微生物的基因突变
基因突变名词解释微生物
基因突变名词解释微生物
基因突变是指生物体的基因序列发生的改变。
它可以是单个碱基对的改变、插入或删除碱基对，或者是更大范围的基因重排或基因片段的引入。
基因突变可以导致基因功能的改变，进而影响生物体的性状和表现。
微生物是一类极小的生物体，包括细菌、真菌、原生动物和病毒等。
它们广泛存在于自然环境中，有些对人类和其他生物有益，有些则会引起疾病。
微生物具有巨大的生物多样性，对环境的生态系统功能和人类健康具有重要影响。
在微生物中，基因突变可以是自然发生的，也可以是人为引起的。
自然突变是在基因复制和传递过程中发生的错误，包括点突变、插入突变和缺失突变等。
人为引起的基因突变则是通过基因编辑技术，如CRISPR-Cas9，有意识地改变微生物的基因序列，以获得特定的性状或功能。
基因突变在微生物中可以导致各种生物学变化。
例如，细菌的抗生素抗性通常是由基因突变引起的，使它们能够抵抗抗生素的作用。
此外，微生物的代谢能力和病原性等特性也可能因基因突变而发生改变。
因此，研究微生物基因突变对于深入理解微生物的生物学特性和开发新的治疗方法具有重要意义。
微生物基因突变的原理
微生物基因突变的原理微生物基因突变是指微生物基因组中发生的遗传信息的突变。
微生物是一类非常小型的生物，包括细菌、真菌、病毒等，它们的基因组也较小，通常只有几千至几百万个碱基对。
微生物基因突变的原理可以从以下几个方面来解释。
一、自然突变自然突变是指微生物基因组中发生的自然突变，其发生并不依赖外界的干预。
自然突变包括点突变、缺失、插入、倒位等多种类型。
自然突变的原因有多种，其中有些是由于DNA复制或修复过程中出现的错误引起的，例如碱基对替换、插入或缺失等；还有些是由于外界环境的影响，如放射线、化学物质等引起DNA 损伤，从而导致基因突变。
二、诱变剂诱发的突变诱变剂是一类可以增加基因突变发生率的物质，包括化学物质和物理因素。
化学诱变剂主要包括化学物质，例如亚硝酸盐、甲基磺酸甲酯等，它们可以直接引起DNA的损伤或改变DNA复制的准确性；物理诱变剂主要包括放射线、紫外线等，它们能够直接或间接地损伤DNA，引起基因突变。
诱变剂的作用机制是通过干扰DNA的复制、修复过程，引起DNA序列的改变，从而导致基因突变的发生。
三、DNA修复过程中的突变DNA修复过程是一种重要的维持基因组稳定性的机制，它能够修复DNA中的损伤，从而保证基因组的完整性。
然而，DNA修复过程本身也容易出错，导致基因突变的发生。
DNA修复过程中的突变主要包括修复过程的错误切除、错误配对等。
例如，在DNA复制过程中，DNA聚合酶可能会选择错误的核苷酸进行配对，从而引起基因突变。
四、转座子的活动转座子是一类能够在基因组中自由移动的DNA序列。
转座子的活动可以导致基因组中DNA序列的插入、删除或重新排列，从而引起基因突变。
转座子的活动是由转座酶催化的，它们能够识别DNA序列，并将其从一个基因位点转移到另一个位点。
转座子的活动是一个不可逆的过程，一旦发生，就无法恢复。
总而言之，微生物基因突变的原理是多方面的。
自然突变、诱变剂诱发的突变、DNA修复过程中的突变以及转座子的活动等都可以引起微生物基因突变的发生。
微生物的遗传与进化机制
微生物的遗传与进化机制微生物是一类极小的生物，包括细菌、真菌、病毒等多样的生物群体。
它们在地球上存在了数亿年，发挥着极其重要的生态功能。
微生物的遗传与进化机制对于理解生命的起源、生命的多样性以及抗药性等现象具有重要的意义。
本文将探讨微生物的遗传与进化机制的主要特点和重要意义。
微生物的遗传机制是指微生物在繁殖过程中遗传物质的传递和改变方式。
微生物的遗传物质主要是DNA（脱氧核糖核酸），其基本单位是核苷酸。
微生物的遗传机制主要包括基因突变、DNA重组和水平基因转移等。
基因突变是指在微生物细胞的DNA序列中发生的突然和持久的改变。
突变可以发生在基因组水平，即整个染色体的结构或数量发生改变，也可以发生在基因水平，即单个基因序列上的改变。
基因突变是微生物进化的重要因素之一，它们可以产生新的基因型和表型，从而使微生物适应环境的变化。
DNA重组是指微生物通过交换DNA片段来形成新的基因组组合的过程。
DNA重组可由多种机制实现，包括同源重组、非同源重组和转座子等。
同源重组是指在互相相同或相似的DNA序列间的重组，它常发生在染色体上的同源染色单体间。
非同源重组则是指发生在DNA序列间相互不同或不相似的重组事件，它常出现在染色体上的非同源染色体或异染色体间。
转座子是一类可在基因组内移动的DNA片段，其能够遗传和转移基因等功能。
水平基因转移（HGT）指的是微生物之间或微生物与宿主之间通过某些机制传递和交换基因。
HGT是微生物进化中的重要机制之一，它使得微生物之间可以共享和获取新的功能基因。
