第九章微生物的遗传与变异

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❖ 大小:2~100×106Da,含有数个到数十个甚至上百个基因。 ❖ 性质:质粒是一种复制子,分为严紧型和松弛型,严紧型
质粒的复制受细胞核控制,一般一个寄主细胞内有2~3个; 松弛型质粒的复制不受细胞核控制,在细胞内的数量可以达 到10-15个
❖ 功能:进行细胞间接合并带有一些基因,如产生毒素、抗
原核生物中的转座子类型 转座的遗传效应
插入(IS)序列
转座子(Tn)
特殊病毒(Mu噬 菌体)
插入序列(IS,insertion sequence)
分子量最小(仅0.7~1.4kb),只有引起转座的转座酶基 因而不含其它基因,具有反向末端重复序列。已在染色 体、F因子等质粒上发现IS序列。E . coli的F因子和核染 色体组上有一些相同的IS,通过这些同源序列间的重组, 就可使 F因子插入到E . coli的核染色体组上,形成Hfr菌 株。因IS在染色体组上插入的位置和方向的不同,其引 起的突变效应也不同。IS被切离时引起的突变可以回复, 如果因切离部位有误而带走IS以外的一部分DNA序列, 就会在插入部位造成缺失,从而发生新的突变。
存在于肠细菌属、假单胞菌属、嗜血杆菌、奈瑟 氏球菌、链球菌等细菌中,决定性别。
2.巨大质粒(mega质粒)
为近年来在Rhizobium(根瘤菌属)中发现的一种 质粒,分子量为200~300×106Dalton,比一般质 粒大几十倍到几百倍,故称巨大质粒,其上有一 系列固氮基因。
❖3.Ti(毒性)质粒(tumoe inducing plasmid)
7.隐秘质粒
不显示任何表型效应,只能通过物理的方法检 测的质粒。如酵母菌的2um质粒。
40年代B. McClintock对玉米的遗传研究而发现 染色体易位,打破了基因是固定在染色体DNA 上的一些不可移动的核苷酸片段的说法。有些 DNA片段不但可在染色体上移动,而且还可从 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,甚至还可从一个细胞 转移到另一个细胞。在这些DNA顺序的跳跃过 程中,往往导致DNA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
负责信息传递功能的结构(复制、转录和翻译)类似于 真核生物,如启动子结构、复制起始因子、RNA聚合酶、 翻译延伸因子等
第三节 质粒和转座子
原核生物的质粒
❖ 定义:是一类小型共价闭合环状核外DNA,能独立于细胞
核进行自主复制。可以通过交换掺入细胞核成为附加体;可 以从寄主细胞中消除。 近年来也发现了线性双链DNA质粒和RNA质粒
药性、降解功能等。
❖ 重组:在质粒之间、质粒与染色体之间菌可发生。
原核生物的质粒
❖ 存在范围:很多细菌如E.coli、Shigella、S.aureus、 Streptococcus lactis Agrobacterium tumefaciens et al
❖ 制备:包括增殖、裂解细胞、分离质粒与染色体 和蛋白质等成分、去除RNA和蛋白质等步骤。
(1)RNA(TMV) 蛋白质(HRV) (2)RNA(HRV) 蛋白质(TMV)
❖ 用两种杂合病毒感染寄主:
(1)表现TMV的典型症状病分离到正常TMV粒子 (2)表现HRV的典型症状病分离到正常HRV粒子。
❖ 上述结果说明,在RNA病毒中,遗传的物质基 础也是核酸。
元病毒的发现和思考
元病毒含有微量的核酸,仍未发现? 元病毒仅由蛋白质构成 元病毒的遗传物质为蛋白质?
