第二章 原核生物基因组 PPT
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原核生物的基因重组(2)_PPT幻灯片
3.微生物基因组结构的特点
3.1 原核生物（细菌、古生菌）基因组 （1）染色体为双链环状的DNA分子（单倍体）；
例外：布氏疏螺旋体(Borrelia burgdorferi)的染色体是线状的
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，该小体称为拟核(nucliod)，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。
2.酵母菌的接合型遗传
单倍体可以是α或a两种接合型的其中之一，一个单倍 体酵母细胞是α型还是a型是由其本身的遗传特性所决定的 ，是一种稳定的遗传特征。
一种接合型的单倍体细胞有时会发生转变，即由α型 变成a型或再回到α型 。
3. 酿酒酵母的有性杂交育种程序： 两亲本菌株的选择
单倍体细胞的分离与验证 单倍体细胞遗传标记的制作
真核生物的基因重组方式主要有以下四种： （1）有性杂交 （2）准性杂交 （3）原生质体融合 （4）转化
一 、有性杂交（sexual hybridization）
1. 定义：不同遗传型两性细胞间发生的接合和 随之进行的染色体重组，进而产生新 遗传型后代的一种育种技术。
凡能产有性孢子的酵母菌、霉菌和蕈（Xun） 菌，原则上都能应用与高等动、植物杂交育种相 似的有性杂交方法进行育种。
外显子（exon）: 真核细胞基因DNA中的编码序列，这些序 列可被转录为RNA并进而翻译为蛋白质。
（4）重复序列多；
4. 基因组测序方法
全基因组鸟枪测序步骤：
• 用超声波将基因组随机打断成相当小的片段进行测序。 • 用专门的计算机程序将已测序的DNA片段通过
• 外圈周边显示的Nat I、Rsr II、Sam I等限制性酶切位点； • 从外数的第二圈显示高G+C含量和高A+T含量的区域； • 第三圈显示由噬菌体克隆所包含的片段； • 第四圈显示rRNA操纵子、tRNA和类似Mu原噬菌体；
原核生物的遗传规律PPT课件
生物材料
某些原核生物可以用于生产生物 材料，如聚合物和纤维，替代传 统的塑料和纤维材料。
生物传感器
某些原核生物可以用于开发生物 传感器，用于检测环境中的有害 物质和食品中的有害微生物。
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原核生物的遗传规律
目 录
• 原核生物的遗传物质 • 原核生物的基因表达 • 原核生物的DNA复制 • 原核生物的突变和重组 • 原核生物的遗传规律的应用
01 原核生物的遗传物质
遗传物质的发现
遗传物质的发现始于19世纪末， 科学家们通过实验观察到遗传性 状可以在亲代和子代之间传递。
20世纪初，科学家们开始深入 研究遗传物质，并提出了遗传因 子的概念，认为遗传因子决定了
突变和重组的意义
生物进化
突变和重组是生物进化的 基础，通过改变基因序列， 产生新的等位基因，为生 物进化提供原材料。
适应性进化
突变和重组有助于生物适 应环境变化，提高生存和 繁殖能力。
遗传性疾病
突变和重组也可能导致遗 传性疾病的发生，如镰状 细胞贫血、囊性纤维化等。
05 原核生物的遗传规律的应 用
基因表达的机制
转录机制
原核生物的转录机制涉及RNA聚 合酶和转录因子的作用，RNA聚 合酶负责启动转录并合成mRNA， 转录因子则参与调节转录效率和
特异性。
翻译机制
原核生物的翻译机制涉及核糖体、 tRNA和氨基酸等成分的作用， 核糖体负责读取mRNA上的密码 子并合成蛋白质，tRNA和氨基 酸则参与蛋白质合成的原料供应。
结构稳定。
DNA复制的调控
01
02
பைடு நூலகம்
03
细胞周期调控
基因组ppt课件
20
阻遏蛋白的负性调节
I CAP RNPA O Z
Pol.
