第六章微生物的遗传与变异课件.ppt

第六章微生物的遗传和变异,遗传和变异是一切生物最本质的属性。遗传生物繁殖与自已相同或相似的后代的现象变异生物亲代与子代之间，子代个体之间有差异的现象，主要体现在形态和生理性状。,第一节 微生物的遗传,通过3个经典实验证明了核酸（DNA和RNA）是遗传物质基础。1.肺炎链球菌的转化现象2.T4噬菌体感染实验3.植物病毒重建实验,一、遗传和变异的物质基础-DNA,最早进行转化实验的是F.Griffith（1928）。,肺炎链球菌的转化实验,S型菌落,R型菌落,有荚膜，致病的，菌落表面光滑（smooth）,不形成荚膜，无致病性，菌落外观粗糙（rough),无毒,杀死,杀死,转化现象,格里菲斯实验,无毒,？,？,1944年，O.T.Avery、C.M.MacLeod和M.McCarty从热死的S型S.pneumoniae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：,1944年才通过试验找出了其中的原因。试验方法如下：,目前发现自然状态下许多其它细菌、放线菌、真菌和高等动植物中都也有转化现象。,只有S型细菌的DNA才能将S.pneumoniae的R型转化为S型。而且，DNA纯度越高，转化效率也越高，直到只取用纯DNA的610-8g的量时，仍有转化能力。这就说明，S型菌株转移给R型菌株的，决不是某一遗传性状（在这里是荚膜多糖）的本身，而是以DNA为物质基础的遗传因子。,二、噬菌体感染实验,（1）含32P-DNA的一组：放射性85%在沉淀中,上清液中含15%放射性,沉淀中含85%放射性,以35S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,（2）含35S-蛋白质的一组：放射性75%在上清液中,二、核酸的结构和复制核酸是一种多聚核苷酸，它的基本单位是核苷酸核苷酸由碱基、磷酸和戊糖组成,DNA的化学结构（1）,脱氧核糖,碱基,磷酸,A,G,C,T,基本单位脱氧核苷酸,DNA的化学结构（2）,脱氧核苷酸的种类,DNA的化学结构（3）,连 接,两类核酸的基本化学组成,戊 糖,碱基,RNA,DNA,嘧啶环,嘌呤环,尿嘧啶 U,胸腺嘧啶 T,胞嘧啶 C,鸟嘌呤 G,腺嘌呤 A,核苷,核苷酸,多 聚 核 苷 酸,3-5磷酸二脂健,（一）DNA的结构,1953年，J.Watson和F.Crick 在前人研究工作的基础上，根据DNA结晶的X-衍射图谱和分子模型，提出了著名的DNA双螺旋结构模型，并对模型的生物学意义作出了科学的解释和预测。,DNA双螺旋结构的特点,DNA分子由两条DNA单链组成。DNA的双螺旋结构是分子中两条DNA单链之间基团相互识别和作用的结果。双螺旋结构是DNA二级结构的最基本形式。,DNA双螺旋结构的要点,（1）DNA分子由两条多聚脱氧核糖核苷酸链(简称DNA单链)组成。两条链沿着同一根轴平行盘绕，形成右手双螺旋结构。螺旋中的两条链方向相反，即其中一条链的方向为53，而另一条链的方向为35。,（2）嘌呤碱和嘧啶碱基位于螺旋的内侧，磷酸和脱氧核糖基位于螺旋外侧。碱基环平面与螺旋轴垂直，糖基环平面与碱基环平面成90。角。,DNA双螺旋结构的要点,（3）螺旋横截面的直径约为2nm，每条链相邻两个碱基平面之间的距离为0.34nm，每10个核苷酸形成一个螺旋，其螺矩（即螺旋旋转一圈）高度为3.4 nm。,DNA双螺旋结构的要点,DNA双螺旋结构的要点,（4）两条DNA链相互结合以及形成双螺旋的力是碱基对所形成的氢键。碱基的相互结合具有严格的配对规律，即A与T结合，G与C结合，这种配对关系，称为碱基互补。