HGT的主要机制包括转化、转导和共轭。
微生物的进化机制是指微生物在长时间的进化过程中逐渐适应环境和产生新的形态和表型的机制。
进化机制主要包括突变、选择、演化和适应等。
突变是微生物进化的重要驱动力之一，突变可以导致新的基因型和表型的出现。
选择是指根据环境的变化对不同基因型和表型产生选择性贿赏，从而使有利的基因型和表型逐渐积累和扩散。
演化是微生物进化的长期过程，它是通过基因和表型的积累和传递来实现的。
第七章微生物的遗传变异和育种2
10-6~10-9
若干细菌某一性状的突变率
菌名
突变性状
突变率
Escherichia coil （大肠杆菌）
抗T1噬菌体
3×10-8
E．coil
抗T3噬菌体
1×10-7
E．coil
不发酵乳糖
1×10-10
E．coil
Staphylococcus aureus（金黄色葡 萄球菌）
S．aureus
抗紫外线 抗青霉素 抗链霉素
间接引起置换的诱变剂：
引起这类变异的诱变剂都是一些碱基类似物，如5-溴尿嘧 啶（5-BU）、5-氨基尿嘧啶（5-AU）、8-氮鸟嘌呤 （8-NG）、2-氨基嘌呤（2-AP）和6-氯嘌呤（6-CP） 等。它们的作用是通过活细胞的代谢活动掺入到DNA 分子中后而引起的，故是间接的。
（2）移码突变（frame-shift mutation 或phase-shift mutation）
（四） 基因突变的自发性和不对应性的证明
一种观点：突变是“定向变异”，是“驯化”，是由环 境因子诱发出来的；
另一种观点；基因突变是自发的，且与环境因素是不对 应的，后者只不过是选择因素；
1、 变量试验（fluctuation test） 又称波动试验或彷徨试 验。
2、涂布试验（Newcombe experiment） 3、平板影印培养试验（replica plating） 1952年，J．Lederberg夫妇
2、定向培育优良品种：指用某一特定因素长期处理某微生 物的群体，同时不断的对它们进行移种传代，以达到积 累并选择相应的自发突变株的目的。由于自发突变 的 频 率较低，变异程度较轻微，所以培育新种的过程十分缓 慢。与诱变育种、杂交育种和基因 工程技术相比，定向 培育法带有“守株待兔”的性质，除某些抗性突变外， 一般要相当长的时间
微生物遗传育种课件,基因突变
3、一个基因的不同突变位点是在这个突变基因座位符号后，按分离先后次序 用数字来表示，如果不知道这些突变属于哪一个基因座位，则用“—”来代替。
如trp A 23,trp —54
4、表型特性同样用3个字母来表示，但第一个字母大写，以便于基因符号清楚 的区别。
第二章 基因突变和诱变育种
第一节 概述： 突变的定义及其分类
一、突变的定义
突变的概念最早是由荷 兰植物学家 H. de. Vries于 1901年提出的。他在自家的 菜地上找到一种野生型的拉 马月见草（Oenothera lamarckiana）这种植物具 有惊人的产生遗传新类型的 性质， de.Vries把这些新
5、细菌对抗生素和phage的抗性突变表示为r，野生型的菌对抗生素和phage均 为敏感型s，写突变体基因型可以写strr或str-r或strB strA，写表型时，Strr。
6、一般用“＋”表示一个座位野生型等位基因，“—”表示突变型等位基因， 一般不写“—”。
7、菌株用简单的序号表示，不同的实验室采用不同的英文字母作字首，菌株 编号不用斜体。一个菌株第一次在论文中出现时，应详细描述其基因型及相关 表型。
7、从基因突变所带来的表型改变来看分为选择性突变和非选择性突变。
选择性突变
营养缺陷型 抗性突变型 条件致死型
突变株 的表型
非选择性突变
形态突变型 抗原突变型 产量突变型
第二节 基因突变的规律
一、不对应性 即突变的性状与引起突变
的原因无直接对应关系。
第二节 基因突变的规律
1. 波动试验(Fluctuation test) 又称变量 试验或彷徨试验
微生物 诱变育种
紫外损伤的光复活作用
DNA损伤的修复
切补修复 切补修复是在内切核酸酶、
外切核酸酶、DNA聚合酶以及 连接酶的协同作用下将嘧啶 二聚体酶切除去，继而重新 合成一段正常的DNA链以填补 酶切所留下的缺口，使损伤 的DNA分子恢复正常的修复方 式。由于整个过程不依赖于 可见光，所以切补修复也称 暗修复。切补修复几乎存在 于所有的微生物中。
也可用长了菌落的平板直接照射。 一般照射剂量4~10万伦琴。
此外还能引起染色体畸变，即因 染色体断裂引起染色体的倒位、 缺损和重组等。但发生了染色体
断裂的细胞常常不稳定。
化学诱变因素
化学诱变剂用量很少，诱变时设
备简单，只要一般实验室的玻璃 器皿就行，所以其应用发展较快。
碱基类似物
碱基类似物是指与DNA结构中的四种碱基 A、T、G、C在化学结构上相似的一类物 质。如5-溴尿嘧啶（BU）和5-溴脱氧尿
