微生物遗传医学宣教课件.ppt

1、资料仅供参考,不当之处，请联系改正。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亲代与子代、子代间不同个体不完全相同全相同.遗传遗传(inheritance)和变异和变异(variation)是是生命的最本质特性之一生命的最本质特性之一遗传型遗传型:表型表型(表现型表现型):生物的全部遗传因子及基因生物的全部遗传因子及基因具有一定遗传型的个体具有一定遗传型的个体,在特定环境条件下通过在特定环境条件下通过生长发育所表现出的形生长发育所表现出的形态等生物学特征的总和态等生物学特征的总和.表型是由遗传型所决定表型是由遗传型所决定,但也和环境有关。但也和环境有关。资

2、料仅供参考,不当之处，请联系改正。微生物是遗传学研究中的明星：微生物是遗传学研究中的明星：t 微生物细胞结构简单微生物细胞结构简单,营养体一般为单营养体一般为单 倍体，方便建立纯系。倍体，方便建立纯系。t 很多常见微生物都易于人工培养很多常见微生物都易于人工培养,快速、快速、大量生长繁殖。大量生长繁殖。t 对环境因素的作用敏感对环境因素的作用敏感,易于获得各类易于获得各类 突变株，操作性强。突变株，操作性强。资料仅供参考,不当之处，请联系改正。微生物是研究现代遗传学和其它许多主要的微生物是研究现代遗传学和其它许多主要的生物学基本理论问题中最热衷的研究对象。生物学基本理论问题中最热衷的研究对象。

3、对微生物遗传规律的深入研究，不仅促进了对微生物遗传规律的深入研究，不仅促进了现代分子生物学和生物工程学的发展，而且现代分子生物学和生物工程学的发展，而且为育种工作提供了丰富的理论基础，为育种工作提供了丰富的理论基础，促使育促使育种工作从不自觉到自觉、从低效到高效、从种工作从不自觉到自觉、从低效到高效、从随机到定向、从近缘杂交到远缘杂交的方向随机到定向、从近缘杂交到远缘杂交的方向发展。发展。研究微生物遗传学的意义资料仅供参考,不当之处，请联系改正。第一节第一节 遗传的物质基础遗传的物质基础一、一、DNA作为遗传物质作为遗传物质二、二、RNA作为遗传物质作为遗传物质三、朊病毒的发现与思考三、朊病毒

4、的发现与思考资料仅供参考,不当之处，请联系改正。一、一、DNADNA作为遗传物质作为遗传物质（一）经典转化实验（一）经典转化实验（transformationtransformation）：）：1928,F.Griffith1928,F.Griffith，研究对象：研究对象：Streptococcus pneumoniaeStreptococcus pneumoniae（肺（肺炎链球菌）炎链球菌）S SIIIIII型菌株：有荚膜，菌落表面光滑，有致病性型菌株：有荚膜，菌落表面光滑，有致病性R RII II型菌株：无荚膜，菌落表面粗糙，无致病性型菌株：无荚膜，菌落表面粗糙，无致病性资料仅供参考,

5、不当之处，请联系改正。1928年，年，Griffith进行了以下几组实验：进行了以下几组实验：（1）动物实验）动物实验对小鼠注射活对小鼠注射活RII菌或死菌或死SIII菌菌 小鼠存活小鼠存活对小鼠注射活对小鼠注射活SIII菌菌小鼠死亡小鼠死亡对小鼠注射活对小鼠注射活RII菌和热死菌和热死SIII菌菌 小鼠死亡小鼠死亡 抽取心血抽取心血 分离分离 活的活的SIII菌菌资料仅供参考,不当之处，请联系改正。（2）细菌培养实验）细菌培养实验（3）S型菌的无细胞抽提液试验型菌的无细胞抽提液试验以上实验说明：加热杀死的以上实验说明：加热杀死的SIII型细菌细胞内可型细菌细胞内可能存在一种转化物质，它能通过

6、某种方式进入能存在一种转化物质，它能通过某种方式进入RII型型细胞并使细胞并使RII型细胞获得稳定的遗传性状，转变为型细胞获得稳定的遗传性状，转变为SIII型细胞。型细胞。热死热死SIII菌菌不生长不生长活活 RII 菌菌长出长出RII菌菌热死热死SIII菌菌长出大量长出大量RII菌和菌和10-6SIII菌菌活活R菌菌+S菌无细胞抽提液菌无细胞抽提液长出大量长出大量R菌菌和少量和少量S菌菌+活活RII菌菌平皿培养平皿培养资料仅供参考,不当之处，请联系改正。加加S菌菌DNA加加S菌菌DNA及及DNA酶以酶以外的酶外的酶加加S菌的菌的DNA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