A和T之间形成两个氢键，G与C之间形成三个氢键。在DNA分子中，嘌呤碱基的总数与嘧啶碱基的总数相等。,大 部 分 DNA 具 有 双 螺 旋 结 构 ， 亦 称 为 B 型 。,微生物中的DNA,1.DNA的存在方式,遗传物质载体染色体,真核生物：染色体=DNA+组蛋白原核生物：染色体=DNA,遗传物质载体质粒,原核生物细胞中，染色体外的一种环状DNA分子;并非细胞必须，仅与某些性状有关;常作为基因转移的运载工具.,质粒,Plasmid pBR322,基因：具有遗传功能的DNA分子上的片段，平均1000个碱基对,分子量约6.7105Da。一个DNA分子中含有多个基因，不同基因碱基对的数量和排列序列不同，基因具有自我复制能力。根据基因的功能差异，可分为结构基因、调节基因和操纵基因。,2.基因-遗传因子,视频资料：基因,基因类别,结构基因包括编码结构蛋白和酶蛋白的基因，也包括编码阻遏蛋白和激活蛋白的基因。调控基因包括调节基因、启动基因和操纵基因。,（二）DNA的复制,DNA的复制（以DNA为模板合成DNA）RNA的转录（以DNA为模板合成RNA）RNA的逆转录（以RNA为模板合成DNA）RNA的复制（以RNA为模板合成RNA）,机制半保留复制,1,2,保留了一半父代DNA成份,半保留复制,前导链连续复制,滞后链不连续复制,DNA复制为53半不连续复制。,半保留复制结果半不连续复制过程,三、DNA 的变性与复性,（一）核酸的变性核酸的变性是指核酸双螺旋区的多聚核苷酸链间的氢键断裂，变成单链结构的过程。变性核酸将失去其部分或全部的生物活性。核酸的变性并不涉及磷酸二酯键的断裂，所以它的一级结构(碱基顺序)保持不变。能够引起核酸变性的因素很多。温度升高、酸碱度改变、甲醛和尿素等的存在均可引起核酸的变性。,利用紫外吸收的变化，可以检测核酸变性的情况。天然状态的DNA在完全变性后，紫外吸收(260nm)值增加2540%.RNA变性后，约增加1.1%。这种现象称为增色效应.,DNA变性的特征,DNA的变性过程是突变性的，它在很窄的温度区间内完成。因此，通常将引起DNA变性的温度称为融点，用Tm表示。一般DNA的Tm值在70-85C之间。DNA的Tm值与分子中的G和C的含量有关。G和C的含量高，Tm值高。因而测定Tm值，可反映DNA分子中GC含量，可通过经验公式计算： （G+C)%=(Tm-69.3)X2.44,DNA变性,（二）核酸的复性,变性DNA在适当的条件下，两条彼此分开的单链可以重新缔合成为双螺旋结构，这一过程称为复性。DNA复性后，一系列性质将得到恢复，但是生物活性一般只能得到部分的恢复。DNA复性的程度、速率与复性过程的条件有关。将热变性的DNA骤然冷却至低温时，DNA不可能复性。但是将变性的DNA缓慢冷却时，可以复性。分子量越大复性越难。浓度越大，复性越容易。此外，DNA的复性也与它本身的组成和结构有关。,核酸的杂交,热变性的DNA单链，在复性时并不一定与同源DNA互补链形成双螺旋结构，它也可以与在某些区域有互补序列的异源DNA单链形成双螺旋结构。这样形成的新分子称为杂交DNA分子。DNA单链与互补的RNA链之间也可以发生杂交。核酸的杂交在分子生物学和遗传学的研究中具有重要意义。,核酸的杂交,mRNA (信使RNA) Messenger RNA,约占总RNA的5%。不同细胞的mRNA的链长和分子量差异很大。它的功能是将DNA的遗传信息传递到蛋白质合成基地 核糖体。,四.RNA的四种存在形式,tRNA (转移RNA) Transfer RNA,约占总RNA的10-15%。