微生物课件9微生物遗传.ppt
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- 微生物 课件 遗传
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1、 微生物遗传与变异微生物遗传与变异 要点:要点:1、细菌基因重组的原理和方法。、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。、真菌基因重组的原理和方法。3、微生物诱变育种的原理和方法。、微生物诱变育种的原理和方法。4、基因工程的基本原理、基因工程的基本原理5、基因表达的调控、基因表达的调控重点:重点:细菌的基因重组细菌的基因重组难点:难点:低频转导,高频转导,准性生殖低频转导,高频转导,准性生殖 第一节第一节 遗传的物质基础遗传的物质基础第二节第二节 微生物的基因组结构微生物的基因组结构第四节第四节 真核微生物的基因重组真核微生物的基因重组 第三节第三节 原核微生物的基因重组原核微
2、生物的基因重组第五节第五节 基因突变和诱变育种基因突变和诱变育种第六节第六节 微生物与基因工程微生物与基因工程三个经典实验的原理与方法,三个经典实验的原理与方法,朊病毒的概念朊病毒的概念原核及真核微生物基因组的基本特征原核及真核微生物基因组的基本特征基因突变的规律基因突变的规律三种基因水平转移方式及其应用三种基因水平转移方式及其应用准性生殖准性生殖基因工程的基本过程和基本技术基因工程的基本过程和基本技术遗传:遗传: 亲代与子代相似亲代与子代相似变异变异: 亲代与子代、子代间不同个体不完全相同亲代与子代、子代间不同个体不完全相同遗传(遗传(inheritance)和变异(和变异(variatio
3、n)是生命的最本质特性之一是生命的最本质特性之一遗传型遗传型:(genotype)表型表型:(phenotype)决定生物表现型的遗传因子决定生物表现型的遗传因子具有一定遗传型的个体,在特定环境条件下通过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外表特征和内在特征的总生长发育所表现出来的外表特征和内在特征的总和。和。表型是由遗传型所决定,但也和环境有关。表型是由遗传型所决定,但也和环境有关。遗传型环境条件遗传型环境条件表型表型表型饰变:表型饰变:同样遗传型的生物在不同外界条件下显现的不同表现同样遗传型的生物在不同外界条件下显现的不同表现型的变异,不涉及遗传物质结构改变型的变
4、异,不涉及遗传物质结构改变特点:特点:暂时性、不可遗传性、表现为全部个体的行为暂时性、不可遗传性、表现为全部个体的行为遗传型改变引起的表型变化,发生在基因水平上,可遗传型改变引起的表型变化,发生在基因水平上,可以遗传给子代。以遗传给子代。特点:特点:遗传性、群体中极少数个体的行为遗传性、群体中极少数个体的行为(自发突变频率通常(自发突变频率通常为为1010-6-6-10-10-9-9)遗传型变异(基因突变)遗传型变异(基因突变):第一节第一节 遗传的物质基础遗传的物质基础一一. .证明核酸是遗传物质的经典实验证明核酸是遗传物质的经典实验1928年,年,F. Griffith;1944年年O.
5、T. Avery 肺炎链球菌肺炎链球菌(Streptococcus pneumoniae)转化试验转化试验。1952年,年,A. D. Hershy、M. Chase的的噬菌体感染实验噬菌体感染实验。1956年,年,H. Fraenkel-Conrat的的TMV拆开和重建实验拆开和重建实验。1 1、经典转化实验、经典转化实验肺炎链球菌:肺炎链球菌:S型(菌体具荚膜,菌落表面光滑,有致病能力)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)型(菌体无荚膜,菌落表面粗糙,无致病能力)加加S菌菌DNA加加S菌菌DNA及及DNA酶以外的酶酶以外的酶加加S菌的菌的D
6、NA和和DNA酶酶加加S菌的菌的RNA加加S菌的蛋白质菌的蛋白质加加S菌的荚膜多糖菌的荚膜多糖活活R菌菌长出长出S菌菌只有只有R菌菌1944年年Avery、MacLeod和和McCarty从热死从热死S型型S. pneumoniae中提纯了可能作为转化因子的各种成分,并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:在离体条件下进行了转化试验:只有只有S型细菌的型细菌的DNA才能将才能将S. pneumoniae的的R型转化为型转化为S型。且型。且DNA纯度越高,转化效率也越高。说明纯度越高,转化效率也越高。说明S型菌株转型菌株转移给移给R型菌株的,是遗传因子型菌株的,是遗传
