遗传变异 遗传的物质基础

原核生物的质粒
定义：凡游离于原核生物核基因组以外，具有 独立复制能力的小型共价闭合环状的dsDNA分 子，即cccDNA。
大小：相对分子质量为106～108，分子的大小 范围从1kb左右到1000kb。
从细胞中分离的质粒大多是三种构型，即共价 闭合环型(CCC型)、开放环型(OC型)和线型(L 型)。
32P
35Ｓ-Protein 35Ｓ
从上述两组实验可清楚地看出，在噬菌体感染过 程中，其蛋白质外壳未进入宿主细胞。进入宿主 细胞的只有DNA，它有自身的增殖、装配能力，最 终会产生一大群既有DNA核心、又有蛋白质外壳的 完整的子代噬菌体粒。
这就有力地证明，在其DNA中，存在着包括合成蛋 白质外壳在内的整套遗传信息。
变异(variation):指生物体在某种外因或内因 的作用下所引起的遗传物质结构或数量的改 变。
➢特点： a.在群体中以极低的几率出现； b.性状变化幅度大； c.变化后的新性状是稳定的、可遗传的。
饰变（modification）：是指外表的修饰性 改变，指一种不涉及遗传物质结构改变而只 发生在转录、转译水平上的表型变化。
环境条件对微生物作用直接均匀 存在多种方式的繁殖类型 微生物的变异易被识别 参与基因工程的载体供体受体三角色
研究微生物遗传学的意义
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。
遗传与变异的概念
遗传：指的是发生在亲子间即上下代间的关系， 即指上一代生物如何将自身的一整套遗传基因稳 定地传递给下一代的行为或功能。 具有极其稳定(保守)的特性。
1928年Griffith进行了3组实验： （1）动物实验
对小白鼠注射活R菌或死S菌 ————小白鼠存活 对小白鼠注射活S菌————————小白鼠死亡 对小白鼠注射活R菌和热死S菌 ———小白鼠死亡
抽心血 分离
活的S菌
（2）细菌培养实验
热死S菌—平—皿—培养——不生长 活R菌——平皿—培—养 —长出R菌 热死S菌＋活R菌—平皿—培—养 长出大量R菌和10－6S菌
特点： a.几乎整个群体中的每一个个体都发生同样的
变化； b.性状变化的幅度小； c. 不遗传的。
例如，粘质沙雷氏菌在25℃下培养时，会 产生一种深红色的灵杆菌素，把菌落染成 鲜血状。可是，当培养在37℃下时，群体 中所有个体都不产色素。如果重新降温至 25℃，产色素能力又得到恢复。
粘质沙雷氏菌的产色素能力也会因发生突 变而消失，但几率极低，且这种消失是不 可恢复的。
S 型
（二）噬菌体感染实验——证实DNA是噬菌体
的遗传物质基础
A.D.Hershey和M.Chase，1952年
吸附
10分钟后 用捣碎器 使空壳脱离
离心
上清液中含 15%放射性
沉淀中含 85%放射性
沉淀细胞进一步培 养后，可产生大量 完整的子代噬菌体
（1）用含32P-DNA核心的噬菌体作感染
遗传物质在细胞内的存在部位和方式
核酸存在的七个水平
➢细胞水平 ➢细胞核水平 ➢染色体水平 ➢核酸水平 ➢基因水平 ➢密码子水平 ➢核苷酸水平
细胞核水平
核染色体组 （核基因组）
细胞质基因：线粒体、叶绿体等
遗传物质 类型
酵母菌：2μm质粒 真核生物
共生生物：草履虫放毒者品系的卡巴颗粒
核外染色体
原核生物 的质粒
活R菌
①加S菌的DNA ②加S菌的DNA和DNA酶以外的酶 ③加S菌的DNA和DNA酶 ④加S菌的RNA ⑤加S菌的蛋白质 ⑥加S菌的荚膜多糖
长出S菌 只长R菌
只有S型菌株的DNA才能将S.pneumoniae的R型菌株转化为S 型。且DNA纯度越高，转化效率也越高。说明S型转移给R型的 决不是遗传性状的本身，而是以DNA为物质基础的遗传信息。
吸附
10分钟后 用捣碎器 使空壳脱离
离心
上清液中含 75%放射性
沉淀中含 25%放射性
沉淀细胞进一步培 养后，可产生大量 完整的子代噬菌体
（2）用含35S-蛋白质外壳的噬菌体作感染
Label phage T2 w/ 32P or 35Ｓ
32P-DNA
Infect
E coli
w/
labeled
T2
（三）植物病毒的重建实验
为了证明核酸是遗传物质，H. Fraenkel-Conrat （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。
实验中还选用了另一株与TMV近缘的霍氏车前花叶 病毒（HRV）。
植物病毒的重建实验
TMV
HRV
HRV 原始株 拆开
重建
感染烟草
TMV 分离纯化