它在蛋白质生物合成中起翻译氨基酸信息，并将相应的氨基酸转运到核糖体的作用。已知每一个氨基酸至少有一个相应的tRNA。RNA分子的大小很相似，链长一般在73-78个核苷酸之间。,rRNA (核糖体RNA) Ribosome RNA,约占全部RNA的80%，是核糖体的主要组成部分。rRNA 的功能与蛋白质生物合成相关。,反义RNA,是能与DNA碱基互补，并能阻止、干扰复制转录和翻译的短小RNA。起调节作用，决定mRNA翻译合成速度。,五、微生物生长与蛋白质合成,DNA通过转录作用，将其所携带的遗传信息传递给 mRNA, 在三种RNA（mRNA、tRNA和rRNA）的共同作用下，完成蛋白质的合成。,DNA,复制,RNA,转录,蛋白质,翻译,中心法则,生物的遗传信息从DNA传递给mRNA的过程称为转录。根据mRNA链上的遗传信息合成蛋白质的过程，被称为翻译和表达。1958年Crick将生物遗传信息的这种传递方式称为中心法则,1.转录 mRNA的合成,转录是以DNA为模板合成与其碱基顺序互补的mRNA的过程。细胞生长周期的某个阶段，DNA双螺旋解开成为转录模板，在RNA聚合酶催化下，合成mRNA。,转录以DNA为模板，按碱基配对原则（dA-U、dT-A、dG-C、dC-G)合成RNA链。,DNA,复制,RNA,转录,两条链都是模板链吗？,不对称转录,只能以双链中固定的一条链（模板链）为模板转录RNA,开始,(启动子),mRNA携带有合成蛋白质的全部信息。蛋白质的生物合成是以mRNA作为模板进行的。,转录过程,遗传密码,mRNA分子中所存储的蛋白质合成信息，是由组成它的四种碱基（A、G、C和U）以特定顺序排列成三个一组的三联体代表的，即每三个碱基代表一个氨基酸信息。这种代表遗传信息的三联体称为密码子，或三联体密码子。 mRNA分子的碱基顺序即表示了所合成蛋白质的氨基酸顺序。,遗传密码,2.蛋白质的生物合成,tRNA在氨基酰-tRNA合成酶的帮助下，能够识别相应的氨基酸，并通过tRNA氨基酸臂的3-OH与氨基酸的羧基形成活化酯氨基酰-tRNA。,第二节 微生物的变异,一、变异的本质基因突变,DNA碱基顺序的改变，是DNA在复制过程中出现错误产生的。由于DNA是具有复制功能的分子，一旦DNA碱基顺序出错，它就会通过复制机制遗传下去。由于DNA碱基顺序的改变引起生物遗传性状显著变化的现象，称为基因“突变”。,二、基因突变的化学本质,DNA碱基顺序中核苷酸缺失，置换或插入，引起排列顺序改变DNA结构的改变将导致相应蛋白质一级结构（氨基酸顺序）的变化，从而引起生物特征或性状发生变异。生物的变异和进化可以认为是由于DNA结构的改变而引起蛋白质组成和性质变化的结果。,DNA结构变化的类型及影响因素,生物遗传变异的分子机制是DNA分子中为氨基酸编码的三联体密码子的改变。DNA遗传密码的改变主要有如下几种类型： 碱基顺序颠倒，如TA被颠倒成AT；, 某个碱基被调换，如AT换成GC；,镰刀状贫血病血液中大量出现镰刀红细胞，患者因此缺氧窒息,正常细胞 镰刀形细胞,它是最早认识的一种分子病。流行于非洲，死亡率极高，大部分患者童年时就夭折，活过童年的寿命也不长，它是由于遗传基因突变导致血红蛋白分子结构的突变。,正常型 -Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Lys -链 谷氨酸镰刀型 -Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Lys -链 缬氨酸,谷A（极性） 缬A（非极性）由于缬氨酸上的非极性基团与相邻非极性基团间在疏水力作用下相互靠拢，并引发所在链扭曲为束状，整个蛋白质由球状变为镰刀形，与氧结合功能丧失， 导致病人窒息甚至死亡，但病人可抗非洲疟疾。