北工大微生物学第7章.ppt

第七章微生物的遗传变异,遗传：,亲代与子代相似,变异：,亲代与子代、子代间不同个体不完全相同,遗传（inheritance）和变异（variation）是生命的最本质特性之一,遗传型：,表型（表现型）：,生物的全部遗传因子及基因,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形态等生物学特征的总和。,表型是由遗传型所决定，但也和环境有关。,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，方便建立纯系。,很多常见微生物都易于人工培养，快速、大量生长繁殖。,对环境因素的作用敏感，易于获得各类突变株，操作性强。,微生物的独特生物学特性：,（1）个体的体制极其简单；（2）营养体一般都是单倍体；（3）易于在成分简单的组合培养基上大量生长繁 殖；（4）繁殖速度快；（5）易于积累不同的中间代谢产物或终产物；（6）菌落形态特征的可见性和多样性；（7）环境条件对微生物群体中各个个体作用的直 接性和均一性；（8）易于形成营养缺陷型；（9）各种微生物一般都有相应的病毒；（10)存在多种处于进化过程中的原始有性生殖方式；,第一节 遗传的物质基础,一.遗传的物质-DNA(或RNA),证明核酸是遗传物质基础的三个经典实验,（一）经典转化实验（transformation）：F.Griffith，研究对象：Streptococcus pneumoniae（肺炎双球菌）SIII型菌株：有荚膜，菌落表面光滑，有致病性RII型菌株：无荚膜，菌落表面粗糙，无致病性,1928年，Griffith进行了以下几组实验：（1）动物实验对小鼠注射活RII菌或死SIII菌 小鼠存活对小鼠注射活SIII菌-小鼠死亡对小鼠注射活RII菌和热死SIII菌 小鼠死亡 抽取心血 分离活的SIII菌,Griffith转化试验示意,混合培养,RII型活菌,SIII型活菌,SIII型热死菌,RII型活菌,SIII型活菌,健康,健康,健康,健康,健康,健康,健康,病死,病死,病死,转化实验,转化实验 1944年美国洛克非勒医学研究所的Avery等人证实了1928年英国人Griffith的发现，并将肺炎链球菌S型的DNA成功的转化无毒性的肺炎球菌R型为有毒的肺炎球菌S型，第一次证明了载有肺炎链球菌S型荚膜遗传信息的物质是DNA。,（2）细菌培养实验,（3）S型菌的无细胞抽提液试验,以上实验说明：加热杀死的SIII型细菌细胞内可能存在一种转化物质，它能通过某种方式进入RII型细胞并使RII型细胞获得稳定的遗传性状，转变为SIII型细胞。,热死SIII菌不生长活 RII 菌长出RII菌热死SIII菌长出大量RII菌和10-6SIII菌,活R菌+S菌无细胞抽提液长出大量R菌和少量S菌,+活RII菌,平皿培养,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R菌,长出S菌,只有R菌,1944年、和M。McCarty从热死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试验：,只有S型细菌的DNA才能将S.pneumoniae的R型转化为S型。且DNA纯度越高，转化效率也越高。说明S型菌株转移给R型菌株的，是遗传因子。,（二）噬菌体感染实验,噬菌体的感染实验 1953年美国人Hershey和Chase用放射性同位素方法，提供了DNA是噬菌体遗传物质的直接证据。他们用含32P和35S的培养基培养大肠杆菌H，再用被标记的大肠杆菌培养2噬菌体，直至完全标记上32P和35S的T2噬菌体为止。