大几十到几百倍，上面有固氮基因。比一般质粒大几十到几百倍，上面有固氮基因。降解性质粒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。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。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。般细菌所难以分解的物质做碳源。产细菌素的质粒产细菌素的质粒Bacteriocinproductionplasmid毒性质粒毒性质粒Virulenceplasmid代谢质粒代谢质粒Metabolicplasmid(降解质粒降解质粒)隐秘质粒隐秘质粒Crypticplasmid第二节第二节微生物的变异微生物的变异2.1基因突变和突变率基因突变和突变率基因突变基因突变(genemutatiaon)简称突变，是变简称突变，是变异的一种，指生物体内遗传物质的分子结构异的一种，指生物体内遗传物质的分子结构突然发生的可遗传的变化，突变几率一般在突然发生的可遗传的变化，突变几率一般在10-610-9范围内。范围内。突变率突变率(mutationrate)：每一细胞在每一世：每一细胞在每一世代发生某一性状的突变几率，称为突变率，代发生某一性状的突变几率，称为突变率，它可以用每一单位群体在每一世代中产生突它可以用每一单位群体在每一世代中产生突变株的数目来表示。变株的数目来表示。变异变异基因突变基因重组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2.2突变类型突变类型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，称为选择性突变株变株(selectivemutant)，如营养缺陷型、抗性突变型和条件致死型等；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反之则称为非选择性突变株(non-selectivemutant)，如形态突变型、抗原突变型和产量突变型等。如形态突变型、抗原突变型和产量突变型等。选择性突变选择性突变非选择性突变非选择性突变(死活突变)营养缺陷型营养缺陷型抗性突变型抗性突变型条件致死突变型条件致死突变型形态突变型形态突变型抗原突变型抗原突变型产量突变型产量突变型(非死活突变)2.3突变的特点突变的特点不对应性：突变性状与原因之间无直接对应关系。不对应性：突变性状与原因之间无直接对应关系。自发性：突变可以在没有人为诱变因素处理下自发自发性：突变可以在没有人为诱变因素处理下自发地产生。地产生。稀有性：突变率低且稳定。稀有性：突变率低且稳定。独立性：各种突变独立发生，不会互相影响。独立性：各种突变独立发生，不会互相影响。可诱发性：诱变剂可提高突变率。可诱发性：诱变剂可提高突变率。稳定性：变异性状稳定可遗传。稳定性：变异性状稳定可遗传。可逆性：从原始的野生型基因到变异株的突变称为可逆性：从原始的野生型基因到变异株的突变称为正向突变正向突变(forwardmutation)，从突变株回到野生，从突变株回到野生型的过程则称为回复突变或回变型的过程则称为回复突变或回变(backmutation或或reversemutation)。两种看法两种看法一种观点认为，是通过适应而发生的，即各一种观点认为，是通过适应而发生的，即各种抗性是由其环境种抗性是由其环境(指其中所含的抵抗对象指其中所含的抵抗对象)诱发出来的，突变的原因和突变的性状间是诱发出来的，突变的原因和突变的性状间是相对应的，并认为这就是相对应的，并认为这就是“定向变异定向变异”，也，也有人称它为有人称它为“驯化驯化”或或“驯养驯养”。另一种看法则认为，基因突变是自发的，且另一种看法则认为，基因突变是自发的，且与环境是不相对的。