环境工程微生物学-微生物的遗传.ppt

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1、第六章 微生物的遗传,第六章微生物的遗传,第1节 概 述第2节 遗传变异的物质基础第3节 基因突变及修复 第4节 基因转移和重组,遗传(heredity或inhertiance)和变异(Variation)是生物体最本质的属性之一。与之相关的几个概念1、遗传(heredity)生物的上一代将自己的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。,第一节概述,2、遗传型(genotype)某一生物所含有的遗传信息即DNA中正确的核苷酸序列。生物体通过这个核苷酸序列控制蛋白质或RNA的合成，一旦功能性蛋白质合成，可调控基因表达。,第一节概述,遗传型是一种内在可能性或潜力，其实质是遗传物质上所

2、负载的特定遗传信息。具有某遗传型的生物只有在适当的环境条件下通过自身的代谢和发育，才能将它具体化，即产生表型。,第一节概述,3 表型(phenotype)某一生物体所具有的一切外表特征及内在特性的总和，是遗传型在合适环境条件下的具体体现。是一种现实性。,第一节概述,4 变异（Variation）是生物体在某种外因或内因作用下引起的遗传物质结构改变，亦即遗传型的改变。特点：几率极低(一般为10-510-6)；性状变化幅度大；变化后的新性状是稳定的、可遗传的。,第一节概述,5 饰变(modification)指不涉及遗传物质结构改变，只发生在转录、转译水平上的表型变化。特点：每一个体都发生变化性状

3、变化的幅度小；因遗传物质不变故饰变是不遗传的。例子：粘质沙雷氏菌(Serratia marcescens)在 25下培养时会产生深红色的灵杆菌素，在37时不产生色素。,第一节概述,第二节遗传变异的物质基础,2.遗传变异的物质基础2.1 三个经典实验2.2 微生物细胞的遗传物质,2.1 三个经典实验Griffith转化实验,2.1 三个经典实验T2噬菌体的感染实验35S蛋白质32PDNA,第二节遗传变异的物质基础,2.1 三个经典实验植物病毒重建实验TMV-RNA+HRV-衣壳HRV-RNA+TMV-衣壳核酸是遗传信息的载体。,第二节遗传变异的物质基础,2.2 微生物细胞的遗传物质,E.coli

4、,第二节遗传变异的物质基础,2.2.1 遗传信息的传递,2.2.1 遗传信息的传递：DNA复制,2.2.1 遗传信息的传递：DNA转录,2.2.1 遗传信息的传递：翻译,mRNA is translated in codons(3nucleotides)Translation of mRNA begins at the start codon:AUGTranslation ends at a STOP codon:UAA,UAG,UGA,2.2.1 遗传信息的传递：翻译,2.2.2 遗传信息的传递：翻译,2.2.2 遗传信息的传递：翻译,2.2.2 遗传信息的传递：翻译,2.2.2 遗传信息的

5、传递：翻译,2.2.2 遗传信息的传递：翻译,2.2.2 遗传信息的传递：翻译,2.2.2 遗传信息的传递：翻译,2.2.2 遗传信息的传递：翻译,2.2.2 遗传信息的传递：翻译,3.1 基因突变3.1.1 突变株的表型3.1.2 基因突变的特点3.1.3 突变株的筛选3.2 基因突变的分子基础 3.3 DNA的修复机制,第三节基因突变及修复,3.基因突变及修复,3.1.1 突变株的表型（1）营养缺陷型（2）抗性突变（3）条件致死突变型（4）形态突变型（5）抗原突变型（6）产量突变型,第三节基因突变及修复,3.1.2 基因突变的特点自发性不对应性稀有性，突变率独立性可诱变性稳定性可逆性,第三

6、节基因突变及修复,3.1.3 突变株的筛选.1 根据突变株类型分离 鉴定和分离突变株时，根据突变株基因的特殊性质，一般分成三类：,第三节基因突变及修复,1)有毒化合物抗性突变株 如对抗生素或对噬菌体侵染的抗性。这些突变株能通过在有毒药剂或噬菌体存在下生长来选择。只有抗性突变株才生长。,第三节基因突变及修复,2)营养缺陷型突变株 突变株不能合成生长所必需的基本化合物如一个氨基酸或维生素。这些突变株不能直接分离，但能通过影印培养法(replica plating)筛选。,第三节基因突变及修复,3)不能利用特殊底物如乳糖和麦芽糖生长的突变株，可以通过影印培养法鉴别。,第三节基因突变及修复,3.1.3

