微生物的遗传与变异

第十一章微生物的遗传与变异（一）转化实验①将无毒性的R型活细胞注射到小鼠体内，结果小鼠不死亡；②将有毒性的S型活细胞注射到小鼠体内，结果小鼠患败血症死亡；③将加热杀死的S型细菌注射到小鼠体内，结果小鼠不死亡；④将无毒性的R型活细菌与加热杀死后的S型细菌混合后，注射到小鼠体内，结果小鼠患败血症死亡。一、证明遗传变异物质基础的三个经典实验（二）噬菌体感染实验在噬菌体感染过程中，其蛋白质外壳根本未进入宿主细胞，进入宿主细胞的只有噬菌体DNA，尚因释放出的子代噬菌体粒子具有同亲代一样的蛋白质外壳，故可以肯定，仅只有DNA携带有全部遗传信息。（三）植物病毒的重建实验病毒的蛋白质取决于相应的RNA。为此证明该病毒的遗传物质为RNA，蛋白质外壳对其仅起保护作用。遗传与变异•遗传性：生物可通过无性繁殖或有性繁殖的方式繁衍后代，并使子代与亲代相似。变异性：生物的子代与亲代，以及子代不同个体之间在性状上又存在某些差异。由于细菌个体微小、遗传物质较为简单，易于人工培养，繁殖速度快，突变型容易识别和检出。因此，细菌一直被用做研究生物遗传与变异规律的实验材料。第一节微生物遗传和变异的物质基础基因与基因组•基因：是合成一种有功能的多肽链或RNA分子所必需的一段完整的DNA序列；•基因组：是指存在于生物体遗传物质中全部基因的总称。一、微生物的主要遗传物质（一）病毒的核酸除朊病毒没有遗传物质外，所有病毒的遗传物质都是DNA或RNA。（二）原核细胞型微生物的染色体原核细胞型微生物的遗传物质包括染色体和质粒。1、染色体为一段共价闭合环状的双链DNA：在细胞中紧密缠绕成较致密的不规则的小体，称为拟核一、微生物的主要遗传物质2、基因组上遗传信息具有连续性微生物基因组DNA绝大部分用来编码蛋白质、RNA；其余用作复制起点、启动子、终止子和一些由调节蛋白识别和结合的位点等信号序列。除了个别细菌(鼠伤寒沙门氏菌和犬螺杆菌)和古生菌的rRNA和tRNA中也发现有内含子或间隔序列外，原核微生物一般不含内含子，遗传信息是连续的而不是中断的。（三）真核细胞型微生物的染色体1）真核细胞型微生物与高等动植物一样，具有完整的细胞核结构2）遗传物质以染色体的形式存在，其化学组成是线状双链DNA分子和蛋白质；3）基因是不连续的，结构基因内部存在许多不编码蛋白质的间隔序列，称为内含子，编码区则称为外显子。5）通常含有多种染色体，并且每条染色体中具有许多复制起点，可同时进行复制。一、微生物的主要遗传物质二、质粒和转座因子染色体质粒（plasmid）：是一种染色体外DNA遗传物质，呈双链、超螺旋、闭环状，能进行自主复制，主要存在于各种微生物细胞中。（一）质粒（一）质粒基本特性：1、绝大多是质粒是共价闭合环状双链DNA；2、质粒可独立于宿主染色体外自主复制；3、质粒基因常赋予宿主细胞某些特性，如合成抗生素、细菌素等；4、质粒能从宿主细胞自发消除，其所携带的基因非细胞生存所必需，除去质粒后，细胞可依然存活5、质粒可通过接合、转化或转导等方式在细菌间转移；6、细菌具有相容性或不相容性：两类不同类型的质粒，能/不能稳定地共存于一个细胞内。常见的质粒类型•F质粒/致育因子•R质粒/耐药质粒/抗性因子•Col质粒•代谢质粒/降解质粒1、F质粒/致育因子具有编码性菌毛的能力，可在染色体外游离存在，或整合入宿主菌染色体,成为染色体的一部分。携带F质粒的菌株称为F+菌株（相当于雄性），无F质粒的菌株称为F-菌株（相当于雌性）2、R质粒/耐药质粒R质粒在细菌间的传递是细菌产生抗药性的重要原因之一。接合型耐药质粒：由耐药转移因子（RTF，类似于F质粒，具有致育性）和耐药决定子（决定该菌株的耐药性)构成。非接合型耐药质粒：只有耐药决定子，只有耐药性，不能接合转移。R因子的结构组成3、Col质粒大肠杆菌产生的细菌素为大肠杆菌素，而产生这种细菌素的质粒被称为Col质粒。质粒本身编码一种免疫蛋白，从而使某种类型大肠杆菌的菌株对自身产生的大肠杆菌有免疫力，但对其他类型的大肠杆菌仍是敏感的。