7、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O.T.Avery、C.M.MacLeod和和M。McCarty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：资料仅供参考,不当之处，请联系改正。只 有只 有 S S 型 细 菌 的型 细 菌 的 D N AD N A 才 能 将才 能 将 S.S.pneumoniaepneumoniae的的R R型转化为型转化为S S型。且型。且DNADNA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 S型型菌株转移给菌株转移给R R型菌株的，是遗传因子型菌株的，是遗传因子。资料仅供参考,不当之处，

8、请联系改正。（二）噬菌体感染实验（二）噬菌体感染实验 A.D.Hershey和和M.Chase，1952年年（1）含）含32P-DNA的一组：放射性的一组：放射性85%在沉淀中在沉淀中10分钟后分钟后用捣碎器用捣碎器使空壳脱离使空壳脱离吸附吸附离心离心沉淀细胞进一步培沉淀细胞进一步培养后，可产生大量养后，可产生大量完整的子代噬菌体完整的子代噬菌体上清液中含上清液中含15%放射性放射性沉淀中含沉淀中含85%放射性放射性资料仅供参考,不当之处，请联系改正。沉淀中含沉淀中含25%放射性放射性以以32S标记蛋白质外壳做噬菌体感染实验标记蛋白质外壳做噬菌体感染实验（2）含）含35S-蛋白质的一组：放射性

9、蛋白质的一组：放射性75%在上在上清液中清液中10分钟后分钟后用捣碎器用捣碎器使空壳脱离使空壳脱离吸附吸附离心离心沉淀细胞进一步培沉淀细胞进一步培养后，可产生大量养后，可产生大量完整的子代噬菌体完整的子代噬菌体上清液中含上清液中含75%放射性放射性资料仅供参考,不当之处，请联系改正。为了证明核酸是遗传物质，为了证明核酸是遗传物质，H.H.Fraenkel-ConratFraenkel-Conrat（19561956）用含）用含RNARNA的的烟草花叶病毒（烟草花叶病毒（TMVTMV）进行了著名的）进行了著名的植物病毒重建实验植物病毒重建实验。二、二、RNA作为遗传物质作为遗传物质资料仅供参考,

10、不当之处，请联系改正。MTV HRVHRV MTV资料仅供参考,不当之处，请联系改正。用两种杂合病毒感染寄主：用两种杂合病毒感染寄主：（1 1）表现）表现TMVTMV的典型症状病分的典型症状病分离到正常离到正常TMVTMV粒子粒子（2 2）表现）表现HRVHRV的典型症状病分的典型症状病分离到正常离到正常HRVHRV粒子。粒子。上述结果说明，在上述结果说明，在RNARNA病毒中，病毒中，遗传的物质基础也是核酸。遗传的物质基础也是核酸。资料仅供参考,不当之处，请联系改正。三、朊病毒的发现与思考三、朊病毒的发现与思考亚病毒的一种亚病毒的一种:具有传染性的蛋白质致具有传染性的蛋白质致病因子病因子,迄

11、今为止尚为发现该蛋白内含迄今为止尚为发现该蛋白内含有核酸。有核酸。其致病作用是因动物体内正常的蛋白其致病作用是因动物体内正常的蛋白质质PrP c改变折叠状态为改变折叠状态为PrP sc所致所致,而而这二种蛋白质的一级结构并没有改变这二种蛋白质的一级结构并没有改变.资料仅供参考,不当之处，请联系改正。人的库鲁病人的库鲁病(kuru)、克雅氏病克雅氏病(Creutzfeldt Jakob disease,CJD)等等羊搔痒症羊搔痒症(scrapie)牛海绵状脑病牛海绵状脑病(spongiform encephalopathy)资料仅供参考,不当之处，请联系改正。引起人与动物的致死引起人与动物的致死

12、性中枢神经系统疾病性中枢神经系统疾病资料仅供参考,不当之处，请联系改正。Prusiner(1982)提出羊搔痒病因子是一种蛋白提出羊搔痒病因子是一种蛋白质侵染颗粒质侵染颗粒(proteinaceous infectious particle),并将之称做并将之称做Prion或或Virino。-朊病毒朊病毒1997年，年，Stanley B.Prusiner荣获诺贝尔奖荣获诺贝尔奖资料仅供参考,不当之处，请联系改正。1）蛋白质是否可以作为遗传物质？）蛋白质是否可以作为遗传物质？prion是生命的一个特例？是生命的一个特例？还是仅仅为表达调控的一种形式？还是仅仅为表达调控的一种形式？2）蛋白质折叠

13、与功能的关系）蛋白质折叠与功能的关系,是否存在折是否存在折 叠密码？叠密码？资料仅供参考,不当之处，请联系改正。第二节第二节 微生物的基因组结构微生物的基因组结构一、概念一、概念基因组（基因组（genome）:一个物种的单倍体的所有染色体及其一个物种的单倍体的所有染色体及其所包含的遗传信息的总称所包含的遗传信息的总称.原核生物原核生物(如细菌如细菌),多为单倍体多为单倍体(在一般在一般情况下只有一条染色体情况下只有一条染色体)真核微生物真核微生物,多多条染色体条染色体,例如啤酒酵母有例如啤酒酵母有16条染色体条染色体.有时为双倍体有时为双倍体资料仅供参考,不当之处，请联系改正。二、微生物基因组