紫外损伤的切补修复
紫外线照射的操作方法
在暗室中安装的15瓦紫外线灯管最 好装有稳压装置，以求剂量稳定。
处理时，可将5毫升菌悬液放在直径 5厘米的培养皿中，置磁力搅拌器上， 使培养皿底部离灯管30厘米左右， 培养皿底要放平，处理前应先开灯 20~30分钟预热稳定。照射时启动磁 力搅拌器，以求照射均匀。
诱变育种
第一节基因突变
突变泛指细胞内（或病毒颗粒 内）的遗传物质的分子结构或 数量突然发生的可遗传的变化。
突变往往导致产生新的等位基 因及新的表现型。狭义的突变 专指基因突变，也称点突变， 而广义的突变则包括基因突变 和染色体畸变。
突变的几率一般很低，约为106~10-9。
突变是工业微生物产生变种 的根源，是育种的基础，但 也是菌种发生退化的主要原 因。
微生物遗传育种课件,基因突变
基因突变可以增强微生物对恶劣环境条件或抗生素的耐受性。
基因突变在微生物遗传育种中的应用
产物优化
通过基因突变和筛选，可以优 化微生物产物的产量、质量和 稳定性。
药物开发
基因突变在微生物药物开发中 起到关键作用，提高药物的疗 效和稳定性。
环保应用
通过基因突变培养环境友好型 微生物，可以有效降解污染物 和提高废物利用率。
微生物遗传育种可以使用不同 的基因编辑技术，如CRISPRCas9，精确地修改微生物基因 组。
选择和筛选
遗传变异后，通过选择和筛选 优良的表型，可以获得带有所 需性状的微生物菌株。
基因突变定义与分类
点突变
点突变是指某个基因中发生了单个碱基改变 导致氨基酸序列发生变化。
缺失突变
缺失突变是指基因序列中的一部分碱基被删 除，导致氨基酸序列发生改变或缺失。
插入突变
插入突变是指在域。
倒位突变
倒位突变是指基因序列中的一部分碱基的顺 序被颠倒，导致氨基酸序列发生反向改变。
基因突变对微生物的影响
1 影响生长特性
基因突变可以改变微生物的生长速度、温度适应性和产物合成能力。
2 影响代谢途径
基因突变可以调节微生物的代谢途径，增加产物产量或改变产物种类。
常见的微生物遗传育种方法
自然选择
通过观察和选择微生物菌株的适应性变异来进行育种。
诱变育种
通过使用化学物质或辐射等方式诱发突变来获取所需性状。
重组DNA技术
使用重组DNA技术将外源基因导入微生物菌株中，实现目标基因的表达和功能。
微生物遗传育种的前景和意义
1 创新新材料
微生物遗传育种为开发新材料如生物塑料、生物燃料等提供了广阔的创新空间。
基因突变在微生物研究中的应用
Tn10及mini-Tn10 Tn10为复合性转座子：长 9.3kb；中央区编码四环素 抗性基因；两侧为两个IS10。 转座频率为10-8 IS10两端有反向重复序列，是转座酶识别位点，中间编码转座酶，其中 IS10L中的转座酶无活性。 mini-Tn10：由IS10两端反向重复序列和中间的抗性基因组成，不编码转 座酶，转座需要有其它元件提供转座酶，转座后稳定，不再次发生转座。
资料仅供参考,不当之处，请联系改正。
基因突变可引入生化阻断，利于阐明物质代谢途径
许多细菌的代谢途径是通过筛选突变菌株阐明的
基因突变是研究基因表达调控的主要手段之一
典型的例子就是大肠杆菌乳糖操纵子的发现和阐明
资料仅供参考,不当之处，请联系改正。
酶的体内功能需要用突变菌株来鉴定
大肠杆菌DNA复制中有三种DNA聚合酶：I，II和III。体外检测发现
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设计高效的筛选方案
根据研究目的设计筛选方案。
化学诱变剂诱变的简便方法
在平板涂布初发菌株； 将诱变剂颗粒或沾有诱变剂 溶液的滤纸片放在平板中 央； 适合温度，保温培养一定 时间； 收集抑菌圈周围的菌体； 筛选目的突变株。
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采用转座子获得基因突变
总之，基因的功能研究离不开对突变菌株的研究，同突变菌 株的研究也同样需要体外酶学分析。
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基因突变可用于蛋白质与蛋白质的相互作用
有两个基因a，b，分别编 码：A蛋白与B蛋白。 基因a突变造成细胞丧失某 一功能。 如果A和B是完成这一功能 所必须的，也就是说如果A 和B之间存在相互作用，那 么就有可能在a基因的突变 体中筛选到b基因的突变， 并由于这一突变的出现，使 菌体恢复某一功能。 通过研究两者的突变位点，了解这两种蛋白的相互作用机制。
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五）诱变和致癌作用
