《微生物遗传》课件.ppt

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1、第八章 微生物遗传与变异,通过本章的学习，要求掌握：1、细菌基因重组的原理和方法。2、真菌基因重组的原理和方法。3、基因工程的基本原理重点：细菌的基因重组,第一节 遗传的物质基础,一.证明核酸是遗传物质的经典实验1928年，F.Griffith；1944年O.T.Avery 肺炎链球菌（Streptococcus pneumoniae）转化试验。1952年，A.D.Hershy、M.Chase的噬菌体感染实验。1956年，H.Fraenkel-Conrat的TMV拆开和重建实验。,1、经典转化实验肺炎双球菌：S型（菌体具荚膜，菌落表面光滑，有致病能力）R型（菌体无荚膜，菌落表面粗糙，无致病能力

2、）,1928年，F.Griffth的转化实验,1944年，Avery的转化实验，确定了转化因子,实验证明，将R菌转化为S菌的转化因子是DNA！,2、噬菌体感染实验,实验证明，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。,32P标记DNA,35S标记蛋白质,3、植物病毒TMV重建实验,实验证明，TMV的遗传物质是RNA。,结论：,证明核酸（DNA或RNA）是遗传的物质基础简单的细菌（或病毒）解决复杂而重大的问题微生物与高等生物具有共同的遗传本质,Prusiner(1982)提出羊搔痒病因子是一种蛋白质侵染颗粒（proteinaceous infectious parti

3、cle），并将之称做Prion或Virino。-朊病毒,1997年，Stanley B.Prusiner荣获诺贝尔奖,朊病毒的发现和思考:,朊病毒一种具有传染性的蛋白质致病因子,蛋白质是遗传物质吗?蛋白质折叠与功能的关系，是否存在折叠密码？,已知的传染性疾病的传播因子必须含有核酸,一切具有自主复制能力的遗传功能单位都称为基因。它的物质基础是一个具有特定核苷酸顺序的DNA片段。,1909年 丹麦生物学家WJohansen,二、基因的概念,结构基因：是为细胞结构、组成(如细胞生化反应所需的酶)及完成细胞功能所需的蛋白质等进行编码的基因。调节基因：用于编码调节蛋白的基因。操纵基因：是位于启动基因和结

4、构基因之间的一段碱基顺序，能与调节蛋白相结合，以此来决定结构基因的转录是否能进行。重复基因：DNA片段重复跳跃基因：可在DNA上转移位置的基因（IS因子、Tn因子）,质粒：,1、致育因子(Fertility factor，F因子),3、产细菌素的质粒（Bacteriocin production plasmid）,2、抗性因子（Resistance factor，R因子）,4、毒性质粒（virulence plasmid）,5、代谢质粒（Metabolic plasmid）,6、隐秘质粒（cryptic plasmid）,三、染色体外的遗传成分,转座因子：,转座因子：细胞中能改变自身位置（例如

5、从染色体或质粒转移到另一个位点，或者在两个复制子之间转移）的一段DNA序列。,插入序列（insertion sequence,IS),转座子（transposon,Tn),某些病毒（Mu噬菌体）,原核生物的转座因子：,型Compound transposons：两端为IS，抗性基因居中。如Tn5、Tn9、Tn10、Tn4001、Tn4003。型Complex transposons：两端为IR(30-50bp)，中间为转座基因和抗性基因。如Tn1、Tn3、Tn21、Tn1721、Tn551。,基因转座 gene transposition,转座子的特征是在两端有IR序列,分两类：,克隆clon

6、e 不经过有性细胞的结合，由体细胞发育成新个体，即无性繁殖。基因重组gene recombination两个不同来源的遗传物质进行交换，经过基因的重新组合，形成新的基因型的过程。原核微生物没有有性生殖，其基因重组通过转化、接合、转导方式进行。,第二节 原核微生物的基因重组,一、细菌的接合作用(conjugation),1.实验证据,通过细胞与细胞的直接接触而产生的遗传信息的转移和重组过程,接合(conjugation)通过供体菌与受体菌间细胞接触而传递大段DNA,1946年，Joshua Lederberg 和Edward L.TatumE.coli k12的多重营养缺陷型杂交实验,中间平板上

7、长出的原养型菌落是两菌株之间发生了遗传交换和重组所致。,证实接合过程需要细胞间的直接接触的“U”型管实验（Bernard Davis，1950）,接合机制(大肠杆菌的接合机制),接合作用是由一种被称为F因子的质粒介导。F因子的分子量通常为5107，上面有编码细菌产生性菌毛及控制接合过程进行的20多个基因。,F因子,大肠杆菌是有性别分化的。决定它们性别的因子称为F因子(致育因子或称性质粒)，呈超螺旋状态，既可以在细胞内独立存在,具有自主的与染色体进行同步复制和转移到其他细胞中的能力,也可插入(即整合)到染色体上,F+菌株含F质粒，细胞表面产生性毛(sex pili)，与F-细胞相连，在接合后转移