YA
Gene : OFF No mRNA products
没有乳糖存在时
21
I CAP RPPNolA. O Z
Y A RNA
Pol.
Inducer
仅有乳糖存在时
（半乳糖）
阻遏蛋白的负性调节
22
解释
CAP P O Z Y A
泄露表达
23
6
基因组学
分类
结构基因组学：以全基因组核苷酸序列测 定为目标
功能基因组学：根据结构基因组学提供的 信息，借助计算机分析以高通量、大规模 的实验方法，系统地对基因功能进行诠释
7
第一节 基因组
8
不同生物基因组大小
生物 病毒，噬菌体φ-x147
病毒，噬菌体λ 细菌，大肠杆菌 变形虫，无恒变形虫
植物，贝母 真菌，酿酒酵母 昆虫，黑腹果蝇 哺乳动物，人
YA
26
协调调节
e
Inducer
（半乳糖）
27
5.除16S、23S、5SrRNA及tRNA外， 原核生物的结构基因均为单拷贝 基因。
结构基因中没有内含子，RNA合成 后不需剪切加工
28
6.结构基因无重叠现象
重叠基因:基因 组DNA中的某些序 列被两个或两个 以上的基因所共 有
基因组大小（bp） 5378（最早） 5×104 4×106
67×1010（最大） 13×1010 2×107 2×108 3×109
9
一、原核生物基因组
什么是原核生物（prokaryote）？ 细菌、支原体、衣原体、立克次体、螺旋体、
放线菌和蓝绿藻等原始生物的总称，是最简单的细 胞生物体。
阻遏蛋白的负性调节
I CAP RNPA O Z
Pol.
YA
Gene : OFF No mRNA products
没有乳糖存在时
21
I CAP RPPNolA. O Z
Y A RNA
Pol.
Inducer
仅有乳糖存在时
（半乳糖）
阻遏蛋白的负性调节
22
解释
CAP P O Z Y A
泄露表达
23
6
基因组学
分类
结构基因组学：以全基因组核苷酸序列测 定为目标
功能基因组学：根据结构基因组学提供的 信息，借助计算机分析以高通量、大规模 的实验方法，系统地对基因功能进行诠释
7
第一节 基因组
8
不同生物基因组大小
生物 病毒，噬菌体φ-x147
病毒，噬菌体λ 细菌，大肠杆菌 变形虫，无恒变形虫
植物，贝母 真菌，酿酒酵母 昆虫，黑腹果蝇 哺乳动物，人
YA
26
协调调节
e
Inducer
（半乳糖）
27
5.除16S、23S、5SrRNA及tRNA外， 原核生物的结构基因均为单拷贝 基因。
结构基因中没有内含子，RNA合成 后不需剪切加工
28
6.结构基因无重叠现象
重叠基因:基因 组DNA中的某些序 列被两个或两个 以上的基因所共 有
基因组大小（bp） 5378（最早） 5×104 4×106
67×1010（最大） 13×1010 2×107 2×108 3×109
9
一、原核生物基因组
什么是原核生物（prokaryote）？ 细菌、支原体、衣原体、立克次体、螺旋体、
放线菌和蓝绿藻等原始生物的总称，是最简单的细 胞生物体。
原核生物基因组-2013
乳糖操纵子(lac operon)的结构
调控区 DNA 结构基因
P
O
操纵序列
Z
Y
A
Z： β-半乳糖苷酶
启动序列
Y： 透酶
A：乙酰基转移酶
CAP结合位点
原核生物基因组结构与功能的特点
3.除rRNA与tRNA外，原核生 物的结构基因均为单拷贝基因。
原核生物基因组结构与功能的特点
4.编码蛋白质的基因是连续的， 无内含子结构，这是与真核生 物基因组的主要区别。
（一）原核生物转座因子的种类及结 构功能特征
转座因子的分类： 1. 插入序列（insertion sequence, IS） 2. 转座子（transposons）
3.可转移性噬菌体（transposable phages）
插入序列（insertion sequence, IS）
AACA GGAT DR IR TTGT CCTA ATCC AACA