用标记的T2噬菌体侵染没有标记的大肠杆菌，结果表明，2噬菌体外壳蛋白中有35S放射性并与细菌的细胞壁连接，而DNA部分则有32P放射性并进入细菌的细胞质中。这一事实说明，在噬菌体侵染细菌过程中蛋白质外壳留在细菌细胞外，只有DNA进入了细胞，又一次证明遗传物质是DNA，而不是蛋白质。,（二）噬菌体感染实验,A.D.Hershey和M.Chase，1952年,（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,沉淀中含25%放射性,以35S标记蛋白质外壳做噬菌体感染实验,（2）含35S-蛋白质的一组：放射性75%在上清液中,上清液中含75%放射性,（三）植物病毒的重建实验,为了证明核酸是遗传物质，H.Fraenkel-Conrat（1956）用含RNA的烟草花叶病毒（TMV）进行了著名的植物病毒重建实验。将TMV在一定浓度的苯酚溶液中振荡，就能将其蛋白质外壳与RNA核心相分离。分离后的RNA在没有蛋白质包裹的情况下，也能感染烟草并使其患典型症状，而且在病斑中还能分离出正常病毒粒子。,选用TMV和霍氏车前花叶病毒（HRV），分别拆分取得各自的RNA和蛋白质，将两种RNA分别与对方的蛋白质外壳重建形成两种杂合病毒：,（1）RNA（TMV）蛋白质（HRV）（2）RNA（HRV）蛋白质（TMV）用两种杂合病毒感染寄主：（1）表现TMV的典型症状并分离到正常TMV粒子（2）表现HRV的典型症状并分离到正常HRV粒子。上述结果说明，在RNA病毒中，遗传的物质基础也是核酸。,MTV HRV,HRV MTV,遗传物质应具备的三种基本功能：,1、复制功能 遗传物质必须贮存遗传信息，并 能将其复制且一代一代精确地传递下去。2、表达功能 遗传物质必须控制生物体性状的发育和表达。3、变异功能 遗传物质必须发生变异，以适应外界环境的变化，没有变异就没有进化。,DNA是遗传物质的间接证据,每个物种不同组织的细胞不论其大小和功能如何。它们的DNA含量是恒定的，而且配子中的DNA含量正好是体细胞的一半。,DNA在代谢上是比较稳定的。,DNA是所有生物的染色体所共有。,4.用不同波长的紫外线诱发各种生物突变时，其最有效的波长均为2600埃。这与DNA所吸收的紫外线光谱是一致的。,二.DNA的分子结构和复制,(一)、DNA的化学组成核酸：一种高分子化合物，核苷酸的多 聚体。有脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）两类。核苷酸的构成：（1）碱基（2）磷酸；（3）脱氧核糖,碱基的种类：,（1）双环结构的嘌呤：腺嘌呤（A）鸟嘌呤（G）（2）单环结构的嘧啶：胞嘧啶（C）胸腺嘧啶（T）尿嘧啶（U）,(二).美妙的DNA双螺旋,1、DNA分子是由两条多核苷酸链以右手 螺旋的形式，彼此以一定的空间距离，平行于同一轴上，很像一个扭曲的梯子。2、DNA分子中的脱氧核糖和磷酸交替 连 接（手拉手）构成基本骨架，也就是梯子的两扶手。3、两扶手的走向为反向平行。4、梯子的横档为排列在内侧的碱基，碱基通过氢结合，并以互补配对原则配对，A-T，C-G，,DNA的结构 Watson和Crick在1953年提出了DNA双螺旋结构理论，认为DNA是两条多核苷酸链彼此互补并排列方向相反的，以右手旋转的方式围绕同一根主轴而相互盘绕形成的，具有一定空间距离的双螺旋结构。其中的每条链均由脱氧核糖磷酸脱氧核糖磷酸接替排列构成。每条多核苷酸链上均有四种碱基：T、A、G、C有序地排列，它们以氢键与另一条多核苷酸链的四种碱基A、T、C、G彼此互补相配对。由氢键连接的碱基组合，称碱基配对。,DNA的空间结构.自我复制遗传信息的传递变异的发生碱基配对的规律十分重要,它是遗传信息传递的关键.碱基排列顺序就是遗传信息的携带者.,DNA双螺旋,脱氧核糖和磷酸基通过酯键交替连接成反向平行的两条主链，它们绕一共同轴心向右盘旋形成双螺旋构型。