8、DNA。F-菌株无F质粒，不产生 性毛，可接受外 来F质粒。,F因子的四种形式：,a）F-菌株(“雌性”菌株)，不含F因子，没有性菌毛，但可以通过接合作用接收F因子而变成F+菌株；b）F+菌株(“雄性”菌株)，F因子独立存在，细胞表面有性菌毛。,c）Hfr菌株，F因子插入到染色体DNA上,因此只要发生接合转移过程，就可以把部分甚至全部细菌染色体传递给F-细胞并发生重组，由此而得名为高频重组菌株d）F菌株，Hfr菌株内的F因子因不正常切割而脱离染色体时，形成游离的但携带一小段染色体基因的F因子，特称为F因 子。细胞表面同样有性菌毛。以F因 子来传递供体菌基因的方式，称为F因子转导或性导。,1）F

9、+F-杂交,1）F+细菌通过性毛与F-细菌接触并发生相互作用；2）F因子的转移:双链之一被切断，一条链进入F-细菌3）进入F-细菌中的一条链复制出互补链,F-成为F+4）原有F+细胞也完成F因子另一条链的复制,F+F+,2）Hfr F-杂交,Hfr菌株仍保持着F+细胞的特征。当OriT序列被缺刻螺旋酶识别而产生缺口后，F因子的先导区和染色体DNA向受体细胞转移。F因子除先导区外，绝大部分处于转移染色体的末端，因转移过程常被中断，故F因子不易转入受体细胞中。HfrF-杂交后的接合子多数仍然是F-。染色体上越靠近F因子的先导区的基因，进入的机会就越多，在F-中出现重组子的的时间就越早，频率也高。,

10、Hfr F-,3）FF-杂交,FF-与F+F-的不同：供体的部分染色体基因随F一起转入受体细胞a）与染色体发生重组；b）继续存在于F因子上，形成一种部分二倍体；,细胞基因的这种转移过程又常称为性导（sexduction）,F F,1、普遍性转导（generalized transduction）,(1)意外的发现,1951年，Joshua Lederberg和Norton Zinder为了证实大肠杆菌以外的其它菌种是否也存在接合作用，用二株具不同的多重营养缺陷型的鼠伤寒沙门氏菌进行类似的实验,用“U”型管进行同样的实验时，在给体和受体细胞不接触的情况下，同样出现原养型细菌！,二、细菌的转导(t

11、ransduction),1952 年Zinder 和 Lederberg 在验证Salmonella typhimurium是否也存在接合现象时发现了转导现象。S.typhimurium：LT22A(trp-)；LT2(his-)LT22溶原性噬菌体P22 感染LT2（非溶原性）可能释放带trp+的P22LT22A(trp-)呈原养型。,沙门氏菌LT22A是携带P22噬菌体的溶源性细菌 另一株是非溶源性细菌,一个表面看起来的常规研究却导致一个惊奇和十分重要发现的重要例证！,基因的传递很可能是由可透过“U”型管滤板的P22噬菌体介导的,（普遍性转导这一重要的基因转移途径的发现）,Why and

12、 How?,（2）转导（transduction）,转导：由病毒介导的细菌细胞间进行遗传交换的一种方式。一个细胞的DNA或RNA通过病毒载体的感染转移到另一个细胞中。,转导噬菌体：能将细菌宿主的部分染色体和质粒DNA带到另一个细菌的噬菌体。获得了由噬菌体携带来的供体菌DNA片段的受体细胞称为转导子。在转导中被转移的染色体片段称为转导因子。,细菌转导的类型：,普遍转导,低频转导高频转导,局限转导,完全转导流产转导,普遍转导（generalized transduction）,噬菌体可误包供体菌中的任何基因(包括质粒)转导至受体细菌中，并使受体菌实现各种性状的转导,普遍性转导的三种后果：,外源DN

13、A被降解，转导失败。,完全转导,流产转导,局限性转导是噬菌体对寄主特定基因进行的有效转移溶原菌经诱导后，少数前噬菌体从宿主染色体脱落时产生错误切割，把宿主的某些基因整合到噬菌体的基因组上，当这样的噬菌体侵染另一宿主菌时，噬菌体 DNA 与受体菌的 DNA 同源区段配对，通过双交换而整合到受体菌的染色体组上，使受体菌获得了供体的这部分遗传特性，从而形成转导子。,局限转导（又叫特异转导）：,specialized transduction,如：前噬菌体位点两端是细菌染色体的gal和bio，经诱导后噬菌体与寄主DNA分离。但在极低的频率下会出现错切，从而使邻接的的细菌DNA被一起切除转导至受体菌。,