❖ 鉴定:电镜观察、电泳、密度梯度离心、限制性 酶切图谱等方法
几种代表性质粒:
1.F-因子(fertility factor)
致育因子/性因子,62×106Dalton,94.5kb,相当 于核染色体DNA2%的环状双链DNA,足以编码 94个中等大小多肽,其中1/3基因(tra区)与接合 作用有关。
真核生物(啤酒酵母)的基因组
DNA与组蛋白构成染色体
有间隔子或内含子序列 没有明显的操纵子结构 含有一定数量的重复序列(低度、中度和高度重复)
遗传丰余:较高同源性的DNA重复序列
古细菌(詹氏甲烷球菌)的基因组
古细菌的基因组结构类似于细菌,即在环形DNA分子上 功能相关的基因组成操纵子结构,无内含子序列。
❖将TMV在一定浓度的苯酚溶液中振荡,就 能将其蛋白质外壳与RNA核心相分离。分 离后的RNA在没有蛋白质包裹的情况下, 也能感染烟草并使其患典型症状,而且在 病斑中还能分离出正常病毒粒子。
❖ 选用TMV和霍氏车前花叶病毒(HRV),分别 拆分取得各自的RNA和蛋白质,将两种RNA分 别与对方的蛋白质外壳重建形成两种杂合病毒:
转座子(Tn,transposon)
转座子又称转位子或易位子分子量居中(一般为 2~25kb)。除了与转座作用有关的基因外,还含有抗性 基因(对抗生素、某些毒物)、乳糖发酵基因等几个至 十几个基因。从结构来看, Tn 有两种类型,即末端为 反向或顺向重复的IS,或末端为反向重复的序列。Tn虽 能插到受体DNA分子的许多位点上,但并不完全是随机 的,某些区域更易插入。
研究微生物遗传的意义
微生物的独特生物学特性:
(1) 个体的体制极其简单; (2) 营养体一般都是单倍体; (3) 易于在成分简单的组合培养基上大量生长繁殖; (4) 繁殖速度快; (5) 易于积累不同的中间代谢产物或终产物; (6) 菌落形态特征的可见性和多样性; (7) 环境条件对微生物群体中各个个体作用的直接性
❖①加S菌DNA
长出S菌
活R菌
❖②加S菌DNA及DNA酶以 外的酶
❖③加S菌的DNA和DNA酶 ❖④加S菌的RNA
只有R菌
❖⑤加S菌的蛋白质
❖⑥加S菌的荚膜多糖
只有S型细菌的DNA才能将S. Pneumoniae的R型转
化为S型。且DNA纯度越高,转化效率也越高。说
明S型菌株转移给R型菌株的,是遗传因子。
和均一性; (8) 易于形成营养缺陷型; (9) 各种微生物一般都有相应的病毒; (10) 存在多种处于进化过程中的原始有性生殖方式;
研究微生物遗传学的意义
❖ 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。
❖ 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,而且为育 种工作提供了丰富的理论基础,促使育种工作 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发展。
R-因子在细胞内的copy数可从1~2个到几十个,分 为严紧型和松弛型两种,经氯霉素处理后,松弛型 质粒可达2000~3000个/细胞。
❖ 6.降解性(代谢)质粒
如假单胞菌属中发现。它们的降解性 质粒可为一系列能降解复杂物质的酶 编码,从而能利用一般细菌所难以分 解的物质做碳源。这些质粒以其所分 解的底物命名,例如有分解CAM (樟脑)质粒,XYL(二甲苯)质 粒,SAL(水杨酸)质粒,MDL (扁桃酸)质粒,,NAP(奈)质粒 和TOL(甲苯)质粒等。
最初发现于痢疾志贺氏菌(Shigella dysenteriae), 后来发现还存在于Salmonella、Vibrio、Bacillus、 Pseudomonas和Staphylococcus中。
R因子由相连的两个DNA片段组成,即抗性转移因 子(resistence transfor factor, RTF )和抗性决定因 子(r-determinant),RTF控制质粒copy数及复制, 抗性决定因子带有抗生素或重金属的抗性基因。
致突变的发生。这似乎就是自然界所固有的
“基因工程”。目前已把在染色体组中或染色 体组间能改变自身位置的一段DNA顺序称为转 座因子(transposible element),也称作跳跃基 因(jumping gene)或可移动基因(movable
转座因子
