页数：103页文件大小：13.87 MB来源： 微生物学ppt课件
本课件围绕微生物遗传展开：先说明DNA、RNA作为遗传物质的证据与朊病毒，再讲解微生物基因组结构特点、质粒与转座因子，随后介绍基因突变的类型与修复机制、细菌的接合、转导与遗传转化，最后介绍诱变育种与代谢工程育种等方法。
第八章微生物遗传
第一节遗传的物质基础一、DNA作为遗传物质二、RNA作为遗传物质三、朊病毒的发现和思考
一、DNA作为遗传物质光滑型（S）粗糙型（R）有荚膜菌落光滑分泌毒素致病无荚膜菌落粗糙无毒不致病SⅠSⅡSⅢ三个血清型RⅠRⅡRⅢ三个血清型实验材料：肺炎双球菌
一、DNA作为遗传物质Avery以更精密的实验设计重复了以上实验分别用降解DNA、RNA、蛋白质的酶作用于有毒的S型菌细胞抽提物只有DNA被酶降解破坏的抽提物无转化活性DNA是转化所必需的转化因子
第一节遗传的物质基础T2噬菌体感染实验（1952年）
二、RNA作为遗传物质TMV的拆分重建实验生化提取分别获得含RNA的烟草花叶病毒蛋白质外壳（病毒1）和核酸（病毒2）抗血清处理，证明杂种病毒的蛋白质外壳来自病毒1，而非病毒2杂种病毒的后代的蛋白质外壳表现为病毒2，而非病毒1遗传物质是核酸（RNA）而非蛋白质
三、朊病毒的发现与思考何为“生命”？
古生菌的基因组在结构上类似于细菌，但负责信息传递的基因则类似于真核生物。
第三节质粒和转座因子二、质粒的主要类型在某些特殊条件下，质粒有时能赋予宿主细胞以特殊的机能，从而使宿主得到生长优势。质粒所含的基因对宿主细胞一般是非必需的；
质粒所编码的功能和赋予宿主的表型效应致育因子（Fertility factor，F因子）抗性因子（Resistance factor，R因子）Col质粒（Bacteriocin production plasmid）毒性质粒（virulence plasmid）代谢质粒（Metabolic plasmid）隐秘质粒（cryptic plasmid）
第三节质粒和转座因子二、质粒的主要类型1、致育因子(Fertility factor，F因子)又称F质粒，其大小约100kb，这是最早发现的一种与大肠杆菌的有性生殖现象（接合作用）有关的质粒。携带F质粒的菌株称为F+菌株（相当于雄性），无F质粒的菌株称为F-菌株（相当于雌性）。F因子能以游离状态(F+)和以与染色体相结合的状态(Hfr)存在于细胞中，所以又称之为附加体(episome)。有关内容在讲细菌的接合作用（conjugation）时具体介绍
2、抗性因子（Resistance factor，R因子）包括抗药性和抗重金属二大类，简称R质粒。第三节质粒和转座因子R100质粒(89kb)可使宿主对下列药物及重金属具有抗性：汞（mercuric ion ，mer）四环素（tetracycline，tet ）链霉素(Streptomycin, Str)、磺胺(Sulfonamide, Su)、氯霉素(Chlorampenicol, Cm)夫西地酸（fusidic acid，fus）并且负责这些抗性的基因是成簇地存在于抗性质粒上。抗性质粒在细菌间的传递是细菌产生抗药性的重要原因之一。
3、Col质粒产细菌素的质粒（Bacteriocin production plasmid）大肠杆菌（E. coli）产生的细菌素为colicins（大肠杆菌素），而质粒被称为Col质粒。细菌素一般根据产生菌的种类进行命名：
第三节质粒和转座因子二、质粒的主要类型3、产细菌素的质粒（Bacteriocin production plasmid）由G+细菌产生的细菌素或与细菌素类似的因子与colicins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，例如一种乳酸细菌产生的细菌素NisinA能强烈抑制某些G+细菌的生长，而被用于食品工业的保藏。
4、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，这些质粒具有编码毒素的基因，其产物对宿主（动物、植物）造成伤害。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，其中许多菌株含有为一种或多种肠毒素编码的质粒。苏云金杆菌含有编码δ内毒素(伴孢晶体中)的质粒根癌土壤杆菌所含Ti质粒是引起双子叶植物冠瘿瘤的致病因子
5、代谢质粒（Metabolic plasmid）质粒上携带有有利于微生物生存的基因，如能降解某些基质的酶，进行共生固氮，或产生抗生素（某些放线菌）等。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，环境保护方面具有重要的意义。假单胞菌：具有降解一些有毒化合物，如芳香簇化合物(苯)、农药、辛烷和樟脑等的能力。降解质粒：
6、隐秘质粒（cryptic plasmid）隐秘质粒不显示任何表型效应，它们的存在只有通过物理的方法，例如用凝胶电泳检测细胞抽提液等方法才能发现。它们存在的生物学意义，目前几乎不了解。在应用上，很多隐秘质粒被加以改造作为基因工程的载体（一般加上抗性基因）