*IR（反向重复序列）： GGAAGGT、、、ACCTTCC
CCTTCCA、、、TGGAAGG
质粒（plasmid） 是一类染色体 外能进行自主 复制的核酸分 子，属染色体 外基因组。
（一）质粒的结构
除酵母的杀伤质粒（killer plasmid） 是RNA外，其余质粒均为共价闭合环 状的双链DNA分子（covalently closed circular，cccDNA）分子。
IS可从插入位点准确切割下来，使失活的基因 功能恢复，此过程称为切离。 有的IS是Tn的组成成分。 两个基因组DNA可通过共同的IS序列介导同源 重组。
转座子（transposons）
Tn是一类较大的可移动成分，除编码有关 转座的基因外，尚含有其它基因，如抗药 基因等。Tn是在研究抗药基因中发现的， 由此得知抗药基因可在质粒之间，质粒与 染色体之间或质粒与可转座的噬菌体之间 来回移动。
基因组的结构特点
可接合质粒如 F 因子(F factor)
2. 转化
通过自动获取或人为地供给外源DNA，使细胞或培养的受体细胞获得新的遗传表型，称 为转化 (transformation)。
例：溶菌时，裂解的DNA片段被另一细菌摄取。
3. 转导
当病毒从被感染的（供体）细胞释放出来、再次感染另一（供体）细胞时，发生在供体细胞与 受体细胞之间的DNA转移及基因重组即为转导作用(transduction)。
原核生物的类核结构
类核（nucleoid) 原核生物基因组DNA位于细胞的中央区，与支架蛋白和RNA结合在一起，以复合体的形式存在，
经高度盘旋聚集形成一个较为致密的区域，称为类核。
2. 广泛存在操纵子结构 指数个功能上相关的基因串联在一起,连同上游的调控区和 下游的转录终止信号，构成 一个基因的表达单位.
第四章 病毒基因组 Viral genome
病毒（virus）的概念
比较原始的、有生命特征的 能够自我复制的 严格细胞内寄生的非细胞生物 是结构最简单、最微小的生命形式
病毒的四种基本结构成份
①病毒基因组 ②衣壳 ③包膜 ④其它内容物：酶、核酸结合蛋白及金属离子等。
病毒基因组的一般特征
3 蛋白质
3 蛋白质
核蛋白体结合位点
起始密码子
终止密码子
目录
3. 原核生物的结构基因.
多数为单拷贝基因
基因是连续的,无内含子
基因组中重复序列很少
编码区在基因组中的比例
>> 真核基因组
<<
病毒基因组
50％
4. 编码序列一般不重叠.
噬菌体ΦΧ174基因组示意图
基因重叠 (gene overlapping)
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➢ 重叠基因:基因 组DNA中的某些序 列被两个或两个 以上的基因所共 有
17
7.具有编码同工酶的不同基因 ➢ 结构不完全相同的基因，但表达产 物功能相同。
如，在大肠杆菌基因组中有两个编码分支酸 变位酶的基因，两个编码乙酰乳酸合成酶的 基因。
18
8.具有可移动的DNA序列
➢ 转座因子：能在基因组中从一个位点移 至另一位点的DNA 序列称为转座因子,又 称可转座元件。
27
28
➢
Col质粒（Col plasm肠杆菌中发现，含编码大肠杆菌素的基因
➢ 大肠杆菌素是由E.coli的某些菌株所分泌的细 菌素，能通过抑制复制、转录、转译或能量代 谢等而专一地杀死其它肠道细菌。
➢ 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。
CAP : catabolite gene activation protein
11
乳糖操纵子的调节机制
➢阻遏蛋白的负性调节 ➢CAP的正性调节 ➢协调调节
12
阻遏蛋白的负性调节
★ 没有乳糖存在 ★ 仅有乳糖存在
13
阻遏蛋白的负性调节
I CAP RNPA O Z
Pol.