7、因子DNA。2、噬菌体感染实验、噬菌体感染实验进入细菌细胞内部的物质是进入细菌细胞内部的物质是DNA。DNA包含有产生完整噬包含有产生完整噬菌体的全部信息。菌体的全部信息。3、植物病毒、植物病毒TMV重建实验重建实验TMV的遗传物质是的遗传物质是RNA。结论: 证明核酸(证明核酸(DNA或或RNA)是遗传的物质基)是遗传的物质基础础简单的细菌(或病毒)解决复杂而重大的简单的细菌(或病毒)解决复杂而重大的问题问题微生物与高等生物具有共同的遗传本质微生物与高等生物具有共同的遗传本质朊病毒的发现和思考朊病毒的发现和思考:朊病毒朊病毒一种具有传染性的蛋白质致病因子一种具有传染性的蛋白质致病因子蛋白质是
8、遗传物质吗蛋白质是遗传物质吗蛋白质折叠与功能的关系,蛋白质折叠与功能的关系,是否存在折叠密码?是否存在折叠密码?已知的传染性疾病的传播因已知的传染性疾病的传播因子必须含有核酸子必须含有核酸真核生物真核生物 DNADNA分子与组蛋白结合构成染色体,每条染色体有单一线性双分子与组蛋白结合构成染色体,每条染色体有单一线性双链链DNADNA分子。一个真核生物细胞内有多条染色体(脉孢菌分子。一个真核生物细胞内有多条染色体(脉孢菌7 7条,条,人人2323条)。高等生物中有条)。高等生物中有2 2至多套染色体(动物至多套染色体(动物2 2倍,水稻倍,水稻4 4倍),真菌有双倍体,但多数微生物是单倍体。真核
9、细胞核倍),真菌有双倍体,但多数微生物是单倍体。真核细胞核物质外有核膜包围,形成完整细胞核。物质外有核膜包围,形成完整细胞核。原核生物原核生物 DNADNA不与组蛋白结合,染色体仅由一条不与组蛋白结合,染色体仅由一条DNADNA组成,组成,DNADNA为共价闭为共价闭合环状双链,一个细胞内只有一条染色体(单倍体合环状双链,一个细胞内只有一条染色体(单倍体haploidhaploid)。)。无核膜包围,只在细胞中央形成核区。无核膜包围,只在细胞中央形成核区。质粒质粒plasmidplasmid和和转座因子转座因子 原核生物中,除染色体以外,能够自主复制的共价闭合环状原核生物中,除染色体以外,能够
10、自主复制的共价闭合环状DNADNA分子。它们携带少量遗传基因,决定细胞的某些性状,并分子。它们携带少量遗传基因,决定细胞的某些性状,并非细菌生活必需。非细菌生活必需。二、遗传物质在微生物细胞内存在的部位和形式二、遗传物质在微生物细胞内存在的部位和形式一)遗传物质在微生物细胞中的存在方式一)遗传物质在微生物细胞中的存在方式真核微生物:细胞核真核微生物:细胞核原核微生物:核区原核微生物:核区细胞核或核区的数目在不同的微生物中是不同的细胞核或核区的数目在不同的微生物中是不同的(二)遗传物质存在的部位(二)遗传物质存在的部位细胞核水平细胞核水平真核生物真核生物 细胞核细胞核 核染色体核染色体原核生物原
11、核生物 核区核区 DNA链链核基因组核基因组在核基因组之外,还存在各种形式的核外遗传物质在核基因组之外,还存在各种形式的核外遗传物质核外染色核外染色体体真核生物真核生物的的“质粒质粒”原核生物原核生物的质粒的质粒线粒体线粒体细胞质基因细胞质基因叶绿体叶绿体(质体)(质体)中心体中心体动动 体体共生生物:共生生物:卡巴颗粒卡巴颗粒酵母菌的酵母菌的2 m质粒质粒F因子因子R因子因子Col质粒质粒Ti质粒质粒巨大质粒巨大质粒降解性质粒降解性质粒核基因组核基因组遗遗传传物物质质类类型型(三)转座因子(三)转座因子细胞中能改变自身位置(例如从染色体或质粒转移到另一个位点,细胞中能改变自身位置(例如从染色
12、体或质粒转移到另一个位点,或者在两个复制子之间转移)的一段或者在两个复制子之间转移)的一段DNA序列。序列。也称也称跳跃基因跳跃基因(jumping gene)或或可移动基因(可移动基因(movable gene)。)。插入序列(插入序列(insertion sequence,IS)转座子(转座子(transposon ,Tn)某些病毒(某些病毒(Mu噬菌体)噬菌体)原核生物的转座因子:原核生物的转座因子:转座因子转座因子 4040年代年代McClintockMcClintock在在玉米中发现了转座子即跳跃玉米中发现了转座子即跳跃基因基因,自,自19671967年以来,已在微生物和其它生物中年