,镰刀形贫血病的氨基酸变化,如经DNA修复后有缺陷，DNA就会发生突变发展成癌细胞,二、突变的类型,一、自发突变：多因素低剂量的诱变效应互变异构效应二、诱发突变：物理诱变因子：紫外辐射、X射线、 射线、快中子、射线和激光等。化学诱变因子：复合处理及其协同效应定向培育和驯化,A基因突变的特点,发生.随机性结果.无定向性 基因突变在哪一个细菌中发生是随机的，突变基因的部位也是随机的。突变的发生没有固定的方向。频率.稀有性 可.诱变性突变率（每一细菌在每一世代中发生某一性状突变的机率）通常为10-410-10。一万至一百亿个细菌中才可能有一个细菌的基因发生突变。人工诱变可提高10105倍,突变在微生物育种方面的应用：1.定向培养(污泥驯化)：人为用某一特定环境条件长期处理某一微生物群体，不断将其移种传代，以达到积累和选择合适的自发突变体。2.诱变育种：利用物理的、化学的或生物的诱变因子处理微生物，使之发生突变，并筛选出合适的突变体。,细菌的驯化,定向培养（渐变诱导法）方法：,待降解物通常为有机毒物或惰性物。,5,选择性培养基（待降解物，如石油）浓度升高,5,n,死,筛选与诱导驯化可以同时进行特点:操作简便，驯化的潜力有限，慢。,结果,诱变剂：温度、紫外线、核辐射、酸、碱、化学诱变剂等等。,诱变育种（突变诱变法）,提问：哪些因素可以引起基因突变呢？,提问： 基因突变的分子机制？DNA碱基丢失、增多、错配等 点突变染色体畸变,常用的诱变剂：紫外线、5溴尿嘧啶、亚硝酸、卟啶染料等。,诱变的步骤.制出发菌株的单细菌悬浮液如何在整个过程中尽量使细菌分散呢？诱变剂与细菌充分接触；向细菌培养液中加入玻璃珠，并保持在诱变过程中始终进行振荡搅拌形成出发细菌的单细菌悬浮液；,方法,.选择合适的诱变剂剂量进行诱变提问：为什么要有剂量限制呢？少，效率低；过高， 会造成细菌大量死亡。例如在进行细菌紫外诱变时，通常使用15或20W的紫外灯距离细菌单细菌悬浮液1530cm，照射1520min。.筛选突变出的高效菌提问：如何筛？选择性培养基,评价,诱变法潜力要远大于定向培育，但操作复杂。在实际诱变中，往往要经过几次不同诱变方法的诱变处理以及大量繁琐的筛选分离工作才有可能获得理想的突变体。最后这些突变体将会在实验室小试、中试的基础上被投放到生产实践中。,通常生产上更多利用的是定向培育。污泥培养初期逐步提高污水比例，有些菌种不能适应被淘汰(筛选)，能产生诱导酶的菌株及自发突变体中能降解此类废水的菌种能够生存而被保留下来，且能力逐步提高，使废水达到预期的排放标准；,第三节 基因重组法,不同个体基因重新组合 A形式自发基因重组与人工基因重组自发基因重组a. 杂 交；双亲细胞的融合使整套染色体的基因重组；或者是通过双亲细胞的沟通，使部分染色体基因重组。,b. 转 化 、 转 导 、接合； 部分遗传物质的转移和重组,.转化Transformation,供体细菌研碎物中的DNA片段直接吸收进入活的受体细菌并发生基因重新组合的方式。,受体细菌获得了供体细菌的部分遗传性状“转运同化”转化现象是1928年英国的细菌学家格里菲斯首先发现的,，被命名为格里菲斯实验（证明DNA是生命遗传物质的经典实验之一）。,无毒,杀死,杀死,转化现象,格里菲斯实验,无毒,？,？,1944年才通过试验找出了其中的原因。试验方法如下：,目前发现自然状态下许多其它细菌、放线菌、真菌和高等动植物中都也有转化现象。