YA
Gene : OFF No mRNA products
24
质粒的分类
➢F质粒
功能
➢R质粒 ➢Col质粒
25
➢ F质粒（fertility factor）
又称致育因子或性因子 ➢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，决定性别并有转移功能 ➢一种最有代表性的单拷贝的接合型质粒 ➢62×106D，94.5kb，相当于核染色体DNA2%的环状 双链DNA，其中1/3基因（tra区）与接合作用有关 。
第二章 原核生物基因组
1
原核生物的概念
什么是原核生物（prokaryote）？ 细菌、支原体、衣原体、立克次体、螺旋体、
放线菌和蓝绿藻等原始生物的总称，是最简单的细 胞生物体。
2
※（一）原核生物基因组的特征
1.基因组分子质量较小 6.结构基因无重叠现象
2.环状双链DNA分子 3.具有类核结构
7.具有编码同工酶的 不同基因
可移动型质粒：可被动传递，不 能使细菌接合
传递性质粒：兼有接合和可移动 的双重性质
31
质粒的生物学特性
32
（一）质粒的大小和拷贝数
1.质粒的大小：以分子质量MD或碱基
对数kb表示，1MD的双链DNA=1.65kb。 ➢质粒的大小一般在1-200kb，最大的 可达1400kb(如苜蓿根瘤菌质粒 pRm141a)
9
乳糖
透 性 酶
乳糖
β-半乳糖苷酶
半乳糖 + 葡萄糖
乙酰辅酶A 辅酶A
乙酰基转移酶
乙酰半乳糖
lac Y基因编码
lac Z基因编码 lac A基因编码
10
乳糖操纵子(lac operon)的结构
调控序列
结构基因 终止序列
I CAP RPNoPlA. O Z
YA
Promoter Operator
CAP结合位点
26
➢ R质粒（resistance factor）
又称抗药性质粒或耐药性质粒 ➢具有使宿主菌对链霉素、四环素等抗生素产生抗 药性的基因群 ➢由抗性转移因子（RTF）和抗性决定R因子组成。 ➢RTF，11MD，控制质粒拷贝数及复制，可使耐药 性自一菌转移至另一菌；R因子大小不固定，几MD 到100MD，含抗性基因。
没有乳糖存在时
14
I CAP RPPNolA. O Z
Y A RNA
Pol.
？ Inducer
仅有乳糖存在时
（半乳糖）
阻遏蛋白的负性调节
15
5.除16S、23S、5SrRNA及tRNA外， 原核生物的结构基因均为单拷贝 基因。
结构基因中没有内含子，RNA合成 后不需剪切加工
16
6.结构基因无重叠现象
也发现有线型双链DNA质粒和RNA质粒；
22
质粒与宿主的关系：
； 质粒所含的基因对宿主细胞一般是非必需的
在某些特殊条件下，质粒有时能赋予宿主细胞
， 以特殊的功能 从而使宿主得到生长优势
23
质粒的命名规则
质粒的名称一般由三个英文字母及编号组成， ➢第一个字母一律用小写p表示，质粒，plasmid; ➢后两个字母应大写，可以采用发现者人名、实 验室名称、表型性状或其他特征的英文缩写。 ➢编号为阿拉伯数字，用于区分属于同一类型的 不同质粒，如pUC18和pUC19等。
结构，具有一定的调控作用。
*IR（反向重复序列）： TGCGAT . . . . ACGCTA ACGCTA . . . . TGCGAT
20
※（二）质粒（plasmid）
➢是存在于细菌、真 菌等微生物的细胞中， 独立于染色体外，能 进行自我复制的遗传 因子。
21
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
4.广泛存在操纵子结构 8.具有可移动的DNA序列
5.多为单拷贝
9.非编码区内主要是
一些调控序列
3
1.基因组分子质量较小
➢一般在106~107bp之间 ➢基因数目较少，约3500个
2.环状双链DNA分子 3.具有类核结构
4
大肠杆菌的类核结构模型
松弛DNA环
+RNA
5
4.广泛的操纵子结构
操纵子结构是原核生物基因 组的功能单位，是原核生物基因 组的一个突出的结构特点，其中 结构基因的转录产物为多顺反子
6
操纵子 (operon)
概念： 在原核生物中，多个功能相关的
结构基因成簇串联排列，与上游共同的调 控区和下游转录终止信号组成的基因转录 单位。
7
乳糖操纵子(lac operon)的结构
