微生物遗传

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 1、Griffith的转化实验

SⅢ型菌株加热杀死，小鼠不死；将加热杀死、已无致病性的SⅢ菌和小量活的非致病的R型菌一起注入体内，小鼠死亡。

解释：活的、非致病性的R型从已被杀死的SⅢ型中获得了遗传物质，使其产生夹膜成为SⅢ型。

这种现象称为转化，将引起转化的遗传物质称为转化因子。 2、DNA作为遗传物质的第一个实验证据

Avery等人分别用降解DNA、RNA或蛋白质的酶作用于有毒的S型细胞提取物，选择性的破坏这些细胞成分，然后分别与无毒的R型细胞混合，观察转化现象的发生。结果发现，最后只有DNA被酶解而遭到破坏的抽提物无转化作用，说明DNA是转化必须的转化因子。 3、T2噬菌体的感染实验

32P标记病毒的DNA，用35S标记病毒的蛋白质外壳，分别与其宿主大肠杆菌混合。最后发现，用含35S蛋白质的T2噬菌体感染大肠杆菌时，大多数放射活性留在宿主细胞外边，而用含32PDNA的T2噬菌体与宿主细菌混合时，发现32PDNA注入宿主细胞，并产生噬菌体后代，这些T2噬菌体后代的蛋白质组成、形状大小等特性均与留在细胞外的蛋白质外壳一模一样，说明决定蛋白质外壳的遗传信息在DNA上，DNA携带有T2噬菌体的全部遗传信息。 二、RNA作为遗传物质

用含RNA的烟草花叶病毒所进行的拆分与重建实验证明RNA也是遗传物质的基础。

三、朊病毒的发现与思考

由于正常的PrPc改变其折叠状态所致，而PrPc仍是基因编码产生的一种糖蛋白，PrPsc不是遗传信息的携带者。

第二节微生物的基因组结构

基因组是指细胞中基因以及非基因的DNA序列组成的总称，包括编码蛋白质的结构基因、调控序列以及目前功能尚不清楚的DNA序列。 一、大肠杆菌的基因组

双链环状的DNA分子，以拟核形式存在于细胞中，其上结合有类组蛋白蛋白质和少量RNA分子，使其压缩成一种手脚架形的致密结构。

结构特点如下： 1、遗传信息的连续性

绝大部分原核生物不含内含子，遗传信息是连续的而不是中断的。 2、功能相关的结构基因组成操纵子结构

有很多的操纵子，可能与原核基因表达多采用转录调控有关。 有些功能相关RNA的基因也串联在一起。 3、结构基因的单拷贝及rRNA基因的多拷贝

在大多数情况下，结构基因在基因组中是单拷贝的，但是编码rRNA的基因rrn往往是多拷贝的。大肠杆菌的7个rRNA操纵子，都是按复制方向表达，有6个分布在DNA的双向复制起点附近。一个细胞周期中，复制起点处的基因表达量几乎相当于复制终点的同样基因的两倍。 4、基因组的重复序列少而短 二、啤酒酵母的基因组

是第一个完成测序的真核生物基因组。酵母菌的DNA与四种主要的组蛋白结合构成染色质的14bp核小体核心DNA；染色体DNA上有着丝粒和端粒，没有明显的操纵子，有间隔区或内含子序列。