7、.2 影印培养法 用于筛选大量特殊突变菌落的一个方法。细菌铺制成平板，在所含营养成分的培养基上亲本和突变株均能生长，采用一个稀释度使单个菌落能在平板上看到；培养后，用一个无菌的丝绒布包裹的圆柱章的圆垫转移上述菌落至可以检出突变株的培养基平板上。,第三节基因突变及修复,3.2 基因突变的分子基础基因突变(gene mutation)一个基因内部结构或DNA序列的任何改变，改变一对或少数几对碱基的缺失、插入或置换，而导致的遗传变化称为基因突变。,第三节基因突变及修复,DNA序列范围的改变从单个碱基改变通常称为点突变(point mutations)，到基因组大范围的重排，有时称为多位点突变(染色体

8、畸变)，其中包括DNA链上短的一段序列或长的一段序列改变，从而影响许多基因。,第三节基因突变及修复,多位点突变可以是碱基序列的缺失、插入、倒位、置换(包括易位)和重复以及在基因组中发生重组或转座的结果。,第三节基因突变及修复,2.点突变 点突变中由一个嘌呤变为另一个嘌呤(AG)或一个嘧啶变为另一个嘧啶(CT)称为转换(transition)，嘌呤变为嘧啶和嘧啶变为嘌呤称为颠换(transversions)。遗传型上一个碱基的改变在表型上的效应取决于突变的性质和在基因组点突变发生的位置，有四种点突变类型：,第三节基因突变及修复,1）同义突变(same-sense mutations)由于基因密码

9、的冗余性；同样的氨基酸插入蛋白质，结果表型上没有看出变化。2）错义突变(mis-sense mutations)指不同的氨基酸插入蛋白质的多肽链中，多肽链相应氨基酸改变的结果，视蛋白质的基本部分或非基本部分改变而定。前者蛋白质功能改变或丧失，后者表型上没有观察到变化。,第三节基因突变及修复,3）无义突变(nonsense mutations)是指碱基序列改变为氨基酸终止密码子(UAA，UAG，UGA)。蛋白质合成超前停止，导致一个截短的蛋白质产生。4）移码突变(frameshift mutations)是DNA序列上缺失或插入12个核苷酸，引起从该突变点后翻译阅读框移位和变成一个完全改变的氨基

10、酸序列。,第三节基因突变及修复,2.自发突变（Spontaneous mutation）2.1 不经诱变剂处理而自然发生的突变，称为自发突变,第三节基因突变及修复,2.2 自发突变的原因 突变可因许多原因增加，包括DNA复制时DNA聚合酶产生的误差，DNA的物理损伤，重组和转座。然而，DNA受大量DNA修复系统保护，会使其突变率减至最小程度。,1)自发突变的一个主要原因是由于碱基存在不同的构型称为互变异构体，使其能形成不同的碱基对。,第三节基因突变及修复,通常以氨基式出现的腺嘌呤(A)与胸腺嘧啶(T)配对。当DNA复制到这一位置瞬间时转变为稀有的亚氨基式(A)(互变异构现象，tautoomer

11、ism)，就会与胞嘧啶(C)碱基配对，这意味着一个胞嘧啶(C)插入DNA，代替了胸腺密啶(T)。假如在下一次复制周期前不被修复A-T碱基对将变为C-G碱基对。,第三节基因突变及修复,第三节基因突变及修复,2)自发突变的另一个主要原因是转座因子，它可以随机插入基因组，引起突变，而且假如有两个或多个拷贝，作为同源重组的位点，能导致基因组区段缺失、重复和倒位。,第三节基因突变及修复,3)DNA复制时自发突变也能由DNA链在短的重复核苷酸序列处向外环出而引起。导致插入或缺失一小段DNA，从而对DNA分子造成实际的损伤。,第三节基因突变及修复,3 诱发突变和诱变剂3.1诱发突变 通过人为利用物理、化学或

12、生物因子的方法提高基因突变频率的手段。3.2诱变剂碱基类似物(base analogs)如5-溴尿嘧啶和2-氨基嘌呤，当DNA复制时掺人DNA分子，类似自发突变的碱基互变异构移位，但以高频率导致突变。,第三节基因突变及修复,DNA分子嵌入剂(插入染料)是扁平的三个环的类似于碱基对形状的化合物，它们能插入DNA分子，引起螺旋结构变型，DNA复制时导致环出及插入和缺失碱基。溴化乙啶和丫啶橙是这类试剂的典型代表。,第三节基因突变及修复,修饰DNA的化学药品是改变DNA中碱基的化合物，导致下一次复制周期时错误配对。HNO2引起含NH2基团的碱基(AGC)氧化脱氨，氨基变为酮基，改变配对性质造成转换突变