结构基因
I Z YA
Z： β-半乳糖苷酶
Y： 透性酶
I
A： 乙酰基转移酶
8
大家有疑问的，可以询问和交流
可以互相讨论下，但
29
复制机制
松弛型质粒
（relaxed plasmid）
复制不受到宿主细胞的严格控制， 在整个细胞周期随时可以复制
严紧型质粒
（stringent plasmid）
复制受到宿主细胞的严格控制，只 在细胞周期的一定阶段进行
30
转移方式
接合型质粒：只能使细菌接合， 本身不被传递，含自我复制基 因，接合基因
• 插入序列 （insertion sequence）
2. 转座子（transposons）
3. 可转移性噬菌体 （transposable phages）
美国冷泉港实验室的 19 女科学家B.MClintock
9.非编码区主要是一些调控序列
➢ 编码区所占比例约50%。 ➢ 非编码区常有反向重复序列，可形成特殊
17
7.具有编码同工酶的不同基因 ➢ 结构不完全相同的基因，但表达产 物功能相同。
如，在大肠杆菌基因组中有两个编码分支酸 变位酶的基因，两个编码乙酰乳酸合成酶的 基因。
18
8.具有可移动的DNA序列
➢ 转座因子：能在基因组中从一个位点移 至另一位点的DNA 序列称为转座因子,又 称可转座元件。
27
28
➢
Col质粒（Col plasm肠杆菌中发现，含编码大肠杆菌素的基因
➢ 大肠杆菌素是由E.coli的某些菌株所分泌的细 菌素，能通过抑制复制、转录、转译或能量代 谢等而专一地杀死其它肠道细菌。
➢ 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。
CAP : catabolite gene activation protein
11
乳糖操纵子的调节机制
➢阻遏蛋白的负性调节 ➢CAP的正性调节 ➢协调调节
12
阻遏蛋白的负性调节
★ 没有乳糖存在 ★ 仅有乳糖存在
13
阻遏蛋白的负性调节
I CAP RNPA O Z
Pol.
YA
Gene : OFF No mRNA products
24
质粒的分类
➢F质粒
功能
➢R质粒 ➢Col质粒
25
➢ F质粒（fertility factor）
又称致育因子或性因子 ➢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，决定性别并有转移功能 ➢一种最有代表性的单拷贝的接合型质粒 ➢62×106D，94.5kb，相当于核染色体DNA2%的环状 双链DNA，其中1/3基因（tra区）与接合作用有关 。
第二章 原核生物基因组
1
原核生物的概念
什么是原核生物（prokaryote）？ 细菌、支原体、衣原体、立克次体、螺旋体、
放线菌和蓝绿藻等原始生物的总称，是最简单的细 胞生物体。
2
※（一）原核生物基因组的特征
1.基因组分子质量较小 6.结构基因无重叠现象
2.环状双链DNA分子 3.具有类核结构
7.具有编码同工酶的 不同基因
可移动型质粒：可被动传递，不 能使细菌接合
传递性质粒：兼有接合和可移动 的双重性质
31
质粒的生物学特性
32
（一）质粒的大小和拷贝数
1.质粒的大小：以分子质量MD或碱基
对数kb表示，1MD的双链DNA=1.65kb。 ➢质粒的大小一般在1-200kb，最大的 可达1400kb(如苜蓿根瘤菌质粒 pRm141a)
9
乳糖
透 性 酶
乳糖
β-半乳糖苷酶
半乳糖 + 葡萄糖
乙酰辅酶A 辅酶A
乙酰基转移酶
乙酰半乳糖
lac Y基因编码
lac Z基因编码 lac A基因编码
10
乳糖操纵子(lac operon)的结构
调控序列
结构基因 终止序列
I CAP RPNoPlA. O Z
YA
Promoter Operator
CAP结合位点
26
➢ R质粒（resistance factor）
又称抗药性质粒或耐药性质粒 ➢具有使宿主菌对链霉素、四环素等抗生素产生抗 药性的基因群 ➢由抗性转移因子（RTF）和抗性决定R因子组成。 ➢RTF，11MD，控制质粒拷贝数及复制，可使耐药 性自一菌转移至另一菌；R因子大小不固定，几MD 到100MD，含抗性基因。
没有乳糖存在时
14
I CAP RPPNolA. O Z
Y A RNA
Pol.