最显著特点是高度重复。

其基因组上有较多高同源性的DNA重复序列，称之为遗传丰余。 二、詹氏甲烷球菌的基因组

属于古生菌，是完成的第一个古生菌和自养型生物的基因组序列，很据对其基因组序列分析结果证实了1977年由伍斯等人提出的三界域学说。

古生菌的基因组在结构上类似于细菌，但负责信息传递功能的基因类似于真核生物，特别是转录起始系统基本上与真核生物一样。

第三节质粒和转座因子

两者都是细胞中除染色体以外的另外两类遗传因子。

质粒是独立与细胞外，能进行自主复制的细胞质遗传因子，主要存在于各种微生物细胞中；转座因子是位于染色体或质粒上的一段能改变自身位置的DNA序列。

一、质粒的分子结构

通常以共价闭合环状的超螺旋双链DNA分子存在于细胞中。

但从细胞中分离的质粒大多有3种类型：CCC型、开环型（OC）、线型（L）。 根据质粒的分子大小和结构特征，通过超离心或琼脂糖凝胶电泳可将质粒与染色体DNA分开。

在含溴化乙锭（EB）的氯化钯梯度中，松弛的染色体DNA结合的EB分子比质粒多，其密度也比质粒小，经高速密度梯度离心后，就可将二者分开，从而得到质粒DNA。

琼脂糖凝胶电泳是根据相对分子质量大小和电泳呈现的带型将染色体DNA与质粒分开。前者也是因随机断裂成线状，且相对分子质量大，所以泳动速度慢，带型也不整齐；后者相对分子质量小，大小均一，泳动速度快，带型整齐，很容易将二者区分并进而分离质粒DNA。 二、质粒的主要类型

染色体DNA携带所有在生长条件下必需的基因，这些基因有时称之为“看家基因”，而质粒中所含基因只是在特殊的条件下，赋予宿主细胞以特殊的机能，从而使宿主得到生长优势。

根据质粒所编码的功能和赋予宿主的表型效应，可分为： 1、致育因子（F质粒）

与大肠杆菌有性生殖（接合作用）有关的基因。携带F质粒的菌株称为F+菌株，无F质粒的菌株称为F-菌株。F质粒整合到宿主细胞染色体上的菌株称为高频重组菌株（Hfr）。

由于F因子能以游离状态和与染色体结合状态存在于细胞中，因此又称之为附加体。

Hfr菌株上的F因子通过重组回复称自主状态时，有时可将相邻的染色体基

因一起切割下来，而成为携带某一染色体基因的F因子，称为F’因子。 2、抗性因子（R因子）

包括抗药性和抗金属两大类，简称R质粒。 3、Col质粒

含有编码大肠菌素的基因，大肠菌素是一种细菌蛋白，只杀死近源且不含Col质粒的菌株，而宿主不受其产生的细菌素的影响。 4、毒性质粒

具有编码毒素的基因。

研究表明，苏云金杆菌含有编码δ内毒素（伴孢晶体中）的质粒，伴孢晶体的结构基因及调节基因位于质粒中。

广泛用于转基因植物载体中的是一种经过人工改造的Ti质粒，Ti质粒是引起双子叶冠婴瘤的致病因子。Ti质粒上的一段特殊DNA片段转移至植物细胞内并整合其染色体上，导致细胞无控制的瘤状增生。

Ri质粒是许多双子叶植物患毛根瘤的致病因子。 5、代谢质粒（降解质粒）

携带有能降解某些基质的酶的基因，能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。

还包括一些能编码固氮功能的质粒。 6、隐秘质粒

不显示任何表型效应，它们的存在只有通过物理方法。

除了根据质粒赋予宿主遗传表型将质粒分类外，还可根据质粒的拷贝数、宿主范围等分类。在宿主细胞中有10~100个拷贝，称为高拷贝数质粒，又称松弛型质粒；有的在每个细胞中只有1~4个拷贝，称为低拷贝质粒，又称严谨型质粒。此外，只能在一种特定的宿主细胞内复制的称为窄宿主范围质粒，复制起点不特异，可在许多细菌中复制的称为广宿主范围质粒。能整合进染色体而随染色体的复制而进行复制的质粒称为附加体。 三、质粒的不亲和性

细菌通常含有一种或多种遗传稳定的质粒，这些质粒可认为彼此亲和。 如果将一种质粒通过接合或其他方式导入某一合适的但已存在一种质粒的

宿主细胞，经几代后，大多数子细胞只含有其中一种质粒，这两种质粒便是不亲和的。

能在同一细菌中并存的质粒属于不同的不亲和群，而在同一细菌中不能并存的质粒属于同一不亲和群。这是因为质粒的不亲和性主要与复制和分配有关。

当两种同一不亲和群的质粒共处于同一细胞中，其中一种由于不能复制因而在细胞的不断分裂过程中被稀释掉或被消除。 四、转座因子的类型和分子结构

细胞中能改变其自身位置（如从染色体或质粒的一个位点转到另一个位点，或在两个复制子之间转移）的一段DNA序列。

3种类型：插入顺序（IS）、转座子（Tn）、某些特殊病毒（如Mu等）。 IS和Tn有两个重要的共同特征：都携带有编码转座酶的基因，是转座必需的；两端都有反向末端重复序列（ITR）。