证明核酸是遗传物质基础的三个经典实验
（一）经典转化实验 （二）噬菌体感染实验 （三）植物病毒的重建实验
（一）经典转化实验：F.Griffith
研究对象：Streptococcus pneumoniae（肺炎链球 菌，旧称肺炎双球菌）
➢ S型菌株：有荚膜，菌落表面光滑，有致病性 ➢ R型菌株：无荚膜，菌落表面粗糙，无致病性
超离心或琼脂糖凝胶电泳
质粒是一种独立存在于细胞内的复制子，如果其 复制行为与核染色体的复制同步，称为严紧型复 制控制。
另一类质粒的复制与核染色体的复制不同步，称 为松弛型复制控制。
功能
➢ 少数质粒可在不同菌株间转移，如F因子或R 因子等。
➢ 某些质粒具有与核染色体发生整合与脱离的功 能，如F因子。
第一节 遗传变异的物质基础
种质连续理论：19世纪末德国学者Weismann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：20世纪初T.H Morgan提出了基因学说， 认为决定生物遗传型的染色体和基因的活性成分是 蛋白质。
DNA是遗传变异的物质基础的证明：1944年以后， 先后利用微生物为实验对象进行了三个著名的实验， 证明了核酸尤其是DNA才是一切生物遗传变异的真 正物质基础。
➢ 质粒还有重组的功能，可在质粒与质粒间、质 粒与染色体间发生基因重组。
典型质粒
F质粒、F因子、致育因子、性因子 R质粒、R因子、抗药性质粒 Col质粒、大肠杆菌素质粒、大肠杆菌素因子 Ti质粒、诱癌质粒、冠瘿质粒 Ri质粒 mega质粒、巨大质粒 降解性质粒
F因子、R因子、Col质粒 Ti质粒 巨大质粒、降解性质粒等
真核生物的细胞核是有核膜包裹、形态固定的真 核，核内的DNA与组蛋白结合在一起形成一种在光 学显微镜下能见的核染色体；
原核生物只有原始的无核膜包裹的呈松散状态存 在的核区，其中的DNA呈环状双链结构，不与任何 蛋白质相结合。
真核生物的细胞核和原核生物的核区都是微生物 遗传信息的最主要负荷者，被称为核基因组、核 染色体组或简称基因组。
遗传型(genotype):又称基因型，指某一生物个体所 含有的全部遗传因子即基因组所携带的遗传信息。 ➢ 是一种内在的可能性或潜力，其实质是遗传物质上 所负载的特定遗传信息。
表型(phenotype):指某一生物体所具有的一切外表 特征和内在特征的总和，是其遗传型在合适环境条件 下通过代谢和发育而得到的具体体现。 ➢ 是一种现实性（具体性状）。
第七章
• 概述 • 第一节 • 第二节 • 第三节 • 第四节
微生物的遗传与变异
微生物遗传的物质基础 微生物的变异现象 微生物发生变异的机制 菌种的衰退、复壮与保藏
微生物是遗传学研究的最好材料和对象 （模式生物）
微生物结构简单 营养体一般都是单倍体 微生物繁殖速度快 易积累不同的中间及最终代谢产物
大肠杆菌基因组为双链环状的DNA分子，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，其上结合有组蛋白样 的蛋白质和少量RNA分子，使其压缩成一种致密结 构。
大肠杆菌基因组全序列测定于1997年完成， 其结构特点如下：
➢ 4100个基因数，4.6Mbp。 ➢ 遗传信息是连续的而不是中断的。 ➢ 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Байду номын сангаас序列少而短。
TMV
HRV
HRV Wild
Separation Mixture
TMV Infection Isolation
上述实验充分证明了在RNA病毒中，遗传的物质 基础就是RNA。
通过这三个具有历史意义的经典实验，得到了 一个确信无疑的共同结论：只有核酸才是负载 遗传信息的真正物质基础。
大肠杆菌的基因组
（3）S型菌的无细胞抽提液试验 活R菌+S菌无细胞抽提液—平—皿培—养长出大量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
能存在一种具有遗传转化能力的物质，它能通过某 种方式进入R型细胞并使R型细菌获得稳定的遗传 性状，转变为S型细菌。
1944年O.T.Avery、C.M.MacLeod和M.McCarty从热死的 S.pneumoniae中提纯了几种可能作为转化因子的成分，并在 离体条件下进行了转化试验： （1）从活的S菌中抽提各种细胞成分（DNA、蛋白质、荚膜多糖等） （2）对各种生化组分进行转化试验