由于其中有自发突变、与环境是不相对的。由于其中有自发突变、诱发突变、诱变剂与选择条件等多种因素错诱发突变、诱变剂与选择条件等多种因素错综在一起，所以难以探究问题的实质。综在一起，所以难以探究问题的实质。基因突变的自发性和不对应性基因突变的自发性和不对应性1943年，年，S.E.Luria和和M.Delbruck根据统计学根据统计学的原理，设计了的原理，设计了变量试验变量试验(fluctuationtest)，又称波动试验或彷徨试验；，又称波动试验或彷徨试验；1949年，年，Newcombe设计了设计了涂布试验涂布试验(Newcombeexperiment)；1952年，年，J.Lederberg夫妇发表了著名的夫妇发表了著名的平平板影印培养法板影印培养法和细菌突变株的间接选择和细菌突变株的间接选择论论文，它更好的证明了微生物的抗药性是在未文，它更好的证明了微生物的抗药性是在未接触药物前自发产生的。接触药物前自发产生的。Luria等的变量试验等的变量试验敏感于噬菌体敏感于噬菌体T1T1实验要点是：取敏感于噬菌体实验要点是：取敏感于噬菌体T1的大肠杆菌对数期肉汤培养的大肠杆菌对数期肉汤培养物，用新鲜培养液稀释成浓度为物，用新鲜培养液稀释成浓度为103个个m1的细菌悬液，然的细菌悬液，然后在甲、乙两试管内各装后在甲、乙两试管内各装10m1。接着把甲管中的菌液先分装。接着把甲管中的菌液先分装在在50支小试管中支小试管中(每管装每管装0.2m1)，保温，保温2436小时后，即把小时后，即把各支小管的菌液分别倒在各支小管的菌液分别倒在50个预先涂有个预先涂有T1的平板上，经培养的平板上，经培养后分别计算各皿上所产生的抗噬菌体的菌落数；乙管中的后分别计算各皿上所产生的抗噬菌体的菌落数；乙管中的10ml菌液不经分装先整管保温菌液不经分装先整管保温2436小时，然后才分成小时，然后才分成50份份加到同样涂有加到同样涂有Tl的平板上，经适当培养后，同样分别计算各的平板上，经适当培养后，同样分别计算各皿上产生的抗性菌落数。皿上产生的抗性菌落数。结果发现，来自甲管的结果发现，来自甲管的50皿中，各皿间抗性菌落数相差极大，皿中，各皿间抗性菌落数相差极大，而来自乙管的则各皿数目基本相同。这就说明大肠杆菌抗噬而来自乙管的则各皿数目基本相同。这就说明大肠杆菌抗噬菌体性状的突变，不是由所抗的环境因素菌体性状的突变，不是由所抗的环境因素噬菌体诱导出噬菌体诱导出来的，而是在它接触到噬菌体前，在某一次细胞分裂过程中来的，而是在它接触到噬菌体前，在某一次细胞分裂过程中随机地自发产生的。这一自发突变发生得越早，则抗性菌落随机地自发产生的。这一自发突变发生得越早，则抗性菌落出现得越多，反之则越少。噬菌体这里仅起着淘汰原始的未出现得越多，反之则越少。噬菌体这里仅起着淘汰原始的未突变的敏感菌的作用。利用这一方法，还可计算出突变率。突变的敏感菌的作用。利用这一方法，还可计算出突变率。涂布试验涂布试验平板影印培养法平板影印培养法3基因突变机制基因突变机制3.1 自发突变机制(1)背景辐射、环境因素(2)微生物自身有害物质(3)互变异构效应(4)环出效应3.2诱发突变机制诱发突变机制诱诱发发突突变变基因突变一对碱基被另外的一对碱基置换。一对碱基被另外的一对碱基置换。转换转换(transition)：即：即DNA链中的一个嘌呤被嘌呤或嘧啶被嘧啶所置换。链中的一个嘌呤被嘌呤或嘧啶被嘧啶所置换。颠换颠换(transversion)：即一个嘌呤被嘧啶或嘧啶被嘌呤所置换。即一个嘌呤被嘧啶或嘧啶被嘌呤所置换。碱基的置换碱基转换的分子机制以亚硝酸为例HNO2胞嘧啶（胞嘧啶（C）尿嘧啶（尿嘧啶（U）HNO2腺嘌呤（腺嘌呤（A）次黄嘌呤（次黄嘌呤（H）HNO2鸟嘌呤（鸟嘌呤（G）黄嘌呤（黄嘌呤（X）这些反应及形成物均可在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复制中产生影响，主要是使碱基对发生转换。