IS是最简单的转座因子。

Tn比IS大，主要差别是：Tn携带有授予宿主某些遗传特性的基因，主要是抗生素和某些毒物抗性基因。分为两类：一类是转座子两端为顺向或反向重复的IS，药物抗性基因位于中间，IS提供转座功能，连同抗性基因一起转座，称为复合转座子或类型Ⅰ转座子；另一类是两端为短的反向重复序列（IR）在两个IR之间是编码转座功能和药物抗性的基因，称为类型Ⅱ或复杂转座子。

Mu噬菌体是一种以大肠杆菌为宿主的温和噬菌体，以裂解生长和溶源生长交替繁衍自己。其基因组除生长繁殖必需的基因外，还有转座必须的基因，是最大的转座因子。

其两端并不是反向重复序列，而是宿主DNA序列。几乎每一个噬菌体颗粒结合着不同的宿主DNA序列。 五、转座的遗传学效应 1、插入突变

转座因子插入到某一基因中后，此基因的功能丧失，发生突变。 2、产生染色体畸变

处在同一染色体上不同位置的两个拷贝之间可能发生同源重组，这种重组过程可导致DNA的缺失或倒位，即染色体畸变。

3、基因的移动和重排

转座作用可能使原来一些在染色体上相距甚远的基因组合到一起，构建成一个操纵子或表达单元，也可能产生一些具有新的生物学功能的基因和新的蛋白质分子。

第四节基因突变及修复

基因突变：一个基因内部遗传结构或DNA序列的任何改变，包括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。又称为点突变或狭义突变。

广义的突变又称染色体畸变，包括大段染色体的缺失、重复、倒位。 基因突变、基因转移、重组一起推动生物进化的遗传多变性。 一、基因突变的类型及其分类 1、碱基变化与遗传信息的改变 （1）同义突变

指某个碱基的变化没有改变产物氨基酸序列的密码子变化。 （2）错义突变

碱基序列的改变引起了氨基酸的改变。 （3）无义突变

指某个碱基的改变，使代表某种氨基酸的密码子变为蛋白质合成的终止子密码（UAA,UAG,UGA） （4）移码突变

由于DNA序列中发生1~2个核苷酸的缺失或插入，使翻译的阅读框改变，从而导致从改变位置以后的氨基序列的完全变化。 2、表型变化

表型：可观察或可检测到的个体形状或特征，是特定的基因型在一定环境条件下的表现；基因型：贮存在遗传物质中的信息，也就是DNA碱基顺序。 （1）营养缺陷型

是一种缺乏合成其生存所必需的营养物的突变型，只有从周围环境或培养基中获得这些营养或其前体物才能生长。

表示方法。

是一种负选择标记，采用影印平板的方法进行分离：

a． 将待分离突变株的原始菌株以合适的稀释度涂布到野生型菌株和突变株

均能生长的主平板（完全培养基）上，经培养后形成单菌落。 B．通过一消毒的“印章”将主平板的菌落分别原位转移到c平板（完全培养基）和d平板（基本培养基）。

C．经培养后对照c和d平板上形成的单菌落，如果在c平板上生长而在d平板上不生长的，则为所需分离的突变型。

D．在c平板上挑取d平板上不长的相位位置的单菌落，并进一步在完全培养基上划线分离纯化。 （2）抗药性突变型

由于基因突变使菌株对某种药物，特别是抗生素，产生抗性的一种突变株。用来筛选重组子和进行其他遗传学研究的重要正选择标记。

这类突变类型常用所抗药物的前3个小写斜体英文字母加上“r”表示。 （3）条件致死突变型

指在一定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。被用来分离生长繁殖必需的突变基因。

温度敏感型突变，影印平板法筛选。 （4）形态突变型

造成形态改变的突变型，包括影响细胞和菌落形态、颜色以及影响噬菌体形态的突变型，是一类非选择性突变。 二、基因突变的分子基础 1、自发突变 （1）特性

自发突变是不经诱变剂处理而自然发生的突变。特性有： A． 非对应性：突变的发生与环境因子无对应性。

B．稀有性：突变率指每一个细胞在每一世代中发生某一特定突变的频率，也用每单位群体繁殖一代过程中所形成突变体的数目表示。 C．规律性。 D．独立性。

E．遗传和回复性。 F．可诱变性。 （2）分子基础

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