形成大沟和小沟。螺旋直径2nm；螺旋周期包含10bp；螺距3.4nm；相邻碱基对平面的间距0.34nm。,DNA双螺旋,碱基位于螺旋的内则，它们垂直于螺旋轴。磷酸和戊糖位于外侧，彼此间通过磷酸二酯键连接，形成DNA的骨架，糖环平面与中轴平行。,DNA双螺旋,同一平面的碱基在二条主链间形成碱基对。A-T、G-C。间以氢键配对。A-T间形成两个氢键，G-C间形成三个氢键。,DNA双螺旋,DNA的其它螺旋结构,回文结构镜像重复三股螺旋（H-DNA）,回文结构DNA序列中以某一中心区域为对称轴，其两侧的碱基对顺序正读和反读都相同的双螺旋结构。即对称轴一侧的片段旋转180后，与另一侧片段对称重复。回文结构能形成十字结构和发夹结构,AATTCAAGGGAGAAGTATAGAAGAGGGAAGGATCTTAAGTTCCCTCT TCATATCT TCTCCCTTCCTAG,存在于同一股上的某些DNA区段的反向重复序列。此序列各单股中没有互补序列，不能形成十字型或发夹结构。,*镜像重复,多聚嘧啶和多聚嘌呤组成的DNA螺旋区段，其序列中有较长的镜像重复时，形成局部三股配对，并互相盘绕的三股螺旋，其中两股的碱基按Watson-Crick方式配对，第三股多聚嘧啶（镜像重复）通过TAT和CGC+配对，而处于双螺旋的大沟中。,*DNA三股螺旋（H-DNA,ts-DNA）,DNA构型的变异,1、B-DNA：为DNA在生理状态下的构型，右手双螺旋构型（沃森和克里克模型），每螺旋为10个核苷酸对。2、A-DNA：为DNA的脱水构型，右手螺旋，每螺旋为11个核苷酸对。3、Z-DNA：为左手螺旋，每个螺旋含12个核苷酸对。,B-DNA空间模式图,三.DNA的复制,DNA复制的一般特点：1、半保留复制 拆开的两条单链，以各自为模板，从细胞核内吸取与自己碱基互补的游离核苷酸，进行氢键结合，在酶系统的作用下，连接起来，各自形成一条新的互补链。,DNA复制的一般特点,2、复制起点和复制方向原核生物：多数只有一个复制起点。真核生物：有多个起点。,原核生物DNA合成,有关DNA合成的酶1、DNA聚合酶12、DNA聚合酶113、DNA聚合酶111,DNA复制的过程,1、DNA双螺旋的解链2、DNA合成的开始3、一条DNA链连续合成，一条链不连续RNA引物：冈崎片断：前导链：后随链（后滞链）：,A,A,A,T,T,T,G,G,G,G,C,C,C,A,T,C,DNA平面模式图,DNA复制过程,A,A,A,T,T,T,G,G,G,G,C,C,C,A,T,C,A,G,C,T,C,G,T,游离的脱氧核苷酸,与复制有关的酶,注意，此处氢键将被打开！,A,A,A,T,T,T,G,G,G,G,C,C,C,A,T,C,C,A,G,T,C,G,T,在酶的催化下氢键已被打开,DNA分子利用细胞提供的能量，在解旋酶的作用下，把两条扭成螺旋的双链解开，这个过程叫解旋。,A,A,A,T,T,T,G,G,G,G,C,C,C,A,T,C,C,A,G,T,C,G,T,亲代DNA的一条链作为模板,A,A,A,T,T,T,G,G,G,G,C,C,C,A,T,C,C,T,A,G,T,C,G,还未解旋,刚解旋,所以DNA复制特点之一是:边解旋边复制,通过碱基互补配对脱氧核苷酸结合到母链上,已在复制,A,A,A,T,T,T,G,G,G,G,C,C,C,A,T,C,A,A,A,T,T,T,G,G,G,G,C,C,C,A,T,C,一条子代DNA,另一条子代DNA,形成两条完全相同的子代DNA,DNA复制后产生的每个子代DNA分子中，都有一条单链是原DNA保留下来的，而另一条单链是新合成的。这种复制方式我们称其为半保留复制。,解旋,合成,复旋,DNA分子复制时需何条件？