高拷贝数(high copy number)质粒（每个宿主细胞中可以有10-100个拷贝）———————松弛型质粒(relaxed plasmid)低拷贝数(low copy number)质粒（每个宿主细胞中可以有1-4个拷贝）———————严谨型质粒(stringent plasmid)窄宿主范围质粒(narrow host range plasmid)（只能在一种特定的宿主细胞中复制）广宿主范围质粒(broad host range plasmid)（可以在许多种细菌中复制）
四、转座因子的类型和分子结构插入序列（IS）
四、转座因子的类型和分子结构转座子（Tn）复合转座子（Ⅰ型转座子）复杂转座子（Ⅱ型转座子）
四、转座因子的类型和分子结构某些特殊病毒（如Mu）
第三节质粒和转座因子五、转座的遗传效应1、插入突变2、产生染色体畸变3、基因的移动和重排
第四节基因突变及修复一、基因突变的类型及其分离1、碱基变化与遗传信息的改变
2、表型变化1）营养缺陷型一种缺乏合成其生存所必须的营养物质的突变型,只有从环境或培养基上获取这些物质才能生长.表示法:基因型his C, tryA表型His C, Try A在具体使用时多用hisC-和hisC+，分别表示缺陷型和野生型。
营养缺陷型是微生物遗传学研究中的重要选择标记和育种的重要手段，但这种突变体在选择培养基或基本培养基上不生长，需要采用影印平板法。影印平板（Replica plating）法是Lederberg夫妇在1952年建立
一、基因突变的类型及其分离2、表型变化2）抗药性突变型基因突变使菌株对某种或某几种药物，特别是抗生素，产生抗性。特点：正选择标记（突变株可直接从抗性平板上获得-----在加有相应抗生素的平板上，只有抗性突变能生长。所以很容易分离得到。）所抗药物的前三个小写斜体英文字母加上“r”表示strr 和strs 分别表示对链霉素的抗性和敏感性
3）条件致死突变型（conditional lethal mutant）在某一条件下具有致死效应，而在另一条件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，用ts（temperaturesensitive）表示，这类突变在高温下（如42℃）是致死的，但可以在低温（如25-30℃）下得到这种突变。这类突变型常被用来分离生长繁殖必需的突变基因
4）形态突变型（morphological mutant）造成形态改变的突变型特点：非选择性突变突变株和野生型菌株均可生长，但可从形态特征上进行区分。举例：产蛋白酶缺陷突变株的筛选菌落颜色变化形成芽孢缺陷菌株一、基因突变的类型及其分离2、表型变化
第四节基因突变及修复二、基因突变的分子基础1、自发突变1）特点：非对应性稀有性一般10-6～10-9规律性独立性遗传和回复性可诱变性
4）辐射和热紫外线、X射线和γ射线，短时热处理（胞嘧啶脱氨基成尿嘧啶）；5）生物诱变因子转座因子2、诱发突变二、基因突变的分子基础
回复突变(reverse mutation或back mutation)：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美国加利福尼亚大学的Bruce Ames教授于1966年发明，因此称为Ames试验具体操作：检测鼠伤寒沙门氏菌(Salmonella typhmurium)组氨酸营养缺陷型菌株(his-)的回复突变率
Ames试验
三、诱变剂与致癌物质——Ames试验由于生物体内、体外可能存在的差异，可在体外加入哺乳动物（如大鼠）微粒体酶系统，使待测物活化，使Ames试验的准确率达80-90%。
第四节基因突变及修复三、DNA损伤的修复1、光复活作用2、切除修复3、重组修复4、SOS修复
光复活作用（photoreactivation）把经紫外线照射后的微生物立即暴露于可见光下时，可明显降低其死亡率的现象，称为光复活作用。光复活机理：胸腺嘧啶二聚体在黑暗中与光激活酶（又称光裂合酶）结合，形成的复合物暴露在可见光（300~500nm）下时，此酶会因获得光能而发生解离，从而使二聚体重新分解成单体。由于在一般的微生物中都存在着光复活作用，所以在进行紫外线诱变育种时，只能在红光下进行照射及处理照射后的菌液。
第五节细菌基因转移和重组微生物进行的水平方向的基因转移，并通过重组以适应环境；一、细菌的接合作用二、细菌的转导三、细菌的遗传转化四、基因定位和基因测序
一、细菌的接合作用(conjugation)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1.实验证据1946年，Joshua Lederberg 和Edward L.Taturm细菌的多重营养缺陷型杂交实验
中间平板上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 ）
2. 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5×107，上面有编码细菌产生性菌毛（sex pili）及控制接合过程进行的20多个基因。含有F因子的细胞：“雄性”菌株（F+），其细胞表面有性菌毛不含F因子的细胞：“雌性”菌株（F-），细胞表面没有性菌毛
F因子的四种细胞形式a）F-菌株，不含F因子，没有性菌毛，但可以通过接合作用接收F因子而变成雄性菌株（F+）；b）F+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，细胞表面有性菌毛。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。
