第八章 微生物遗传

③规律性：特定微生物的某一特定性状的突变率具有一定的规
律性，例如大肠杆菌总是以 3×10-8的频率产生抗噬菌体T1 的突变，以1×10-9的频率产生抗链霉素突变
④独立性：引起各种性状改变的基因突变彼此是独立的
⑤遗传和回复性：突变是遗传物质结构的改变，因此是可 以稳定遗传的。但同样的原因也可以导致突变的回复， 使表型回复到野生型状态。
在复制型转座过程中，转座子被复制，一个拷贝仍保留在 原来的位置上，另一个拷贝则插入到新的位点上，这种类型 的转座伴随着转座子拷贝数的增加。 另外，在转座过程中有共整合体的出现。同时，复制型转 座涉及到两种类型的酶：一种是转座酶，它作用于原位点的 转座因子的两端序列；另一种是解离酶（resolvase），它 作用于复制拷贝的拆分。
型菌株(his-)的回复突变性能来进行的。
如果回复突变率因某种化学诱变剂(或待测物)的作用而增加，那么这种化
学药物可判断为具有致癌性。
回复突变(reverse mutation或back mutation)：突变体失去的野生型性状，
可以通过第二次突变得到恢复，这种第二次突变称为回复突变。
微生物育种的意义
2 诱发突变
诱变剂使突变率提高到自发突变水平以上
常用的诱变剂
(1)碱基类似物(Base analog) 比正常碱基产生异构体的频率高，因此出现碱基错配的机率也高，从而提 高突变频率。 (2)插入染料(intercalating dye) 溴化乙锭和吖啶橙是这类诱变剂的代表。增加DNA插入和缺失的机率，导 致突变率的增加。
的噬菌斑形态的突变型
基因突变的分子基础
1.自发突变 不经诱变剂处理而自然发生的突变称自发突变。
具有如下特性：
①非对应性：突变的发生与环境因子无对应性。即抗药性突变 并非由于接触了药物所引起。 ②稀有性：自发突变的频率(突变率)很低，一般在10-6～10-9。 突变率：每一个细胞在每一世代中发生某一特定突变的机率。
保守型转座（conservative transposition）： 为非复制型转座。在转座过程中也有交叉结构的出 现，但不形成共整合体。在转座过程中，转座酶对转 座子两端及靶位点进行交错切割，然后供体和靶链在 切口处连接，从而产生一种交叉结构。接着，转座酶 通过交错切割，将转座子从供体分子上切割下来。反 应的结果为转座子被插入到受体的靶位点DNA中，并 且其两侧为由原来的单链切口所产生的重复序列。
(3)无义突变(nonsense mutation)
碱基的改变，使代表某种氨基酸的密码子变为终止密码子 (UAA，UAG，UGA)。
(4)移码突变(frameshift mutation)
由于DNA序列中发生1-2个核苷酸的缺失或插入，使翻译的 阅读框发生改变，从而导致从改变位置以后的氨基序列的完 全变化。
⑥可诱变性：通过理化因子等诱变剂的诱变作用可提高自
发突变的频率，但不改变突变的本质。
突变的分子基础
自发突变的原因很多，主要是由碱基的互变异构体引起。 DNA的插入、缺失、转座因子插入基因组
腺嘌呤上的氨基两种存在形式：氨基和亚氨基
A-T A-C
胸腺嘧啶也有酮式和烯醇式 转换：嘌呤到嘌呤或嘧啶到嘧啶的碱基置换。 颠换：嘌呤到嘧啶或嘧啶到嘌呤的变化。
13.5×106bp，分布在16个不连续的染色体中(表8-2)。
基因组特点 DNA与组蛋白结合形成染色质 无明显的操纵子结构，有内含子序列 高度重复性 如tRNA至少为4个重复
基因组上存在很多同源性高的重复序列，是一种进化的表现
真核生物的染色体结构
ห้องสมุดไป่ตู้
真核生物细胞中的DNA中只有不到5％的DNA用于所需蛋白质的基因表达，其 余的DNA起“结构”作用或“调节”作用。 DNA被紧密地包装在多条染色体中，每条染色体中含有一个线状DNA分子，它 以左手螺旋方向围着一个个组蛋白八聚体绕圈1.8周，形成串珠状的染色质，被 串在一起的小颗粒称为核小体，染色质进一步卷曲形成每圈6个核小体、直径30 nm的染色质丝，它折叠成许多超螺旋环附着在中央骨架上。