13、。NH2OH 与胞嘧啶发生反应，引起GCAT转换。EMS和NTG 作用于鸟嘌呤的N-7位和腺嘌呤的N-3位，造成碱基错误配对。,第三节基因突变及修复,电离辐射可能引起DNA损伤。紫外线引起的主要损伤是形成嘧啶二聚体，最普通的是胸腺嘧啶二聚体，相邻碱基问引起DNA螺旋的扭曲畸变。它本身不是导致突变的，但突变发生后，当细胞用倾向错误的修复系统(SOS修复系统)尽力修复此损伤时，会导致高频率的突变。,第三节基因突变及修复,生物诱变因子 实验室中常用转座因子作为诱变因子，例Tn,Mu具有抗生素抗性标记，可容易分离到所需的突变基因。当DNA序列已知时，现在经常采用的体外诱变办法是精确改变DNA序列(定位

14、诱变)。以化学合成的一个突变序列的拷贝代替野生型基因组的序列。,第三节基因突变及修复,3.DNA的修复机制 DNA的损伤对细胞可能是致死的，因此在细胞内存在大量的DNA修复系统去修复诱变剂引起的损伤。,第三节基因突变及修复,1、光复活 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。在依赖于光的修复机制中，光解酶与黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)能切割相邻嘧啶间的环丁烷环恢复为原来的单聚体。这是对付紫外线损伤的第 一线防御。,第三节基因突变及修复,2、切补修复暗修复切补修复常称为暗修复。它作为许多不同类型的DNA损伤修复的普遍系统，如嘧啶二聚体和错误碱基配对引起的DNA损伤。,第三节基因突

15、变及修复,第三节基因突变及修复,3、重组修复(复制后修复)这是一种越过损伤而进行的修复，不将损伤碱基除去，通过复制后经染色体交换，使子链上的空位不再面对嘧啶二聚体，对着单链，由DNA聚合酶和连接酶对空隙部分进行修复。,第三节基因突变及修复,4、SOS修复系统 细胞中有许多基因和操纵子受RecA蛋白协同调控和LexA蛋白阻遏转录。它涉及处理DNA损伤和称为SOS修复系统。,第三节基因突变及修复,微生物基因的转移和重组 一、转 化 二、转 导 三、F质粒与接合 四、真核生物基因重组 五、微生物的育种,第四节基因转移和重组,转 化（Transformation）1、转化 转化是从周围培养基吸收游离的

16、DNA片段，整合到自己染色体基因组的结果。许多细菌如芽孢杆菌属、链球菌属、奈瑟氏球菌属和嗜血菌属(嗜血杆菌属Haemophilus)能够自然发生转化作用。,第四节基因转移和重组,Transformation,RecombinationLegitimate,homologous or general recA,recB and recC genes,Significance Phase variation in Neiseseria Recombinant DNA technology,StepsUptake of DNAGram+Gram-,2、感受态(compentence)细胞吸收DNA进

17、行转化的能力取决于细胞所处的特殊生理状态，即细菌细胞的感受态。感受态与细胞表面存在DNA的受体有关。其它细菌，如大肠杆菌，在冷的条件下通过化学方法处理，可以诱导建立感受态。,第四节基因转移和重组,3、DNA的吸收和命运 结合和转移进入受体细胞的DNA片段可以是特异的序列或者非特异的序列，其差异取决于种。在大多数情况下，双链DNA转变成单链DNA进入受体细胞。亦发现流感嗜血菌(流感杆菌或流感嗜血杆菌Haemophilus influenzae)吸收完整的双链DNA。进入的DNA通过重组整合至受体菌染色体上。,第四节基因转移和重组,转 导(Transduction)1、普遍性转导 普遍性转导是当噬

18、菌体装配时偶然出现的错误，是替代噬菌体DNA包装了一段寄主(供体)染色体DNA进入噬菌体头部的结果。这种“误包”的转导噬菌体，能侵染新的宿主(受体)，并注入此段DNA，非噬菌体的DNA，除非通过重组将这段DNA整合到宿主(受体)染色体上，否则将丢失。,第四节基因转移和重组,Generalized Transduction,Release of phage,Phage replication and degradation of host DNA,Assembly of phages particles,Infection of recipient,Legitimate recombinatio