13、以来,已在微生物和其它生物中得到普遍证实。得到普遍证实。 新发现新发现有些有些DNADNA片段不但可在染色体上移动,还片段不但可在染色体上移动,还可从一个染色体跳到另一个染色体,从一个质粒可从一个染色体跳到另一个染色体,从一个质粒跳到另一个质粒或染色体,甚至还从一个细胞转跳到另一个质粒或染色体,甚至还从一个细胞转移到另一个细胞。在这些移到另一个细胞。在这些DNADNA顺序的跳跃过程中,顺序的跳跃过程中,往往导致往往导致DNADNA链的断裂或重接,从而产生重组交换链的断裂或重接,从而产生重组交换或使某些基因启动或关闭,结果导致突变的发生。或使某些基因启动或关闭,结果导致突变的发生。转座因子的种类
14、(转座因子的种类(1) 插入序列(插入序列(IS,insertion sequence):分子量最小(仅:分子量最小(仅0.7-1.4kb),),只能引起转座(只能引起转座(transposition)效应而不效应而不含其它基因。可以在染色体、含其它基因。可以在染色体、F因子等质粒上发现它们。因子等质粒上发现它们。 已知的已知的IS有有5种,即种,即 IS1、IS2、IS3、IS4和和IS5。 因因IS在染色体上插入的位置和方向的不同,其引起的突变在染色体上插入的位置和方向的不同,其引起的突变效应也不同。效应也不同。IS引起的突变可回复,其原因可能是引起的突变可回复,其原因可能是IS被切被切离
15、,如果因切离部位有误而带走离,如果因切离部位有误而带走IS以外的一部分以外的一部分DNA序列,序列,就会在插入部位造成缺失,从而发生新的突变。就会在插入部位造成缺失,从而发生新的突变。转座因子的种类(转座因子的种类(2) 转座子转座子(Tn,transposon,又称转位子,易位子又称转位子,易位子)与与IS和和Mu噬菌体相比,噬菌体相比,Tn的分子量居中(一般的分子量居中(一般为为225kb)。)。它含有几个至十几个基因,其中除它含有几个至十几个基因,其中除了与转座有关的基因外,还含有抗药基因或乳糖了与转座有关的基因外,还含有抗药基因或乳糖发酵基因等其它基因。发酵基因等其它基因。 Tn虽能插
16、到受体虽能插到受体DNA分子的许多位点上,但这些分子的许多位点上,但这些位点似乎也不完全是随机的,其中某些区域更易位点似乎也不完全是随机的,其中某些区域更易插入。插入。 特征:在两端有特征:在两端有IRIR序列序列 ,分两类:,分两类: 型型Compound transposons:两端为插入序列两端为插入序列IS,抗性基因居中。抗性基因居中。如如Tn5、Tn9、Tn10、Tn4001、Tn4003。 型型Complex transposons:两端为两端为IR(30-50bp),中间为转座基因和抗性基因。中间为转座基因和抗性基因。如如Tn1、Tn3、Tn21、Tn1721、Tn551。转座子
17、转座子 transposon转座因子的种类(转座因子的种类(3) Mu噬菌体(即噬菌体(即 mutator phage,诱变噬菌体)诱变噬菌体) 是是E . coli的一种温和噬菌体。与必须整合到宿的一种温和噬菌体。与必须整合到宿主染色体特定位置上的一般温和噬菌体不同,主染色体特定位置上的一般温和噬菌体不同,Mu噬噬菌体并没有一定的整合位置。菌体并没有一定的整合位置。 与与IS和和Tn相比,相比,Mu噬菌体的分子量最大噬菌体的分子量最大37kb,含,含有有20多个基因。引起的转座可以导致插入突变,其多个基因。引起的转座可以导致插入突变,其中约有中约有2%是营养缺陷型突变。是营养缺陷型突变。转座
18、的遗传学效应:转座的遗传学效应:1)插入突变)插入突变2)产生染色体畸变)产生染色体畸变3)基因的移动和重排)基因的移动和重排四)质粒四)质粒1、致育因子致育因子(Fertility factor,F因子因子)3、产细菌素的质粒(产细菌素的质粒(Bacteriocin production plasmid)2、抗性因子(抗性因子(Resistance factor,R因子)因子)4、毒性质粒(毒性质粒(virulence plasmid)5、代谢质粒(代谢质粒(Metabolic plasmid)6、隐秘质粒(隐秘质粒(cryptic plasmid)五)基因的表达五)基因的表达 以以DNA为
19、模板,通过为模板,通过RNA聚合酶转录出聚合酶转录出mRNA,然后将然后将mRNA包含的碱基顺序在核糖体中翻译成相应氨基酸序列包含的碱基顺序在核糖体中翻译成相应氨基酸序列的多肽。的多肽。转录(转录(transcription) 双链双链DNA单链,以其中一条为模板单链,以其中一条为模板互补互补mRNA翻译翻译(translation) mRNA 多肽多肽DNARNARNA肽链肽链蛋白质蛋白质五)基因的表达五)基因的表达第二节:微生物的基因组结构 明确基因组的概念,微生物在人类基因组计划中的独特而明确基因组的概念,微生物在人类基因组计划中的独特而重要的地位;重要的地位; 人类基因组计划对微生物学