1, 转座子和靶DNA在 转座酶作用下产生缺 口，分别形成两个游 离末端，以a-h表示
2, a与f、g与d连接，剩 下b、c、e、h游离端
3, 以转座子的 两个游离端（b 和c）为引物进 行DNA复制 （复制区放大）
4, 复制完成并形成两 个转座子的共整合体
5、6, 两个转座子通过自身携带的res位点 产生重组，形成两个独立的复制子，每个 复制子上都含有一个拷贝的转座子。
转座引起的遗传学效应
1）插入突变
抗生素抗性的丧失，基因功能丧失
2）产生染色体畸变
转座子之间发生遗传重组
3）基因的移动和重排 生物进化的动力之一
第3节 基因突变和修复
基因突变是重要的生物学现象，它是一切生物变 化的根源，连同基因转移、重组一起提供了推 动生物进化的遗传多变性。 基因突变 狭义和广义之分 狭义突变（点突变）
From BIOLOGY by Jack C Carey et al., eds
染色体以外的遗传因子
质粒：独立于染色体以外，能进行自我复制的遗传 因子。
转座因子
位于染色体或质粒上的一段可以改变自身位置的 DNA序列。
质粒
质粒常为环状的双链DNA分子，有三种存在 形式：CCC，OC，L。一般存在于细菌、真 菌等微生物细胞中。 质粒的主要类型：
1）致育因子 F质粒，与大肠杆菌的有性生殖现象有关
有F质粒 F+菌株 ；无F质粒 F-菌株 高频重组菌株 F质粒基因整合到宿主染色体上的菌株 F’因子：携带不同的宿主基因的F因子。
质粒的主要类型： 2）抗性因子 包括抗药性和抗重金属二大类，简称R质粒 R1质粒可使宿主对下列五种药物具有抗性：氯霉素、 链霉素、磺胺、氨苄青霉素和卡那霉素。 一些R质粒还可抗砷(As3+) 、汞(Hg2+)、镍(Ni2+)、 钴(Co2+)、银(Ag+)、镉(Cd2+) 3）Col质粒
6）隐秘质粒
不显示任何表型效应，只有通过物理的方法，例如用凝胶电泳 检测细胞抽提液等方法才能发现。
（inverted terminal repeat, ITR），
复制型转座（replicative transpositon）：是指在转座 过程中供体分子上的转座子首先被转座酶在其两端交错切开， 使转座子DNA链两端都带有游离的3’-OH末端，同时也对靶 位点的两条链进行交错切割。 然后转座子DNA上的3’-OH分别与靶DNA链上的5’-磷酸基团 连接而产生一种交叉结构，其交错末端都含有单链区，该单 链区为DNA的合成提供了模板，称为假复制叉 （pseudoreplication fork）。 如果复制从两个单链区继续进行，则形成两个拷贝的转座子。 此时，供体和受体形成的结构称为共整合体（cointegate）， 即两个或两个以上的复制子通过共价键连接在一起。
(a)大肠杆菌细胞大小和染色体 DNA长度的比较 (b)细菌细胞中的拟核 (c)大肠杆菌染色体结构电镜图。
大肠杆菌基因组结构特点
遗传信息的连续性
4288基因，4.7×106 bp, 大部分原核生物无内含子
功能相关的结构基因组成操纵子结构
大肠杆菌总共有2584个操纵子，与原核基因表达多采用转
(3)直接与DNA碱基起化学反应的诱变剂
最常见的有亚硝酸、羟胺和烷化剂。 (4)辐射和热 x射线、紫外线等
(5)生物诱变因子 转座因子
Ames试验
许多化学诱变剂能够引起动物和人的癌症，因此利用细菌突变来检测环境
中存在的致癌物质是一种简便、快速、灵敏的方法。 Ames试验
该试验是利用鼠伤寒沙门氏菌(Salmonella typhmurium)的组氨酸营养缺陷
紫外线诱变的操作步骤
2) 5-溴尿嘧啶(5BU)
配置5BU溶液，使浓度为2mg/ml-----取对数期细胞重悬 浮于缓冲液或生理盐水中过夜---将5BU加入培养基内，终浓度 10～20μg/ml，混匀后倒平板，涂布菌液，使其在生长过程中 诱变，然后挑单菌落进行测定。 其它化学诱变剂的处理方式大体相同，但在浓度、时间、缓 冲液等方面随不同的诱变剂有所不同，可参阅有关的实验手册 和资料。