换。腺嘌呤（腺嘌呤（A）变成次黄嘌呤（变成次黄嘌呤（H）后）后引起的转换过程：引起的转换过程：腺嘌呤氧化脱氨后形成烯醇式次黄嘌呤（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（通过互变异构效应形成酮式次黄嘌呤（HK）DNA复制时，复制时，HK 与胞嘧啶（与胞嘧啶（C）配对配对 DNA第二次复制时，第二次复制时，C与与G正常配对，实现了转换。正常配对，实现了转换。亚硝酸引起的AT-GC转换细节移码突变诱变剂使诱变剂使DNA分子中的一个或少数几个核苷酸的增加或缺失，从而分子中的一个或少数几个核苷酸的增加或缺失，从而使后面的全部遗传密码发生转录和转译错误。使后面的全部遗传密码发生转录和转译错误。由移码突变所产生的突变株，称为由移码突变所产生的突变株，称为移码突变株移码突变株移码突变株移码突变株（frame-shiftmutant）。与染色体畸变相比，移码突变也只能算是）。与染色体畸变相比，移码突变也只能算是DNA分子的微分子的微小损伤。小损伤。丫啶类染料，包括原黄素、丫啶黄、丫啶橙和丫啶类染料，包括原黄素、丫啶黄、丫啶橙和-氨基丫啶等，以及氨基丫啶等，以及一系列称为一系列称为ICR类的化合物，都是移码突变的有效诱变剂。类的化合物，都是移码突变的有效诱变剂。丫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（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。转座因子转座因子(transposibleelement),跳跃基因跳跃基因(jumpinggene)在染色体组中或染色体组间能改变自身位置的一在染色体组中或染色体组间能改变自身位置的一段段DNA顺序。顺序。染色体畸变的几种形式插入序列(insertion sequence)：分子量小，0.71.4kb，只能引起转座效应而不含其它任何基因。转座子(Tn,transposon)：分子量为225kb，含有几个到十几个基因。能插到受体DNA分子的许多位点上。Mu噬菌体(mutator phage)：是E.Coli的一种温和噬菌体，分子量大，约37kb，含20多个基因，可以引起插入突变。诱变剂的共性原则诱变剂的共性原则很多种化学物质，能以各种机制导致很多种化学物质，能以各种机制导致DNA的突变；的突变；化学药剂对细菌的诱变率与其对动物的致癌性成正比；化学药剂对细菌的诱变率与其对动物的致癌性成正比；超过超过95%的致癌物质对微生物有诱变作用；的致癌物质对微生物有诱变作用；90%以上的非致癌物质对微生物没有诱变作用。以上的非致癌物质对微生物没有诱变作用。诱变剂（诱变剂（mutagen）：凡能提高突变率的任何理化因）：凡能提高突变率的任何理化因子，就称为诱变剂。子，就称为诱变剂。种类：诱变剂的种类很多，作用方式多样。即使是同种类：诱变剂的种类很多，作用方式多样。即使是同一种诱变剂，也常有几种作用方式一种诱变剂，也常有几种作用方式。若干诱变剂的作用机制及诱变功能有人认为，由于它们是一种平面型三环分子，结构与一个嘌呤嘧啶对对十分相似，故能嵌入两个相邻DNA碱基对之间，造成双螺旋的部分解开（两个碱基对原来相距0.34nm，当嵌入一个丫啶分子时，就变成0.68nm），从而在DNA复制过程中，会使链上增添或缺失一个碱基，结果就引起了移码突变。