Hfr菌株的F因子插入到染色体DNA上，因此只要发生接合转移转移过程，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。2）Hfr ×F-杂交Hfr菌株仍然保持着F+细胞的特征，具有F性菌毛，并象F+一样与F-细胞进行接合。所不同的是，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(leading region)结合着染色体DNA向受体细胞转移，F因子除先导区以外，其余绝大部分是处于转移染色体的末端，由于转移过程常被中断，因此F因子不易转入受体细胞中，故Hfr×F-杂交后的受体细胞(或接合子)大多数仍然是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。F因子不易转入受体细胞中，故Hfr×F-杂交后的受体细胞（或称接合子）大多数仍然是F-。
二、细菌的转导（transduction）由噬菌体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通过病毒载体的感染转移到另一个细胞中能将一个细菌宿主的部分染色体或质粒DNA带到另一个细菌的噬菌体称为转导噬菌体细菌转导的二种类型：普遍性转导局限性转导
1、普遍性转导（generalized transduction）噬菌体可以转导给体染色体的任何部分到受体细胞中的转导过程(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！
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）
(2)转导模型
转导噬菌体为什么“错”将宿主的DNA包裹进去?噬菌体的DNA包装酶酶也能识别染色体DNA上类似pac的位点并进行切割，包装进P22噬菌体外壳，形成只含宿主DNA的转导噬菌体颗粒（假噬菌体）。因为染色体上的pac与P22 DNA的pac序列不完全相同，利用效率较低，这种“错装”机率一般仅约10-6-10-8
形成转导颗粒的噬菌体可以是温和的也可以是烈性的，但必须能偶尔识别宿主DNA, 并在宿主基因组完全降解以前进行包装。普遍性转导的基本要求：
2、局限性转导（specialized transduction）温和噬菌体感染整合到细菌染色体的特定位点上宿主细胞发生溶源化溶源菌因诱导而发生裂解时，在前噬菌体二侧的少数宿主基因因偶尔发生的不正常切割而连在噬菌体DNA上部分缺陷的温和噬菌体把供体菌的少数特定基因转移到受体菌中
三、细菌的遗传转化（genetic transformation）定义：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摄取，并得到表达的水平方向的基因转移过程自然遗传转化（natural genetic transformation）人工转化（artificial transformation）感受态细胞：具有摄取外源DNA能力的细胞（competent cell）
自然感受态与人工感受态的不同？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。
1、自然遗传转化（简称自然转化）1928年，Griffith发现肺炎双球菌（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进行自然转化，需要二方面必要的条件：建立了感受态的受体细胞外源游离DNA分子
枯草芽孢杆菌的自然转化过程（革兰氏阳性菌的转化模型）
噬菌体DNA被感受态细胞摄取并产生有活性的病毒颗粒转染(transfection)：现在把DNA转移至动物细胞的过程也称转染提纯的噬菌体DNA以转化的（而非感染）途径进入细胞并表达后产生完整的病毒颗粒。特点：
1、中断杂交（interrupted mating）技术利用Hfr×F-的接合过程，在不同时间取样，并把样品猛烈搅拌以分散接合中的细菌，然后分析受体细菌基因型，以时间(分钟)为单位绘制遗传图谱，该图谱是细菌染色体上基因顺序的直接反映。
技术大肠杆菌基因组很大（全部转移需要100分钟），其遗传图谱须用多株F因子整合在不同位置的Hfr菌才能完成
四、基因定位和基因组测序3、遗传图谱目前对大肠杆菌的染色体已定位了1000多个基因
4、基因组测序“全基因组鸟枪测序”（whole genome shotgun sequencing）5、基因组序列的注释和意义借助计算机对基因组序列进行分析
准性生殖（parasexual hybridization）存在范围：常见于某些真菌，尤其是半知菌基本过程：菌丝连接形成异核体核融合体细胞交换单元化
第七节微生物育种获得高产、优质、低耗的菌种；一、诱变育种二、代谢工程育种三、体内基因重组育种四、DNA Shuffling 技术
一、诱变育种1、常用方法1）紫外线（物理诱变剂）紫外照射后，红光下进行菌液稀释，暗培养；2）5-溴尿嘧啶（5-BU）
四、DNA Shuffling 技术DNA洗牌法利用PCR技术，同源基因的片断互为模板和引物，进行扩增，在此过程中产生重组突变体。
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