1. 诱变剂的作用： Mutagenesis and carcinogenesis 2. 诱变剂的检测： Ames test 通过鼠伤寒沙门氏菌（Salmonella typhimurium）
组氨酸缺陷型（his -）的回复突变来确定
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Ames test
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二. 物理诱变剂 非离子辐射：如紫外线
插入碱基 缺失碱基
新合成链环出
亲本链环出
增加碱基
减少碱基
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移码突变产生的效应： 编码区 改变蛋白的阅读框 非编码区 改变蛋白的数量
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二. 碱基的脱嘌呤或脱氨基作用
脱嘌呤：空位随机插入碱基，引起突变。 脱氨基：如5mC → T
5mC : G T:A
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突变数 10 20 30 40
突变热点
50 100 150 200 250
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第五节 DNA损伤的修复
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光复活修复 错配修复 无碱基修复 核苷酸和碱基切除修复 复制后修复
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一. 光复活修复（photoreactivation）
经紫外线照射后的微生物若立即暴露于可见光下时， 可明显降低其死亡率。
光复活修复：
光解酶 可见光 打开T=T，恢复单体
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二. 错配修复（ mismatch repair ）
6
第二节 突变体的类型和分离方法
7
一. 突变体的类型
1. 形态结构突变体 2. 生理生化突变体 3. 抗性突变体 4. 其他突变体
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二. 突变体的分离和检测方法
1. 筛选（screen） 2. 选择（selection） 3. 富集（enrichment） （反选择）
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灭菌丝绒 覆盖的圆盘
主平板
变异（variation）：由基因控制的、对环境具有适 应性的表型差异。
突变体（mutant）：携带某一突变基因，并表现出 相应表型的细胞或个体及其后代。
4
二. 基因突变的特点
1. 随机性 2. 稀有性 3. 可逆性 4. 可诱发性 5. 有突变热点
5
三. 研究基因突变的意义
认识基因的存在和功能 研究复制、表达、基因表达调控 生物育种
影印平板筛选技术
影印平板 （完全培养基）
Lys-
有菌落
无菌落
使用某种诱变 剂处理的细胞
影印平板 （无赖氨酸培养基）
10
抗性选择技术
含药物的培养基
11
第三节 自发突变的分子机制
12
Байду номын сангаас
• DNA复制错误 • 碱基的脱嘌呤或脱氨基作用 • 转座因子 • 重组错误
突变
点突变
碱基置换（转换 颠换） 移码突变（缺失 插入）
染色体畸变：缺失、重复、倒位、易位
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一. DNA复制错误
一）碱基互变异构体导致碱基置换 酮式→烯醇式，氨基式→亚氨基式
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碱基置换产生的效应： 沉默突变 UAC→ UAU （Try ） 无义突变 UAC→ UAG 错义突变 UAC→ AAC （Try → Asn）
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二） DNA环出或跳格导致移码突变
基因型
蛋白质相互作用
表型
A+B+
野生型
A-B+
突变型
A- B-
互作抑制突变
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第四节 诱发突变的分子机制
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诱变剂（mutagen）
化学～ 物理～ 生物～
29