14、结构的特点二、微生物基因组结构的特点1、原核生物、原核生物(细菌、古生菌细菌、古生菌)的基因组的基因组1)染色体为双链环状的染色体为双链环状的DNA分子分子(单倍体单倍体);链环状的染色体在细胞中以紧密缠绕成的较致链环状的染色体在细胞中以紧密缠绕成的较致密的不规则小体形式存在于细胞中密的不规则小体形式存在于细胞中,该小体称为该小体称为拟核拟核(nucliod),其上结合有类组蛋白蛋白质和少量其上结合有类组蛋白蛋白质和少量RNA分子分子,使其压缩成一种手脚架形的致密结构。使其压缩成一种手脚架形的致密结构。资料仅供参考,不当之处，请联系改正。1)染色体为双链环状的染色体为双链环状的DNA分子分子(

15、单倍体单倍体);2)基因组上遗传信息具有连续性基因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基因数基本接近由它的基因组大小所估计的基因数估计的基因数参见表参见表8-1(通常以通常以1000bp1500bp 为一个基因进行计算为一个基因进行计算)微生物基因组微生物基因组DNA绝大部分用来编码绝大部分用来编码蛋白质、蛋白质、RNA;用作为复制起点、启动用作为复制起点、启动子、终止子和一些由调节蛋白识别和子、终止子和一些由调节蛋白识别和结合的位点等信号序列。结合的位点等信号序列。一般不含内含子一般不含内含子,遗传信息是连续的而遗传信息是连续的而不是中断的。不是中断的。个别细菌个别细菌(

16、鼠伤寒沙门氏菌和犬螺杆菌鼠伤寒沙门氏菌和犬螺杆菌)和古生菌的和古生菌的rRNA和和tRNA中也发现有中也发现有内含子或间插序列内含子或间插序列资料仅供参考,不当之处，请联系改正。1)染色体为双链环状的染色体为双链环状的DNA分子分子(单倍体单倍体);2)基因组上遗传信息具有连续性基因组上遗传信息具有连续性;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)结构基因的单拷贝结构基因的单拷贝,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.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类似于细菌.但但是信息传递系统是信息传递系统(

17、复制、转录和翻译复制、转录和翻译)则与则与细菌不同而类似于真核生物。细菌不同而类似于真核生物。操纵子操纵子(operon):功能相关的几个基因前后相连功能相关的几个基因前后相连,再加上一个共同的再加上一个共同的调节基因和一组共同的控制位点（启动子、操作子调节基因和一组共同的控制位点（启动子、操作子等）在基因转录时协同动作。等）在基因转录时协同动作。资料仅供参考,不当之处，请联系改正。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；2）没有明显的操纵子结构；）没有明显的操纵子结构；啤酒酵母基因组大小为啤酒酵母基因组大小为13.5

18、106bp，分布在分布在16条染色体中。条染色体中。3）有间隔区（即非编码区）和内含）有间隔区（即非编码区）和内含 子序列；子序列；4）重复序列多；）重复序列多；资料仅供参考,不当之处，请联系改正。第三节第三节 质粒和转座因子质粒和转座因子（参见（参见 P211）质粒（质粒（plasmid）：）：一种独立于染色体外一种独立于染色体外,能进行自主复制的细胞质能进行自主复制的细胞质遗传因子遗传因子,主要存在于各种微生物细胞中。主要存在于各种微生物细胞中。转座因子（转座因子（transposable element）：）：位于染色体或质粒上的一段能改变自身位置的位于染色体或质粒上的一段能改变自身位置

19、的DNA序列序列,广泛分布于原核和真核细胞中。广泛分布于原核和真核细胞中。质粒和转座因子是细胞中除染色体以外质粒和转座因子是细胞中除染色体以外的另外二类遗传因子的另外二类遗传因子资料仅供参考,不当之处，请联系改正。一、质粒的分子结构一、质粒的分子结构1、结构、结构通常以共价闭合环状通常以共价闭合环状(covalently closed circle,简称简称CCC)的超螺旋双链的超螺旋双链DNA分分子存在于细胞中子存在于细胞中质粒分子的大小范围从质粒分子的大小范围从1kb左右到左右到1000kb（细菌质粒多（细菌质粒多在在10kb以内以内）资料仅供参考,不当之处，请联系改正。有三种结构类型有三

20、种结构类型CCC、开环和线型、开环和线型资料仅供参考,不当之处，请联系改正。2 2、质粒的类型、质粒的类型严谨型质粒严谨型质粒(stringent plasmid)stringent plasmid)：复制行为与核染色体的复制同步，低拷贝数复制行为与核染色体的复制同步，低拷贝数松弛型质粒松弛型质粒(relaxed plasmid)relaxed plasmid)：复制行为与核染色体的复制不同步，高拷贝数复制行为与核染色体的复制不同步，高拷贝数资料仅供参考,不当之处，请联系改正。3、质粒的检测、质粒的检测t 对于实验室常用菌对于实验室常用菌,可用质粒所带的某可用质粒所带的某些特点些特点,如抗药性