,酶：能量：原料：原则：时间：场所：模板：,解旋酶，合成酶、复旋酶,四种游离的脱氧核苷酸,碱基互补配对原则,发生在细胞周期的间期,主要在细胞核内,DNA解开的两条单链,ATP是直接的能源物质,为什么复制能形成两条完全相同的DNA，并且它们都和亲代DNA一样？,AGAACGAG,TCTTGCTC,AGAACGAG,TCTTGCTC,AGAACGAG,TCTTGCTC,+,1、DNA分子的独特的双螺旋结构为复制DNA提供精确的模板。,为什么复制能形成两条完全相同的DNA，并且它们都和亲代DNA一样？,AGAACGAG,TCTTGCTC,AGAACGAG,TCTTGCTC,AGAACGAG,TCTTGCTC,+,碱基互补配对能力保证了复制能够准确无误地进行。,DNA复制有何重要的意义？,保持前后代遗传信息的连续性。,关于RNA的自我复制,1、先以自己为模板合成一条互补单链；（模板链称“+”链，新复制的互补链称“”链）2、以“”链作为模板，复制出一条与自己互补的“+”链。3、“+”链成为一条新的RNA。,真核生物DNA合成的特点,1、DNA合成发生的时间：仅为细胞周期的S期。2、复制的起始点为多起点。3、合成所需的RNA引物和冈崎片断都比原核生物的短。4、控制前导链和后随链的聚合酶不同。5、染色体端体的复制。,三.遗传单位-基因,基因遗传因子 基因是一切生物体内储存遗传信息的、有自我复制能力的遗传功能单位。它是DNA分子上具有特定碱基顺序，即核苷酸顺序的片断。,三.遗传单位-基因1.基因的概念,基因是遗传的基本单位(重组单位,突变单位,功能单位)是负载特定遗传信息的DNA片段在一定条件下可以表达,从而控制或调节生物体的性状,2.基因的特点(1).基因具有自我复制（self-replication）的重要特性。复制发生在细胞分裂周期的S期，DNA双螺旋结构解旋为两条单股的多核苷酸链，以DNA分子自身的每一股单链为模板进行自我复制合成新的DNA分子。复制的起点由特定的碱基序列组成。真核生物的复制从多个位点同时开始进行。这是基因的稳定性,保证了生物种类的存在和延续.,(2).基因表达（gene expression）：是把基因所储存的遗传信息转变为由特定的氨基酸种类和序列构成的多肽链，再由多肽链构成蛋白质或酶分子，从而决定生物各种性状（表型）的过程。基因表达包括两个步骤：以DNA为模板转录合成mRNA；将遗传信息翻译成多肽链中相应的氨基酸种类和序列(3).基因能够发生突变,诱发基因突变的因素,根据基因突变发生的原因，可将突变分为自发突变和诱发突变。在自然条件下，未经人工处理而发生的突变为自发突变（spontaneous mutation）。经人工处理而发生的突变是诱发突变（induced mutaion）。能诱发基因突变的各种内外环境因素统称为诱变剂（mutagen）。,物理因素,紫外线 紫外线的照射可使DNA顺序中相邻的嘧啶类碱基结合成嘧啶二聚体，最常见的为胸腺嘧啶二聚体（TT）。在复制或转录进行时，该处碱基配对发生错误，从而引起新合成的DNA或RNA链的碱基改变。电离辐射 射线直接击中DNA链，DNA分子吸收能量后引起DNA链和染色体的断裂，片断发生重排，引起染色体结构畸变。,紫外线诱发的胸腺嘧啶二聚体,T-A T-T,基因突变的一般特性,多向性 同一基因座上的基因可独立发生多次不同的突变而形成复等位基因可逆性 突变的方向可逆,可以是正突变，也可以是回复突变有害性 突变会导致人类许多疾病的发生 稀有性 在自然状态下发生突变的频率很低 随机性可重复性,基因突变的分子机制,一般分为两大类静态突变和动态突变。静态突变（static mutation）是在一定条件下生物各世代中以相对稳定的频率发生的基因突变。可分为点突变和片段突变。