一. 化学诱变剂 一）碱基类似物 如5-BrU，类似T
5-BrU : A 5-BrU : G 结果：在复制中引入突变，AT→ GC 原因：通过酮式和烯纯式转变而诱发突变
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五. 突变的回复和抑制
同位回复突变
回复突变
基因内抑制
异位回复突变
（抑制突变） 基因间抑制
置换抑制 移码抑制
信息抑制 互作抑制
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一）基因内抑制 1. 置换抑制
第一位置突变导致一氨基酸替换 第二位置突变改变另一氨基酸，回复了蛋白质的构
像、稳定性和活性 如 色氨酸合成酶TyrA蛋白
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210位突变
第十章 微生物的基因突变 （Microbial Mutation）
1
内容
• 突变的概念 • 突变的类型和分离方法* • 自发突变的分子机制*＃ • 诱发突变的分子机制*＃ • DNA损伤的修复#
2
第一节 突变的概念
3
一. 突变和变异
突变（mutation）：可以通过复制而遗传的DNA结 构的任何改变。
174位突变
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2. 移码抑制 在移码突变的附近增加（删除）碱基， 恢复蛋白质阅读框
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二）基因间抑制 1. 信息抑制
由于翻译信息的改变，而 将正常氨基酸插入到突 变位置，恢复蛋白功能 如 tRNA基因突变
tRNATry
GUA
3’-GAU-5’ 3’-CAU-5’ mRNA
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2. 互作抑制
多亚基蛋白质的活性取决于：各亚基的一级结构； 各亚基之间相互作用形成的高级结构
30
31
二）碱基修饰剂
烷化剂：如甲基磺酸乙酯 脱氨基诱变剂：如亚硝酸 其他：如羟胺 修饰碱基，强力诱变剂 在复制中和静止中都可引入突变
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三）插入诱变剂
吖啶橙类： 溴化乙锭：
片状分子，插入到两碱基对之间，引起移码 突变
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四）体外定点诱变 （in vitro site-specific mutagenesis ） Oligonucleotide mismatch mutagenesis
辐射 离子辐射：如X-射线， -射线
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紫外线诱变： 碱基吸收峰 260nm 1. 相邻的T交联，形成T=T
2. DNA聚合酶不能识别T=T，将导致错误碱 基的插入而引起突变
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三. 生物诱变剂 参与诱变的生物大分子
DNA分子：转座因子、病毒DNA等 DNA重组酶 修饰酶
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转座因子诱变： 如转座子 Tn5和Tn10 转座子标签技术（transposon tagging） 1）诱变，初筛突变体 2）分离不同表型的突变体 3）分离插入突变的基因
在DNA复制后清除错配碱基，受甲基化调控 1. 甲基化酶（亲代链GATC甲基化） 2. mutH、mutL、mutS （未甲基化链上的错配碱基，
切开一缺口） 3. 外切核酸酶（切除） 4. DNA聚合酶 5. 连接酶
45
错配修复
46
三. 无碱基修复（ AP repair ） 作用于DNA链上失去碱基的位置 AP内切核酸酶（切除糖基） 其他酶
与某一基因的核苷酸序列有关 基因上的距离
如5mC含量较多
5mC : G
脱氨基
300 bp
T:A
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三. 转座因子
转座导致基因改变
Tn 插入
gene
基因序列被破坏
mRNA
活性肽 无活性的肽
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四. RNA基因组的突变
许多病毒：RNA基因组 突变速率是DNA基因组的1000倍以上 除RNA复制酶的校正外，无过多修复机制