21、初步判断。如抗药性初步判断。t 超速离心或琼脂糖凝胶电泳后观察；超速离心或琼脂糖凝胶电泳后观察；t 提取所有胞内提取所有胞内DNA后电镜观察；后电镜观察；资料仅供参考,不当之处，请联系改正。二、质粒的主要类型二、质粒的主要类型在某些特殊条件下在某些特殊条件下,质粒有时能赋予宿质粒有时能赋予宿主细胞以特殊的机能主细胞以特殊的机能,从而使宿主得到从而使宿主得到生长优势。生长优势。质粒所含的基因对宿主细胞一般是非质粒所含的基因对宿主细胞一般是非必需的；必需的；资料仅供参考,不当之处，请联系改正。质粒所编质粒所编码的功能码的功能和赋予宿和赋予宿主的表型主的表型效应效应致育因子致育因子(Fertilit

22、y factor,F因子因子)抗性因子抗性因子(Resistance factor,R因子因子)产细菌素的质粒产细菌素的质粒(Bacteriocin production plasmid)毒性质粒毒性质粒(virulence plasmid)代谢质粒代谢质粒(Metabolic plasmid)隐秘质粒隐秘质粒(cryptic plasmid)资料仅供参考,不当之处，请联系改正。1、致育因子致育因子(Fertility factor，F因子因子)又称又称F质粒质粒,其大小约其大小约100kb,这是最早发这是最早发现的一种与大肠杆菌的有性生殖现象现的一种与大肠杆菌的有性生殖现象(接接合作用合作用

23、)有关的质粒。有关的质粒。携带携带F质粒的菌株称为质粒的菌株称为F+菌株菌株(相当于雄性相当于雄性),无无F质粒的菌株质粒的菌株称为称为F-菌株菌株(相当于雌性相当于雌性).F因子能以游离状态因子能以游离状态(F+)和以与染色体相和以与染色体相结合的状态结合的状态(Hfr)存在存在于细胞中于细胞中,所以又称之所以又称之为附加体为附加体(episome)。资料仅供参考,不当之处，请联系改正。2、抗性因子抗性因子(Resistance factor,R因子因子)包括抗药性和抗重金属二大类包括抗药性和抗重金属二大类,简称简称R质粒质粒。R1质粒质粒(89kb)可使宿主对可使宿主对下列药物及重金属具有

24、抗性下列药物及重金属具有抗性:汞汞(mercuric ion,mer)四环素四环素(tetracycline,tet)链霉素链霉素(Streptomycin,Str)、磺胺磺胺(Sulfonamide,Su)、氯霉素氯霉素(Chlorampenicol,Cm)夫西地酸（夫西地酸（fusidic acid,fus）并且负责这些抗性的基因是并且负责这些抗性的基因是成簇地存在于抗性质粒上。成簇地存在于抗性质粒上。抗性质粒在细菌间的抗性质粒在细菌间的传递是细菌产生抗药传递是细菌产生抗药性的重要原因之一。性的重要原因之一。资料仅供参考,不当之处，请联系改正。3、产细菌素的质粒（Bacteriocin p

25、roduction plasmid）细菌素一般根据产生菌的种类进行命名：细菌素一般根据产生菌的种类进行命名：大肠杆菌（大肠杆菌（E.coliE.coli）产生的细菌素为产生的细菌素为colicinscolicins（大肠杆菌素），大肠杆菌素），而质粒被称为而质粒被称为ColCol质粒。质粒。由由G G+细菌产生的细菌素或与细菌素类似的因子与细菌产生的细菌素或与细菌素类似的因子与colicinscolicins有所不有所不同，但通常也是由质粒基因编码，有些甚至有商业价值，例如同，但通常也是由质粒基因编码，有些甚至有商业价值，例如一种乳酸细菌产生的细菌素一种乳酸细菌产生的细菌素NisinANisi

26、nA能强烈抑制某些能强烈抑制某些G G+细菌的生细菌的生长，而被用于食品工业的保藏。长，而被用于食品工业的保藏。资料仅供参考,不当之处，请联系改正。4、毒性质粒（毒性质粒（virulence plasmid）许多致病菌的致病性是由其所携带的质粒引起的许多致病菌的致病性是由其所携带的质粒引起的,这些质粒具有编码毒素的基因这些质粒具有编码毒素的基因,其产物对宿主其产物对宿主(动物、动物、植物植物)造成伤害。造成伤害。产毒素大肠杆菌是引起人类和动物腹泻的主要产毒素大肠杆菌是引起人类和动物腹泻的主要病原菌之一病原菌之一,其中许多菌株含有为一种或多种肠其中许多菌株含有为一种或多种肠毒素编码的质粒。毒素编