20、发展的影响;人类基因组计划对微生物学发展的影响; 三种代表性微生物基因组结构的特点,特别强调古生菌基三种代表性微生物基因组结构的特点,特别强调古生菌基因组的独特性及双重特征;因组的独特性及双重特征; 随着基因组全序列测定微生物的增多所发现的新问题:随着基因组全序列测定微生物的增多所发现的新问题: 水平基因转移现象水平基因转移现象 Woese系统发育树面临的挑战系统发育树面临的挑战 微生物基因组结构的特点微生物基因组结构的特点1、原核生物(细菌)的基因组、原核生物(细菌)的基因组1)染色体为)染色体为双链环状的双链环状的DNA分子(单倍体);分子(单倍体);2)基因组上遗传信息具有连续性;)基因
21、组上遗传信息具有连续性; 基因数基本接近由它的基因组大小所估计的基因数基因数基本接近由它的基因组大小所估计的基因数 一般不含内含子,遗传信息是连续的而不是中断的。一般不含内含子,遗传信息是连续的而不是中断的。 3)功能相关的结构基因组成操纵子结构;)功能相关的结构基因组成操纵子结构; 4)结构基因的单拷贝及)结构基因的单拷贝及rRNA基因的多拷贝;基因的多拷贝; 5)基因组的重复序列少而短)基因组的重复序列少而短.基因组基因组genome:一种生物的全套基因。一种生物的全套基因。2、真核微生物(啤酒酵母)的基因组、真核微生物(啤酒酵母)的基因组1)典型的真核染色体结构;典型的真核染色体结构;啤
22、酒酵母基因组大小为啤酒酵母基因组大小为13.5106bp,分布在分布在16条染色体中。条染色体中。 2)没有明显的操纵子结构;)没有明显的操纵子结构;3)有间隔区(即非编码区)或内含子序列;)有间隔区(即非编码区)或内含子序列; 4)最显著的特点是最显著的特点是重复序列多重复序列多. 第一个完成基因组测序的真核生物基因组第一个完成基因组测序的真核生物基因组 基因组上有许多较高同源性的基因组上有许多较高同源性的 DNA 重复序列,重复序列,这是一种进化。即可在少数基因发生突变而失去这是一种进化。即可在少数基因发生突变而失去功能时不会影响生命过程,也可适应复杂多变的功能时不会影响生命过程,也可适应
23、复杂多变的环境,丰余的基因可在不同的环境种起用多个功环境,丰余的基因可在不同的环境种起用多个功能相同或相似的基因产物,有备无患。能相同或相似的基因产物,有备无患。 酵母菌确实比细菌和病毒进步而富有,而细菌和酵母菌确实比细菌和病毒进步而富有,而细菌和病毒似乎更聪明,能更经济更有效地利用遗传资病毒似乎更聪明,能更经济更有效地利用遗传资源。源。2、古生菌(詹氏甲烷球菌)的基因组、古生菌(詹氏甲烷球菌)的基因组第一个完成基因组测序的古生菌第一个完成基因组测序的古生菌1) 只有只有40的基因与其他两界的生物有同源性的基因与其他两界的生物有同源性2) 古生菌的基因组在结构上类似于细菌古生菌的基因组在结构上
24、类似于细菌 1.66x106bp的环状染色体的环状染色体DNA 1682个个ORF(Open Reading Frame)3) 负责信息传递功能的基因(复制负责信息传递功能的基因(复制 、转录和翻译)则类似、转录和翻译)则类似于真核生物于真核生物ORF(Opening reading frame) 任何一种生物的基因组,都是由不编码和任何一种生物的基因组,都是由不编码和编码蛋白质的核苷酸序列(基因)所组成。编码蛋白质的核苷酸序列(基因)所组成。基因通常只是基因组的一小部分基因通常只是基因组的一小部分. 一个基因组拥有的一个基因组拥有的“基因基因”数目是由两部数目是由两部分组成的:通过实验证明确
25、有蛋白质产物分组成的:通过实验证明确有蛋白质产物的真实基因、根据起始密码和终止密码序的真实基因、根据起始密码和终止密码序列所确定的潜在基因。生物学家们把这两列所确定的潜在基因。生物学家们把这两类基因都称为类基因都称为“开放阅读框开放阅读框” ()。)。因此,一个基因组内的基因数目通常是指因此,一个基因组内的基因数目通常是指的数目。的数目。克隆克隆cloneclone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。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,形两个不同来源
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