定义:可在DNA链上改变自身位置的一段DNA序列。
即诱癌质粒。长200kb,是一种大型质粒。
存在于根癌土壤杆菌(Agrobacterium tumefaciens) 中。赋予宿主引起许多双子叶植物的根癌的特性。
当带有Ti质粒的细菌侵入植物细胞中后,在其细胞中 溶解,把细菌的DNA释放至植物细胞中。含有复制 子的Ti质粒的小片段与植物细胞中的核染色体发生整 合,破坏控制细胞分裂的激素调节系统,从而使它 转变成癌细胞。
第二节 微生物的基因组结构
基因组:细胞中基因以及非基因的DNA序 列的总称,包括结构基因、调控序列以及 目前功能未知的DNA序列。
微生物的基因组一般较小,见P137
原核生物(大肠杆菌)的基因组
紧密缠绕的环状双链DNA分子 遗传信息的连续性 功能相关的结构基因组成操纵子结构 结构基因的单拷贝及rRNA基因的多拷贝 基因组的重复序列少而短
(3)S型菌的无细胞抽提液试验 活R菌+S菌无细胞抽提液————长出大量R菌和少量 S菌
以上实验说明:加热杀死的S型细菌细胞内可能存在 一种转化物质,它能通过某种方式进入R型细胞并 使R型细胞获得稳定的遗传性状
1944年O.T.Avery、C.M.MacLeod和M。McCarty从 热死S型S. pneumoniae中提纯了可能作为转化因子 的各种成分,在离体条件下进行了转化试验:
凡带Col因子的菌株,由于质粒本身编码一种免疫蛋 白,从而对大肠杆菌素有免疫作用,不受其伤害。
有些G+细菌也产生细菌素,如用于食品保藏的Nisin ColE1研究得很多,并被广泛地用于重组DNA 的研究
和用于体外复制系统上。
❖ 5.R(抗生素抗性和重金属抗性)因子 (resistence factor)
成分是蛋白质。
❖Hale Waihona Puke BaiduDNA是遗传变异的物质基础的证明:1944年以后,利
用微生物为实验对象进行的三个著名实验(肺炎球菌的转化 试验、噬菌体感染试验、病毒的拆开与重建试验)
一、三个经典实验
❖ (一)经典转化实验(transformation):F.Griffith, ❖研究对象:Streptococcus pneumoniae(肺炎双球菌) ❖ S型菌株:有致病性,菌落表面光滑,有荚膜 ❖ R型菌株:无致病性,菌落表面粗糙,无荚膜
Ti质粒已成为植物遗传工程研究中的重要载体。一些 具有重要形状的外源基因可借DNA重组技术设法插 入到Ti质粒中,并进一步使之整合到植物染色体上, 以改变该植物的遗传性,达到培育植物优良品种的 目的。
4.Col因子(colicinogenic factor)
产大肠杆菌素因子。大肠杆菌素是一种由E.coli的某 些菌株所分泌的细菌蛋白,具有通过抑制复制、转录、 转译或能量代谢等而专一地杀死不含Col因子的近缘 的其它肠道细菌。
(二)噬菌体感染实验
A. D. Hershey和M. Chase, 1952年
(1)含32P-DNA的一组:放射性85%在沉淀中 (2)含35S-蛋白质的一组:放射性75%在上清液中 所以,进入细胞的是噬菌体的核酸而不是蛋白质。
(三)植物病毒的重建实验
❖为了证明核酸是遗传物质,H. FraenkelConrat(1956)用含RNA的烟草花叶病毒 (TMV)进行了著名的植物病毒重建实验。
第一节 遗传变异的物质基础
❖ 种质连续理论:1883~1889年间Weissmann提出。认为遗
传物质是一种具有特定分子结构的化合物。
❖ 基因学说:二十世纪初发现了染色体并提出基因学说,使 得遗传物质基础的范围缩小到染色体上。
染色体由核酸和蛋白质两种长链高分子组成。20多种氨基酸 经过不同排列组合,可以演变出的蛋白质数目几乎可以达到 一个天文数字,而核酸的组成却简单得多,一般仅由4种不 同的核苷酸组成,它们通过排列组合只能产生较少种类的核 酸,因此当时认为决定生物遗传型的染色体和基因,起活性
1928年,Griffith进行了以下几组实验: (1)动物实验
对小鼠注射活R菌或死S菌 ————小鼠存活 对小鼠注射活S菌————————小鼠死亡 对小鼠注射活R菌和热死S菌 ———小鼠死亡
抽取心血分离活的S菌
(2)细菌培养实验 热死S菌—————不生长 活R 菌—————长出R菌 热死S菌+活R 菌—————长出大量R菌和10-6S菌
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