27、码的质粒。苏云金杆菌含有编码苏云金杆菌含有编码内毒素内毒素(伴孢晶体中伴孢晶体中)的质粒的质粒根癌土壤杆菌所含根癌土壤杆菌所含Ti质粒是引起双子叶质粒是引起双子叶植物冠瘿瘤的致病因子植物冠瘿瘤的致病因子资料仅供参考,不当之处，请联系改正。Ti质粒质粒中的中的T-DNA可携带任何外源基因整合到可携带任何外源基因整合到植物基因组中，是植物基因工程中有效的克隆载体植物基因组中，是植物基因工程中有效的克隆载体资料仅供参考,不当之处，请联系改正。5、代谢质粒（代谢质粒（Metabolic plasmid）质粒上携带有有利于微生物生存的基因质粒上携带有有利于微生物生存的基因,如能降如能降解某些基质的酶解某

28、些基质的酶,进行共生固氮进行共生固氮,或产生抗生素或产生抗生素(某些放线菌某些放线菌)等。等。降解质粒降解质粒:将复杂的有机化合物降解成能被其作将复杂的有机化合物降解成能被其作为碳源和能源利用的简单形式为碳源和能源利用的简单形式,环境保护方面具环境保护方面具有重要的意义。有重要的意义。资料仅供参考,不当之处，请联系改正。假单胞菌：假单胞菌：具有降解一些有毒化合物，具有降解一些有毒化合物，如芳香簇化合物如芳香簇化合物(苯苯)、农、农药药(2,4dichlorophenoxyacetic acid)、辛烷和樟脑等的能辛烷和樟脑等的能力。力。资料仅供参考,不当之处，请联系改正。6、隐秘质粒（隐秘质粒

29、（cryptic plasmid）隐秘质粒不显示任何表型效应隐秘质粒不显示任何表型效应,它们的存在只它们的存在只有通过物理的方法有通过物理的方法,例如用凝胶电泳检测细胞抽例如用凝胶电泳检测细胞抽提液等方法才能发现。提液等方法才能发现。它们存在的生物学意义它们存在的生物学意义,目前几乎不了解。目前几乎不了解。在应用上在应用上,很多隐秘质粒被加以改造作很多隐秘质粒被加以改造作为基因工程的载体为基因工程的载体(一般加上抗性基因一般加上抗性基因)资料仅供参考,不当之处，请联系改正。（参见（参见 P214）三、质粒的不亲和性三、质粒的不亲和性质粒之间的不亲和性、以及质粒拷贝数质粒之间的不亲和性、以及质粒

30、拷贝数的多少、能适应的宿主范围的宽窄等特的多少、能适应的宿主范围的宽窄等特性均与质粒的复制控制类型有关性均与质粒的复制控制类型有关资料仅供参考,不当之处，请联系改正。是一类能在是一类能在DNADNA分子内和分子内和DNADNA之间移动位置之间移动位置的一段的一段DNADNA序列。序列。根据分子结构和遗传性质分为三类根据分子结构和遗传性质分为三类:插入序列（插入序列（IS IS）、转座子（）、转座子（TnTn）、）、MuMu噬菌体噬菌体IS IS和和TnTn共同特征：共同特征：都带有编码转座酶的基因；两端都有反向末端重复序列都带有编码转座酶的基因；两端都有反向末端重复序列四、转座因子的类型和分子

31、结构四、转座因子的类型和分子结构资料仅供参考,不当之处，请联系改正。1 1、插入序列（、插入序列（IS IS）只含有与转座有关的基因和序列，能只含有与转座有关的基因和序列，能在细菌染色体、噬菌体在细菌染色体、噬菌体DNADNA和质粒上的和质粒上的许多位点移进移出。可编码特殊的酶和许多位点移进移出。可编码特殊的酶和调节蛋白，但不给细菌表型特征。调节蛋白，但不给细菌表型特征。2 2、转座子（、转座子（TnTn）与插入序列主要不同在于它携带有能赋与插入序列主要不同在于它携带有能赋予宿主某种遗传特性的基因，主要是抗予宿主某种遗传特性的基因，主要是抗性基因。能在细胞内从一个质粒转移到性基因。能在细胞内从

32、一个质粒转移到另一个质粒，亦可转移到染色体或前噬另一个质粒，亦可转移到染色体或前噬菌体上。菌体上。资料仅供参考,不当之处，请联系改正。3 3、MuMu噬菌体噬菌体 具有转座功能的一类可引起突变的具有转座功能的一类可引起突变的溶原性噬菌体。这类噬菌体的溶原性噬菌体。这类噬菌体的MuMu基基因组不论进入裂解周期或处于溶原因组不论进入裂解周期或处于溶原状态均可整合状态均可整合资料仅供参考,不当之处，请联系改正。五、转座的遗传学效应五、转座的遗传学效应 插入突变插入突变 产生染色体突变产生染色体突变 基因的移动和重排基因的移动和重排资料仅供参考,不当之处，请联系改正。第四节第四节 基因突变及修复基因突