？ Inducer
仅有乳糖存在时
（半乳糖）
阻遏蛋白的负性调节
15
5.除16S、23S、5SrRNA及tRNA外， 原核生物的结构基因均为单拷贝 基因。
结构基因中没有内含子，RNA合成 后不需剪切加工
16
6.结构基因无重叠现象
也发现有线型双链DNA质粒和RNA质粒；
22
质粒与宿主的关系：
； 质粒所含的基因对宿主细胞一般是非必需的
在某些特殊条件下，质粒有时能赋予宿主细胞
， 以特殊的功能 从而使宿主得到生长优势
23
质粒的命名规则
质粒的名称一般由三个英文字母及编号组成， ➢第一个字母一律用小写p表示，质粒，plasmid; ➢后两个字母应大写，可以采用发现者人名、实 验室名称、表型性状或其他特征的英文缩写。 ➢编号为阿拉伯数字，用于区分属于同一类型的 不同质粒，如pUC18和pUC19等。
结构，具有一定的调控作用。
*IR（反向重复序列）： TGCGAT . . . . ACGCTA ACGCTA . . . . TGCGAT
20
※（二）质粒（plasmid）
➢是存在于细菌、真 菌等微生物的细胞中， 独立于染色体外，能 进行自我复制的遗传 因子。
21
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
4.广泛存在操纵子结构 8.具有可移动的DNA序列
5.多为单拷贝
9.非编码区内主要是
一些调控序列
3
1.基因组分子质量较小
➢一般在106~107bp之间 ➢基因数目较少，约3500个
2.环状双链DNA分子 3.具有类核结构
4
大肠杆菌的类核结构模型
松弛DNA环
+RNA
5
4.广泛的操纵子结构
操纵子结构是原核生物基因 组的功能单位，是原核生物基因 组的一个突出的结构特点，其中 结构基因的转录产物为多顺反子
6
操纵子 (operon)
概念： 在原核生物中，多个功能相关的
结构基因成簇串联排列，与上游共同的调 控区和下游转录终止信号组成的基因转录 单位。
7
乳糖操纵子(lac operon)的结构
结构基因
I Z YA
Z： β-半乳糖苷酶
Y： 透性酶
I
A： 乙酰基转移酶
8
大家有疑问的，可以询问和交流
可以互相讨论下，但
29
复制机制
松弛型质粒
（relaxed plasmid）
复制不受到宿主细胞的严格控制， 在整个细胞周期随时可以复制
严紧型质粒
（stringent plasmid）
复制受到宿主细胞的严格控制，只 在细胞周期的一定阶段进行
30
转移方式
接合型质粒：只能使细菌接合， 本身不被传递，含自我复制基 因，接合基因
• 插入序列 （insertion sequence）
2. 转座子（transposons）
3. 可转移性噬菌体 （transposable phages）
美国冷泉港实验室的 19 女科学家B.MClintock
9.非编码区主要是一些调控序列
➢ 编码区所占比例约50%。 ➢ 非编码区常有反向重复序列，可形成特殊