14、局限性转导包括低频转导和高频转导两种类型,低频转导：,低频转导裂解物,正常噬菌体,极少量的部分缺陷噬菌体（局限转导噬菌体）,转导颗粒,局限转导子（极少量）,低感染频率,形成转导子的频率只有10-4-10-6,高频转导：,形成转导子的频率很高,理论上可达 50%。,高频转导是双重溶源的结果：E.coli k12 E.coli K12(/dgal)F dgal UV 转导噬菌体（gal）转导子菌落 辅助噬菌体（）噬菌斑,转化：指同源或异源的游离DNA分子（质粒和染色体DNA）被自然或人工感受态细胞提取，并得到表达的水平方向的基因转移过程。这些被转化的游离的DNA片段称为转化因子。转化后的受体菌，称

15、为转化子。,1928年，Griffith发现肺炎链球菌（Streptococcus pneumoniae）的转化现象,目前已知有二十多个种的细菌具有自然转化的能力,三、细菌的遗传转化（genetic transformation）,感受态细胞：受体菌最容易接受外源DNA片段并实现转化的生理状态称为感受态。,进行转化，需要二方面必要的条件：,1、建立了感受态的受体细胞,2、外源游离DNA分子（转化因子）,自然感受态的出现是细胞一定生长阶段的生理特性，受细菌自身的基因控制；人工感受态则是通过人为诱导的方法，使细胞具有摄取DNA的能力，或人为地将DNA导入细胞内,转化因子通常是双链DNA。,转化过程

16、:,感受态的出现 转化因子的吸附与掺入 转化因子的整合,四、转座（translocation）,转座子是存在于染色体上的两端有反向重复序列的一段DNA。可插入染色体上的其他位置,引起基因的重组或破坏。,转座的遗传学效应：,两种插入方式:,1.保守型:如Tn52.复制型:如Mu噬菌体,1）插入突变2）产生染色体畸变3）基因的移动和重排,五.原生质体融合,原生质体融合：将遗传性状不同的两种菌（包括种间、种内、及属间）原生质体融合成为一个新的重组子的技术。,原生质体融合步骤：,1、原生质体制备2、原生质体融合和再生3、融合子的选择,杂交是在细胞水平上发生的一种遗传重组方式。有性杂交：指性细胞间的接合

17、和随之发生的染色体重组，并产生新遗传型后代的一种方式。,（一）有性生殖,第四节 真核微生物的基因重组,能产生有性孢子的酵母菌、霉菌和蕈菌都可以进行有性杂交,（二）准性生殖,准性生殖是指真菌中不通过有性生殖的基因重组过程。它是类似于有性生殖，但比之更为原始的一种生殖方式，它可使同一生物的两个不同来源的体细胞经融合后，不通过减数分裂而导致低频率的基因重组。在半知菌类中最为常见。,2、异核体形成,1、菌丝联合,3、核配,4、体细胞交换和单倍体化,杂合二倍体只有相对的稳定性，在其繁殖过程中虽不进行减数分裂，但在有丝分裂中可以发生染色体交换和染色体单倍化，从而形成各种分离子。,准性生殖的过程：,第三节

18、基因工程,基因工程gene engineering人工将供体生物的遗传物质-DNA 在离体条件下用适当的工具酶进行切割，把它与载体(vector)的 DNA 分子连接，然后与载体一起导入某一受体细胞中，让外源遗传物质进行正常的复制和表达，从而获得新物种的一种崭新的育种技术。,获得目的基因选择基因载体体外重组外源基因导入（细菌、植物、动物、基因枪）筛选和鉴定应用,基因工程的基本操作：,DNA的体外扩增,引物（primer）：与目的DNA片段末端互补的寡核苷酸片段。TaqDNA聚合酶：从水生栖热菌（Thermus aquaticus)中分离得 到的耐热的DNA聚合酶。,基本反应：,1）变性 加热，

19、模板DNA经热变性，双链被解开，成为两条 单链2）退火 温度降低，寡核苷酸引物与模板DNA配对3）延伸 在适宜条件下，引物3，端向前延伸，合成与模板互补的DNA链,第八章 微生物生态学习思考题,一、解释名词根际(根圈)、根土比、VA菌根、共生关系、拮抗关系、生物固氮、共生固氮、联合固氮、硝化作用、硫化作用、反硫化作用、氨化作用、反硝化作用二、问答题为什么说土壤具有微生物生活的条件？微生物与动物，微生物与植物之间有那些关系？各举一个例子说明。微生物种群之间有那些关系？各举一个例子说明。试述微生物在自然界物质循环中的作用。,1、解释下例名词：基因，结构基因，调节基因，跳跃基因，转座因子，光复活作用，基因重组，转化，转导，接合，原生质体融合，准性生殖，基因工程2、试述证明遗传物质是核酸的几个经典实验。3、原核微生物的基因重组方式包括哪几种？4、微生物的突变体主要有哪些种类？5、如何筛选微生物的突变体？6、试述乳糖操纵子的模型。7、F因子在E.coli细胞中以哪几种状态存在？含有F因子的E.coli与F-菌株接合会有几种结果？8、什么叫基因工程？试述基因工程的基本过程。,第九章 微生物遗传与变异习思考题,