33、变及修复一个基因内部遗传结构或一个基因内部遗传结构或DNA序列的任何改变序列的任何改变.基因突变基因突变:资料仅供参考,不当之处，请联系改正。基因突变是重要的生物学现象基因突变是重要的生物学现象,它是一切它是一切生物变化的根源生物变化的根源,连同基因转移、重组一连同基因转移、重组一起提供了推动生物进化的遗传多变性。起提供了推动生物进化的遗传多变性。基因突变基因突变DNA损伤修复机制损伤修复机制 前突可以通过前突可以通过DNA复制而成为真正的复制而成为真正的突变，也可以重新变为原来的结构突变，也可以重新变为原来的结构,这这取决于修复作用和其它多种因素。取决于修复作用和其它多种因素。资料仅供参考,

34、不当之处，请联系改正。突变突变自发突变自发突变诱变诱变环境因素的影响环境因素的影响,DNA复制过程的偶然错误等复制过程的偶然错误等而导致而导致,一般频率较低一般频率较低,通常为通常为10-6-10-9。某些物理、化学因素对生某些物理、化学因素对生物体的物体的DNA进行直接作用，进行直接作用，突变以较高的频率产生。突变以较高的频率产生。资料仅供参考,不当之处，请联系改正。1、特点、特点1）非对应性）非对应性2）稀有性）稀有性3）规律性）规律性4）独立性）独立性5）遗传和回复性）遗传和回复性6）可诱变性）可诱变性一、基因突变的特点一、基因突变的特点资料仅供参考,不当之处，请联系改正。第一节第一节

35、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三节第三节 质粒和转座因子质粒和转座因子第四节第四节 基因突变及修复基因突变及修复一、基因突变的特点一、基因突变的特点1、特点、特点资料仅供参考,不当之处，请联系改正。证明突变的性状与引起突变的原因间证明突变的性状与引起突变的原因间无直接对应关系！无直接对应关系！如何证明基因突变的非对应性如何证明基因突变的非对应性?三个经典实验三个经典实验变量实验、涂布实验、影印实验变量实验、涂布实验、影印实验2、实验证据、实验证据资料仅供参考,不当之处，请联系改正。变量实验（变量实验（fluctuation analysis）S

36、alvador Luria and Max Delbruck（1943）资料仅供参考,不当之处，请联系改正。Newcombe的涂布实验的涂布实验(1949)资料仅供参考,不当之处，请联系改正。影印实验影印实验(replica plating)Joshua Lederberg and Esther Lederberg(1952)资料仅供参考,不当之处，请联系改正。二、常见的微生物突变类型二、常见的微生物突变类型表型表型基因型基因型资料仅供参考,不当之处，请联系改正。1）营养缺陷型）营养缺陷型(auxotroph)一种缺乏合成其生存所必须的营养物一种缺乏合成其生存所必须的营养物(包包括氨基酸、维生

37、素、碱基等括氨基酸、维生素、碱基等)的突变型的突变型,只只有从周围环境或培养基中获得这些营养有从周围环境或培养基中获得这些营养或其前体物或其前体物(precursor)才能生长。才能生长。营养缺陷型是微生物遗传学研究中重营养缺陷型是微生物遗传学研究中重要的选择标记和育种的重要手段要的选择标记和育种的重要手段判断表型的标准判断表型的标准:在基本培养基上能否生长在基本培养基上能否生长.资料仅供参考,不当之处，请联系改正。特点：特点：在选择培养基在选择培养基(常为基本培养基常为基本培养基)上不生长上不生长负选择标记负选择标记突变株不能通过选择平板直接获得突变株不能通过选择平板直接获得资料仅供参考,不

38、当之处，请联系改正。营养缺陷型营养缺陷型(auxotroph)1)资料仅供参考,不当之处，请联系改正。营养缺陷型的表示方法：营养缺陷型的表示方法：基因型基因型:所需营养物的前三个英文小写斜所需营养物的前三个英文小写斜体字母表示体字母表示:hisC(组氨酸缺陷型组氨酸缺陷型,其中的大写其中的大写字母字母C同一表型中不同基因的突变同一表型中不同基因的突变）表型表型:同上同上,第一个字母大写第一个字母大写,且不用斜体：且不用斜体：HisC.在具体使用时多用在具体使用时多用hisC-和和hisC+,分别表示缺分别表示缺陷型和野生型。陷型和野生型。资料仅供参考,不当之处，请联系改正。2）抗药性突变型）抗