微生物育种的方法
诱变育种
体内基因重组育种
DNA Shuffling技术
诱变育种
利用各种诱变剂处理微生物细胞，提高基因的随机突 变频率，通过一定的筛选方法(或特定的筛子)获得所需要 的高产优质菌株。 1.常用诱变剂的使用方法 1）紫外线 在诱变处理前，先开紫外灯预热20分钟，使光波稳定。 然后，将3～5ml细胞悬浮液置6cm培养皿中，置于诱变 箱内的电磁搅拌器上，照射3～5分钟进行表面杀菌。打 开培养皿盖，开启电磁搅拌器，边照射边搅拌。处理一 定时间后，在红光灯下，吸取一定量菌液经稀释后，取 0.2 ml涂平板，或经暗培养一段时间后再涂平板。
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
广义突变（染色体畸变） 大段染色体的缺失、重复、倒位。
一、基因突变的类型及其分离
1.碱基变化与遗传信息的改变 (1)同义突变(same-sense mutation) 碱基的变化没有改变产物氨基酸序列。GGG---GGA (2)错义突变(mis-sense mutation) 碱基序列的改变引起了产物氨基酸的改变。AGA-GGA Arg-Gly Gly
第二节 微生物的基因组结构
基因组DNA
是指细胞或病毒中所有的基因。 基因组：细胞或病毒中所有基因及非基因序列的 总称。 微生物，其基因组一 般都比较小，最小的大肠杆 菌噬菌体MS2只有3000bp，含3个基因。 微生物基因组具有多样性的特点。
大肠杆菌的基因组
双链环状的DNA分子，紧密缠绕成的较致密 的不规则小体形式存在于拟核(nucliod)， 结合 有类组蛋白蛋白质和少量RNA分子，使其压缩 成一种脚手架形的(scaffold)致密结构。
一、基因突变的类型及其分离 2.表型变化
1）营养缺陷型(auxotroph)
缺乏合成其生存所必须的营养物的突变型，只有从
周围环境或培养基中获得这些营养或其前体物
(precursor)才能生长。hisC、lacZ分别代表组氨酸缺
陷型和乳糖发酵缺陷型
一、基因突变的类型及其分离
2.表型变化 (2) 抗药性突变型(resistant mutant) 基因突变使菌株对某种或某几种药物，特别是抗生素，产生抗性的一种 突变，普遍存在于各类细菌中，也是用来筛选重组子和进行其它遗传学研
编码大肠菌素的基因，大肠菌素是一种细菌蛋白，只杀死近
缘且不含Col质粒的菌株，而宿主不受其产生的细菌素的影 响。
质粒的主要类型：
4）毒性质粒
致病菌的致病性是由其所携带的质粒引起的，这些
质粒具有编码毒素的基因。人类和动物腹泻
5）代谢质粒 降解质粒，携带有能降解某些基质的酶的基因。可降 解有机化合物作为碳源和能源；在环境保护方面具 有重要的意义。
录调控有关， 结构基因的单拷贝及rRNA基因的多拷贝 有利于核糖体的快速组装，便于在急需蛋白质合成时，细胞 可以在短时间内有大量核糖体生成。
基因组的重复序列少而短 (4-40bp)
啤酒酵母的基因组
单细胞真核生物，1996年，完成了全基因组的测序工作， 这是第一个完成测序的真核生物基因组。该基因大小为
究的重要正选择标记。
(3)条件致死突变型(conditional lethal mutant) 某一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。常被 用来分离生长繁殖必需的突变基因。 (4)形态突变型(morphological mutant)
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
在生物进化过程中，微生物的代谢调节机制愈来愈完善，因
此，处于平衡生长，进行正常代谢的微生物不会有代谢产物 的积累。 微生物育种的目的就是要人为地使某种代谢产物过量积累， 把生物合成的代谢途径朝人们所希望的方向加以引导，或者 促使细胞内发生基因的重新组合优化遗传性状，实现人为控 制微生物，获得我们所需要的高产、优质和低耗的菌种。