,点突变（point mutation）,点突变:DNA链中一个或一对碱基发生的改变。它有两种形式：碱基替换和移码突变。碱基替换（base substitution）:DNA链中碱基之间互相替换，从而使被替换部位的三联体密码意义发生改变。,转换（transition）:一种嘌呤（嘧啶）被另一种嘌呤（嘧啶）所替换 颠换（transvertion）:一种嘌呤（嘧啶）被另一种嘧啶（嘌呤）所替换,如果碱基替换影响的是密码子，则会产生同义突变、无义突变、错义突变和终止密码突变等遗传学效应；如果影响的是非密码子区域，则产生几种不同的遗传学效果：无明确的遗传学效应、改变调控序列从而影响基因表达的调控、改变外显子-内含子接头处的序列从而影响外显子的加工拼接。,同义突变（same sense mutation）碱基被替换之后，产生了新的密码子，但新旧密码子同义，所编码的氨基酸种类保持不变，因此同义突变并不产生突变效应。,无义突变（non-sense mutation）碱基替换使编码氨基酸的密码变成终止密码UAA、UAG或UGA。,错义突变（missense mutation）碱基替换使编码某种氨基酸的密码子变成编码另一种氨基酸的密码子，从而使多肽链的氨基酸种类和序列发生改变。,终止密码突变（terminator codon mutation）DNA分子中的某一个终止密码突变为编码氨基酸的密码，从而使多肽链的合成至此仍继续下去，直至下一个终止密码为止，形成超长的异常多肽链。,移码突变（frame-shift mutation）,除碱基替换外，点突变的另一种形式就是移码突变。由于基因组DNA链中插入或缺失1个或几个碱基对，从而使自插入或缺失的那一点以下的三联体密码的组合发生改变，进而使其编码的氨基酸种类和序列发生变化。,DNA损伤的修复,生物体内存在着多种DNA修复系统，当DNA受到损伤时，在一定条件下，这些修复系统可以部分地修正DNA分子的损伤，从而大大降低突变所引起的有害效应，保持遗传物质的稳定性。,紫外线引起的DNA损伤的修复,光复活修复（photoreactivation repair）细胞内存在着一种光复活酶。在可见光的照射下，光复活酶被激活，从而能识别嘧啶二聚体并与之结合，形成酶-DNA复合物，然后利用可见光提供的能量，解开二聚体，此后光复活酶从复合物中释放出来，完成修复过程，这一过程称为光复活修复。,修复缺陷引起的疾病,修复系统本身是由一系列基因所编码的酶所组成的，修复系统的缺陷将使遗传物质的损伤不能得到尽快修复，突变将以各种形式存在并遗传下来，最终导致疾病的发生。,3.基因的存在形式,基因几乎全部集中在染色体上.染色体由DNA和蛋白质组成两个染色单体.每种生物的染色体数目是一定的.人:23对.是直线排列.染色体上含有大量不同的基因.每个基因在染色体上有固定的位置-位点.,结构基因-决定某种蛋白质或酶分子结构的基因调控基因-调控结构基因表达的基因只转录而不翻译的基因-指专门转录tRNA，mRNA，rRNA的基因，它们并不翻译，参与蛋白质的生物合成,基因的种类,基因的结构,真核生物基因的编码序列往往被非编码序列所分割，呈现断裂状的结构，故而也称断裂基因（split gene）。编码序列称为外显子（exon），间隔的非编码序列称为内含子（intron）。内含子在转录后的加工中会被切除。,断裂基因的结构,编码顺序（外显子）非编码顺序（内含子）侧翼顺序 启动子（TATA框 CAAT框 GC框）增强子 终止子,转录及其加工过程,基因的生物学特性,DNA分子中碱基对的排列顺序蕴藏着遗传信息，决定了基因的基本功能和特性。基因复制与表达构成了基因的主要功能。,人类基因组（genome）是人的所有遗传信息的总和。它包括两个相对独立而相互关联的基因组：核基因组与线粒体基因组。通常人类基因组指的是核基因组。,