39、药性突变型(resistant mutant)基因突变使菌株对某种或某几种药物基因突变使菌株对某种或某几种药物,特特别是抗生素，产生抗性别是抗生素，产生抗性。特点特点:正选择标记正选择标记(突变株可直接从抗性平板突变株可直接从抗性平板上获得上获得-在加有相应抗生素的平板上在加有相应抗生素的平板上,只有抗只有抗性突变能生长。所以很容易分离得到。性突变能生长。所以很容易分离得到。)表示方法表示方法:所抗药物的前三个小写斜体英文所抗药物的前三个小写斜体英文字母加上字母加上“r”r”表示表示strstrr r 和和 strstrs s 分别表示对链霉素分别表示对链霉素的抗性和敏感性。的抗性和敏感性。资

40、料仅供参考,不当之处，请联系改正。3)条件致死突变型条件致死突变型(conditional lethal mutant)在某一条件下具有致死效应在某一条件下具有致死效应,而在另一条件而在另一条件下没有致死效应的突变型。下没有致死效应的突变型。常用的条件致死突变是温度敏感突变常用的条件致死突变是温度敏感突变,用用ts(temperature sensitive)表示表示,这类突变在高温这类突变在高温下下(如如42)是致死的是致死的,但可以在低温但可以在低温(如如25-30)下得到这种突变。下得到这种突变。特点特点:负选择标记负选择标记这类突变型常被用来分离生长繁殖必需的突变基因这类突变型常被用来

41、分离生长繁殖必需的突变基因资料仅供参考,不当之处，请联系改正。4)形态突变型形态突变型(morphological mutant)造成形态改变的突变型造成形态改变的突变型特点：特点：非选择性突变非选择性突变突变株和野生型菌株均可生长突变株和野生型菌株均可生长,但但可从形态特征上进行区分。可从形态特征上进行区分。举例：举例：产蛋白酶缺陷突变株的筛选产蛋白酶缺陷突变株的筛选资料仅供参考,不当之处，请联系改正。5）其它突变类型）其它突变类型 毒力、生产某种代谢产物的发酵能力的变化毒力、生产某种代谢产物的发酵能力的变化等在实际应用中具有重要意义突变类型等在实际应用中具有重要意义突变类型 一般都不具有很

42、明显或可直接检测到的表型。一般都不具有很明显或可直接检测到的表型。其突变株的获得往往需要较大的工作量。其突变株的获得往往需要较大的工作量。资料仅供参考,不当之处，请联系改正。突变率突变率 定义：定义：每一细胞在每一世代中发生某一性状每一细胞在每一世代中发生某一性状突变的概率。突变的概率。突变率突变率=突变细胞数突变细胞数/分裂前群体细胞数分裂前群体细胞数突变是独立的。突变是独立的。三、基因突变的分子基础三、基因突变的分子基础资料仅供参考,不当之处，请联系改正。1、自发突变、自发突变无人为因素下的低频率突变原因：无人为因素下的低频率突变原因：（1 1）背景辐射）背景辐射（2 2）有害产物积累）有

43、害产物积累（3 3）碱基错配）碱基错配资料仅供参考,不当之处，请联系改正。分子基础分子基础基因突变的原因是多种多样的，从分子水平来说，基因突变的原因是多种多样的，从分子水平来说，突变是由突变是由于于DNADNA分子碱基对发生变化所产生的结果。分子碱基对发生变化所产生的结果。u碱基置换碱基置换（1）转换）转换 A G T C 即即DNADNA链中的一个嘌呤被另一个嘌呤或是一个嘧啶被另链中的一个嘌呤被另一个嘌呤或是一个嘧啶被另一个嘧啶所置换；一个嘧啶所置换；（2）颠换：）颠换：A T A C G C G T 即一个嘌呤被一个嘧啶即一个嘌呤被一个嘧啶,或是一个嘧啶被一个嘌呤所置换。或是一个嘧啶被一个

44、嘌呤所置换。资料仅供参考,不当之处，请联系改正。资料仅供参考,不当之处，请联系改正。u DNADNA链的滑动链的滑动u RNA RNA基因组的突变基因组的突变资料仅供参考,不当之处，请联系改正。2、诱发突变诱发突变 诱变剂（诱变剂（mutagenmutagen）：凡能提高突变率的）：凡能提高突变率的任何理化因子，就称为诱变剂任何理化因子，就称为诱变剂 种类：诱变剂的种类很多，作用方式多种类：诱变剂的种类很多，作用方式多样。即使是同一种诱变剂，也常有几种样。即使是同一种诱变剂，也常有几种作用方式。作用方式。资料仅供参考,不当之处，请联系改正。（1 1）碱基类似物碱基类似物 如：如：5-5-溴尿嘧