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）丧失嘌呤 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Ames试验试验美国加利福尼亚大学的美国加利福尼亚大学的BruceAmes教授于教授于1966年发明；年发明；检测鼠伤寒沙门氏菌检测鼠伤寒沙门氏菌(Salmonellatyphmurium)组氨酸营养缺陷型菌株组氨酸营养缺陷型菌株(his-)的回复突变率；的回复突变率；回复突变回复突变(reversemutation或或backmutation)：突变体失去的野生型性状，可以：突变体失去的野生型性状，可以通过第二次突变得到恢复，这种第二次突变通过第二次突变得到恢复，这种第二次突变称为回复突变。称为回复突变。Ames试试验操作验操作艾姆氏试验的基本方法缺陷型菌株营养缺乏型平板3723天.:.:.:.;.;.:.:.:.:.;.;.:.待测试剂正常回复突变诱变剂诱变艾姆氏试验已成为测试化学物质诱变作用的标准方法，其原理是检验待测试剂能否使营养缺陷型菌株的回复突变增加。应用实例应用实例国外曾开发了一种降低妇女妊娠反应的药物国外曾开发了一种降低妇女妊娠反应的药物“反应停反应停”，由于其药效显著，在，由于其药效显著，在60-70年年代十分流行；代十分流行；但随后人们就发现畸形儿的出生率明显增高，但随后人们就发现畸形儿的出生率明显增高，而且生产畸形儿的妇女大多曾服用而且生产畸形儿的妇女大多曾服用“反应停反应停”，后来采用，后来采用Ames试验发现这种物质的确试验发现这种物质的确具有很强的致突变作用，因此这种药物被禁具有很强的致突变作用，因此这种药物被禁止使用；止使用；Ames试验补充试验补充由于生物体内、体外可能存在的差异，可在由于生物体内、体外可能存在的差异，可在体外加入哺乳动物体外加入哺乳动物(如大鼠如大鼠)微粒体酶系统，微粒体酶系统，使待测物活化，使使待测物活化，使Ames试验的准确率达试验的准确率达80-90%。4DNA损伤的修复损伤的修复4.1紫外线对紫外线对紫外线对紫外线对DNADNA的损伤及修复的损伤及修复的损伤及修复的损伤及修复在光照下光解酶转变紫外线诱导的胸腺嘧啶二聚体返回单聚体。光照4.2切补修复切补修复暗修复暗修复为把它与光复活作用区分开，切补修复常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称为暗修复。它作为许多不同类型的DNA损损伤修复的普遍系统，如嘧啶二聚体和错误碱伤修复的普遍系统，如嘧啶二聚体和错误碱基配对引起的基配对引起的DNA损伤。损伤。B、C和基因产物结和基因产物结合形成一个核酸内切酶，它能识别碱基改变合形成一个核酸内切酶，它能识别碱基改变所引起的所引起的DNA螺旋扭曲。螺旋扭曲。uvrABC内切核酸酶内切核酸酶在损伤的任何一边作一切口，聚合酶在损伤的任何一边作一切口，聚合酶I切除和切除和替换损伤部位的碱基，替换损伤部位的碱基，DNA连接酶将缺口填连接酶将缺口填补上。补上。1、由、由核酸内切酶核酸内切酶切开二聚体切开二聚体的的5末端，形成末端，形成3-OH和和5-P的单链缺口的单链缺口2、核酸外切酶核酸外切酶从从5-P到到3-OH方向切除二聚体，并扩大缺口。方向切除二聚体，并扩大缺口。3、DNA聚合酶聚合酶以另一条互补以另一条互补链为模板，从原有链上暴露的链为模板，从原有链上暴露的3-OH端起合成缺失片段。端起合成缺失片段。4、连接酶连接酶将新合成的将新合成的3-OH与原有的与原有的5-P相连接。相连接。4.3重组修复重组修复(复制后修复复制后修复)胸腺嘧啶二聚体不能被复制，不是在此位点阻胸腺嘧啶二聚体不能被复制，不是在此位点阻塞，而是塞，而是DNA聚合酶能跳过该损伤部位，沿着下面聚合酶能跳过该损伤部位，沿着下面DNA的模板，恢复的模板，恢复DNA继续合成。在新合成的继续合成。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。而这个整的链作为模板，不能用切补修复来恢复。而这个缺口能由缺口能由RecA蛋白调控的通过与母链蛋白调控的通过与母链DNA螺旋发生螺旋发生重组来填补。