,、接合 (conjugation)接合是通过质粒使遗传物质在两个细菌细胞间转移的机制。,Electron Micrograph of Escherichia coli with a Conjugation Pilus,、转 导 (Transduction),转导： 通过温和噬菌体的媒介作用，把供体细胞内特定的基因（DNA片段误包）携带至受体细胞中，使后者获得前者部分遗传性状的现象。,LA-2,A,-,B,+,LA-22,A,+,B,-,LA-2,是,能合,成色氨酸,（,B,+,）但,不,能,合成组氨,酸,（,A,-,）的,沙门氏伤寒,杆菌,超微烧结玻璃板,细菌不能通过，,噬菌体可以通过,转导,能合成色氨酸,侵入、重组,LA-22,是,不能合成,色氨酸,（,B,-,）但,能,合成组氨酸,（,A,+,）,的沙门氏伤寒杆菌,一些细胞中含有繁,殖速度较慢的,温和,噬菌体,P-22,突变体的检测直接检测表现型影印平板法,第四节 突变体的检测与筛选,突变体的筛选筛选突变体的有效技术是创造一种只允许突变体生长，抑制原养型菌生长的培养基或生长环境条件。,第五节 分子遗传学新技术在环境工程与环境保护中的应用,遗传工程是70年代初发展起来的生物技术。定义：对遗传物质进行改造（人工干预下的杂交、转化、接合、转导）的技术。工程：类似工程设计那样有很高的预见性、精确性与严密性。,质粒育种简介在原核微生物中除有染色体外，还含有另一种较小的、携带少量遗传基因的环状DNA分子，称为质粒。质粒在细胞分裂过程中能复制，将遗传性状传递给后代。质粒在原核生物中不像染色体那样举足轻重，某种细菌一旦丧失质粒，就会丧失由该质粒决定的某些性状，但菌体不会死亡。,.降解石油的工程细菌 70年代美国生物学家查克捡巴蒂(Chakrabarty)针对海洋输油，造成浮油污染，影响海洋生态等问题进行了研究。石油成分复杂，是由饱和、不饱和、直链、支链、芳香烃类组成，不溶于水。而海水含盐量高，虽发现90多种微生物有不同程度降解烃类的能力，但不一定能在海水中大量繁殖生存，而且降解速率也较馒，查氏将能降解脂(含质粒A)的一种假单胞菌作受体细菌，分别将能降解芳烃(质粒B)、脂烃(质粒C)和多环芳烃(质粒D)的质粒，用遗传工程方法人工转入受体细菌，获得多质粒“超级细菌”，可除去原油中23的烃。浮油在一般条件下降解需一年以上时间，用“超级细菌”只需几小时即可把浮油去除，速度快效率高。见下图。,.耐汞工程菌 日本水俣事件及瑞典鸟类汞中毒事件后，日本和瑞典对汞在自然界转化做了大量研究工作，提出了汞化合物转化的途径，主要是某些微生物使水体汞元素甲基化形成甲基汞，使人及生物中毒。另一面自然界中存在一些耐汞的微生物，它们的耐汞基因在质粒R因子上。例如，恶臭假单胞菌一般在超过2ugml汞浓度中即将中毒死，查克拉巴蒂用质粒转移技术，把嗜油假单胞菌的耐汞质粒(MER质粒)转移到恶臭假单胞菌中去，后者获得MER质粒，可在5070ugml氯化汞中生长。脱色工程菌的构建 将分别含有降解偶氮染料质粒的偏号Kx和Kd两株假单胞菌通过质粒转移技术培育出兼有分解两种偶氮染料功能的脱色工程 菌。,基因工程方法看似简单，但在具体实施上有较大的难度。A.细菌的质粒本身容易丢失或转移 B.质粒具有不相容性（只有在一定条件下，属于不同的相容种群的质粒才能稳定地共存于同一宿主中。）,基因工程技术,遗传工程方法包括两个水平的研究：一种是细胞水平；另一种是基因水平。所以，又可把它分为细胞工程和基因工程。细胞工程两个细胞原生质体融合,基因工程两个细胞DNA片段剪接拼接,狭义的讲，遗传工程就是基因工程。原理：限制性核酸内切酶,b.遗传工程在环境工程中的应用,