45、啶溴尿嘧啶(5-BU)(5-BU)和和5-5-氨基尿嘧啶（氨基尿嘧啶（55AUAU）等）等 作用方式：作用方式：主要是在主要是在DNADNA复制时碱基类似物插入复制时碱基类似物插入DNADNA中，中，引起碱基对配对错误，造成碱基置换。引起碱基对配对错误，造成碱基置换。资料仅供参考,不当之处，请联系改正。5-BU引起的转换引起的转换资料仅供参考,不当之处，请联系改正。（2 2）直接与）直接与DNADNA碱基起化学反应的诱变剂碱基起化学反应的诱变剂 定义定义：一类可直接与核酸的碱基发生化学反应的：一类可直接与核酸的碱基发生化学反应的诱变剂，不论在机体内或是在离体条件下均有作诱变剂，不论在机体内或是

46、在离体条件下均有作用。用。种类：种类：例如亚硝酸、羟胺和各种烷化剂（硫酸二例如亚硝酸、羟胺和各种烷化剂（硫酸二乙酯，甲基磺酸乙酯，乙酯，甲基磺酸乙酯，N-N-甲基甲基-N-N硝基硝基-N-N-亚硝亚硝基胍，基胍，N-N-甲基甲基-N-N-亚硝基脲，乙烯亚胺，环氧乙亚硝基脲，乙烯亚胺，环氧乙酸，氮芥等）。酸，氮芥等）。作用：作用：它们可与一个或几个核苷酸发生化学反应，它们可与一个或几个核苷酸发生化学反应，从而引起从而引起DNADNA复制时碱基配对的转换，并进一步复制时碱基配对的转换，并进一步使微生物发生变异。使微生物发生变异。资料仅供参考,不当之处，请联系改正。亚硝酸可以使碱基发生氧化脱氨作用。

47、亚硝酸可以使碱基发生氧化脱氨作用。HNOHNO2 2胞嘧啶（胞嘧啶（C C）尿嘧啶（尿嘧啶（U U）:A:A HNO HNO2 2腺嘌呤（腺嘌呤（A A）次黄嘌呤（次黄嘌呤（H H）:C:C HNO HNO2 2鸟嘌呤（鸟嘌呤（G G）黄嘌呤（黄嘌呤（X X）:G:G碱基转换的分子机制碱基转换的分子机制以亚硝酸为例以亚硝酸为例资料仅供参考,不当之处，请联系改正。（3 3）移码突变诱变剂）移码突变诱变剂 丫啶类染料，包括原黄素、丫啶黄、丫啶丫啶类染料，包括原黄素、丫啶黄、丫啶橙和橙和-氨基丫啶等，以及一系列称为氨基丫啶等，以及一系列称为ICR类的化合物，都是移码突变的有效诱变剂类的化合物，都是移

48、码突变的有效诱变剂。资料仅供参考,不当之处，请联系改正。丫啶类化合物的诱变机制：丫啶类化合物的诱变机制：由于它们是一种平面型三环分子，结构与由于它们是一种平面型三环分子，结构与一个嘌呤一个嘌呤嘧啶对十分相似，故能嵌入嘧啶对十分相似，故能嵌入两个相邻两个相邻DNADNA碱基对之间，造成双螺旋的碱基对之间，造成双螺旋的部分解开，从而在部分解开，从而在DNADNA复制过程中，会使复制过程中，会使链上增添或缺失一个碱基，结果就引起链上增添或缺失一个碱基，结果就引起了移码突变。了移码突变。资料仅供参考,不当之处，请联系改正。（4 4）紫外线）紫外线 紫外线的主要作用是使同链紫外线的主要作用是使同链DNA

49、DNA的相邻嘧啶间形成的相邻嘧啶间形成共价结合的共价结合的胸腺嘧啶二聚体胸腺嘧啶二聚体，阻碍碱基间的正常配，阻碍碱基间的正常配对，从而有可能引起突变或死亡。对，从而有可能引起突变或死亡。资料仅供参考,不当之处，请联系改正。3、诱变剂与致癌物质、诱变剂与致癌物质Ames试验试验a)利用各种诱变剂获得各类遗传突变，利用各种诱变剂获得各类遗传突变，进行诱变育种；进行诱变育种；c)危害人类自身的健康危害人类自身的健康.b)对有害微生物进行控制；对有害微生物进行控制；很多种化学物质很多种化学物质,能以各种机制导致能以各种机制导致DNA的突变的突变资料仅供参考,不当之处，请联系改正。回复突变回复突变(re

50、verse mutation或或back muta-tion):突变体失去的野生型性状，可以通过第二次突突变体失去的野生型性状，可以通过第二次突变得到恢复，这种第二次突变称为回复突变变得到恢复，这种第二次突变称为回复突变.美国加利福尼亚大学的美国加利福尼亚大学的Bruce Ames教授教授于于1966年发明，因此称为年发明，因此称为Ames试验试验具体操作具体操作:检测检测鼠伤寒沙门氏菌鼠伤寒沙门氏菌(Salmonella typhmurium)组氨酸营养缺陷型菌株组氨酸营养缺陷型菌株hisC-的回复的回复突变率突变率资料仅供参考,不当之处，请联系改正。艾姆氏试验的基本方法缺陷型菌株营养缺乏型