母链重组来填补。母链DNA在二聚体的对面应当含有完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，它确创造了整的序列。尽管重组并不能修复损伤，它确创造了两个新的两个新的DNA分子，通过切补修复完成了修复的功分子，通过切补修复完成了修复的功能。能。细胞在不切除二聚体的情细胞在不切除二聚体的情况下，以带有二聚体的这况下，以带有二聚体的这条链为模板合成互补单链，条链为模板合成互补单链，但在每个二聚体附近留有但在每个二聚体附近留有一空隙。通过染色体交换，一空隙。通过染色体交换，空隙部位就不在面对着空隙部位就不在面对着胸胸腺嘧啶二聚体，而是面对腺嘧啶二聚体，而是面对着正常的单链，在这种条着正常的单链，在这种条件下，件下，DNA聚合酶和连聚合酶和连接酶起作用将空隙部位进接酶起作用将空隙部位进行修复，行修复，重组修复中的重组修复中的DNA损伤损伤并没有去除，但随着微生并没有去除，但随着微生物的传代繁殖，损伤的比物的传代繁殖，损伤的比例逐渐降低。例逐渐降低。4.4SOS修复系统修复系统细胞中有许多基因和操纵子受细胞中有许多基因和操纵子受RecA蛋白协同调控和蛋白协同调控和LexA蛋白阻遏转录。它涉及处理蛋白阻遏转录。它涉及处理DNA损伤和称为损伤和称为SOS修复修复系统。为一个倾向差错的修复系统，该系统与系统。为一个倾向差错的修复系统，该系统与DNA聚合酶相聚合酶相互作用，使之通过嘧啶二聚体继续复制互作用，使之通过嘧啶二聚体继续复制DNA。35校正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，读码能力的酶被抑制，结果碱基能随机插入二聚体的对面，没有精确的碱基对没有精确的碱基对(参见参见C2)，这个机制是紫外线所以致突变，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的主要原因，因为大多数的其他系统是精确修复DNA的。的。SOS修复系统是由修复系统是由RecA蛋白诱导的，由于存在蛋白诱导的，由于存在DNA损伤，损伤，RecA蛋白构型改变显示出激活态。激活态的热蛋白构型改变显示出激活态。激活态的热RecA蛋白引起蛋白引起LexA蛋白被蛋白水解酶切开，结果蛋白被蛋白水解酶切开，结果LexA蛋白不再蛋白不再作为一个转录的阻遏物。只要细胞中存在作为一个转录的阻遏物。只要细胞中存在DNA的损伤，的损伤，SOS修复系统的基因就能表达。一旦修复系统的基因就能表达。一旦DNA损伤被消除，损伤被消除，RecA蛋蛋白不再有活性，不再作为白不再有活性，不再作为LexA蛋白水解诱导物，蛋白水解诱导物，IexA蛋白在蛋白在细胞中累积，并且抑制细胞中累积，并且抑制SOS修复的基因转录。修复的基因转录。第三节第三节微生物基因重组微生物基因重组3.1原核微生物的基因重组原核微生物的基因重组主要有：主要有：转化转化(transformation)是指细胞从周围介质中摄取来自不同基因型细胞的DNA，使受体的基因型或表型发生相应变化的过程。转导转导(transduction)是由噬菌体介导的将DNA片段从供体菌转移到受体菌的过程。接合接合(conjugation)在供体细胞和受体细胞直接接触后，质粒从供体细胞向受体细胞转移的过程。原生质融合等几种方式原生质融合等几种方式3.1.1转化转化(transformation)转化现象是在转化现象是在1928年由年由Griffith进行肺炎双球菌的研究中发现的。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。称为转化或转化作用。枯草芽孢杆菌的自然转化模型：枯草芽孢杆菌的自然转化模型：a）细菌生长在一定的培养条件下生长到一定阶段，以枯草芽孢杆菌为）细菌