19、n,Infection of Donor,2.局限性转导(Specialized Transduction)某些溶源性噬菌体可整合至宿主染色体上。通常当一个噬菌体被诱导后，以非常精确的方式从染色体上切离形成一个完全的噬菌体基因组。极少数的原噬菌体发生不精确的切离(误切)，邻近噬菌体位点上的一小段染色体被切离，而一小段噬菌体的DNA遗留在染色体上。,第四节基因转移和重组,切离的噬菌体可被正常复制、包装进噬菌体头部和释放去感染其它的细胞。含有这段染色体DNA的噬菌体颗粒感染受体细胞后，整个噬菌体DNA可整合在染色体上形成溶源化，或通过重组作用与染色体DNA整合。,第四节基因转移和重组,Specia

20、lized TransductionLysogenic Phage,Excision of the prophage,Replication and release of phageInfection of the recipientLysogenization of the recipientLegitimate recombination also possible,F质粒与接合 1、接合(conjugation)接合是同通过质粒使遗传物质在两个细菌细胞间转移的机制。一个含有接合质粒(F+，致育性)的细胞与不含有接合质粒(F-)的细胞借助于细胞表面的性菌毛形成交配个体。性菌毛收缩，拉两个细

21、胞接触，从含有质粒的细胞(供体)DNA转移到受体。,第四节基因转移和重组,Electron Micrograph of Escherichia coli with a Conjugation Pilus,2、DNA转移 转移的起始点在质粒DNA一条链的一个缺口位点称作oriT上，DNA以单链形式转移，通过滚环模型形式复制。完整链作为DNA合成的模板，而缺口链被替代和转移进入受体细胞，一旦在受体细胞中与之互补的DNA链合成，形成新的F因子。,第四节基因转移和重组,3、F 因子F因子从染色体上切离是与整合相反的过程，通常为精确切离，但偶尔会出现偏差，质粒切出一段相邻染色体形成一个F因子。F因子可将

22、染色体基因转移到受体细胞中。,第四节基因转移和重组,真核生物基因重组 丝状真菌通过准性生殖进行基因重组的。准性生殖(parasexual reproduction)指不经过减数分裂就能导致基因重组的生殖过程。真菌菌丝通过相互接触，菌丝间连接，细胞核可混合在一起而形成异核体(具有二种或二种以上不同基因型的核的细胞)，并可以百万分之一的概率发生核融合而形成二倍体（或杂合二倍体）。,第四节基因转移和重组,微生物的育种 目的是为了要人为地使某种微生物的代谢产物过量积累，把生物合成的代谢途径朝人们所希望的方向加以引导，或者使细胞内发生基因的重新组合优化遗传性状，实现人为控制微生物，获得我们所需要的高产、

23、优质和低耗的菌种。,第四节基因转移和重组,1、诱变育种 指利用各种诱变剂处理微生物细胞，提高基因的随机突变频率，通过一定的筛选方法获得所需要的高产优质菌株。一般通过营养缺陷型突变株、抗阻遏和抗反馈突变型、抗性突变型（抗生素抗性突变株、条件抗性突变）来筛选。,第四节基因转移和重组,诱变育种的基本方法,诱变育种包括诱变和筛选两部分，诱变部分成功的关键包括出发菌株诱变剂种类剂量合理的使用方法筛选部分包括初筛和复筛来测定菌种的生产能力。诱变育种是诱变和筛选过程的不断重复，直到获得高产菌株。,2、体内基因重组育种 体内基因重组是指重组过程发生在细胞内（相对体外重组技术或基因工程技术。体内基因重组育种是指采用接合、转化、转导和原生质体融合等遗传学方法和技术使微生物细胞内基因发生重组，以增加优良性状的组合，或导致多倍体的出现，从而获得优良菌株的一种育种方法。,第四节基因转移和重组,原生质体融合技术是将遗传性状不同的两种菌（包括种间、种内及属间）融合为一个新细胞的技术。部分真核生物可以通过杂交育种。,第四节基因转移和重组,例：卡尔酵母糖化酵母,卡尔酵母,能发酵糊精产生酒精的杂合种,糖转化率90的杂合种,糖转化率100的新杂合种,能利用异麦芽糖的野生酵母,卡尔酵母糖化酵母,