4、代谢质粒/降解质粒含有这类质粒的细菌，能将复杂的有机化合物降解成能被其作为碳源和能源利用的简单形式，环境保护方面具有重要的意义。如假单胞菌：具有降解一些有毒化合物，如苯、辛烷和樟脑等的能力。转座因子：是一个DNA片段，可在质粒与质粒之间或质粒与染色体之间随机转移，故又称为“跳跃基因”。转座子不能自我复制。转座与转座因子转座子质粒转座与转座因子转座：是指转座因子从染色体的一个位置转移到另一位置，或者在质粒与染色体之间转移的过程，即转座因子改变其在DNA分子上位置的过程。由于转座因子的转座行为，将使DNA分子发生插入突变和广泛的基因重排，在促使生物变异及进化上具有重大意义。●保守型转座转座子插入到DNA上新的位点，首先交错切开靶DNA，再将转座子连接到靶DNA的凸出单链上，最后填补空缺完成转座。转座机制转座机制●复制型转座①在转座子和靶位点两端分别交错切割产生切口;②形成一种交换结构；③产生一个包含两个正向重复的转座子拷贝的复合物，称为共合体；④在解离酶的作用下进行，释放两个复制子。转座机制转座的遗传学效应1、引起插入突变：插入在宿主染色体的某一结构基因内，造成该基因功能的丧失。2、产生新的基因,引起生物进化：如插入抗药性基因3、产生染色体畸变4、基因的移动和重排5、转座因子可以从插入位置上消失，可导致回复突变。第二节噬菌体及其对细菌遗传性的影响噬菌体•是感染细菌、螺旋体或真菌等微生物的病毒，因为噬菌体能引起宿主菌的裂解，故称为噬菌体。•蝌蚪形、球形、杆状噬菌体的特性只有一种核酸类型，DNA或RNA；能通过细菌滤器；必须在活的宿主细胞内才能生长、增殖；宿主细胞是细菌等微生物细胞，且具有严格的宿主特异性。噬菌体的结构头部•核心：DNA或RNA•衣壳：蛋白质尾部•蛋白质•与吸附宿主有关噬菌体与宿主菌的关系•烈性/毒性噬菌体：在宿主菌细胞内复制增殖，产生许多子代噬菌体，并最终使宿主菌细胞裂解；•温和噬菌体/溶原性噬菌体：感染宿主菌后不立即增殖，而是将其核酸整合到宿主菌核酸中，随宿主菌核酸的复制而复制，并随细菌的分裂而传代。噬菌体的复制毒性噬菌体吸附；穿入；生物合成；成熟与释放毒性噬菌体噬菌体感染细菌的结果•溶菌周期–毒性噬菌体•溶原周期–前噬菌体–溶原性细菌–温和噬菌体噬菌体的应用用于细菌的鉴定和分型：噬菌体的溶菌具有高度的特异性；耐药性细菌感染的治疗作为分子生物学研究工具：结构简单、基因数少，易获得大量突变体；遗传工程：作为载体将需要转移的基因带入菌细胞第三节微生物变异的常见类型1、高产突变株：经不断的自然选育或人工诱变处理，选出高突变株，如青霉素产生菌通过诱变，产量提高；2、抗性突变株：基因突变使菌株对噬菌体或药物，特别是抗生素，产生抗性。3、条件致死突变型在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。以温度敏感突变株为例，某些肠道菌在高温下（如42℃）是致死的，但可以在低温（如25-30℃）却能够生长。4、营养缺陷型突变株一种缺乏合成其生存所必须的营养物(包括氨基酸、维生素、碱基等)的突变型,只有从周围环境或培养基中获得这些营养或才能生长.5、毒力变异株长期培养于加有特殊化学成分的培养基或长期通过不同动物传代，其毒力能够降低，可用于弱毒活疫苗的制备。如卡介苗（结核分枝杆菌在特殊培养基）、狂犬疫苗（病毒注射到兔脑中）的制备。第四节微生物变异的机制及其修复一、基因突变•突变：是指生物体遗传物质的核苷酸序列发生了稳定而可遗传的变化。•基因突变：是指一个基因内部由于一对或少数几对碱基的置换、缺失或插入而引起的突变，其涉及的变化范围很小，所以又叫做点突变；•染色体畸变：是指大段染色体的缺失、重复、易位和倒位。二、基因的转移和重组●转化●接合●转导●噬菌体转变●原生质体融合●重组受体菌从周围环境中直接摄取供体菌游离的DNA片段，并整合入受体菌基因组中，从而获得供体菌部分遗传性状的过程。被转化的DNA片段称为转化因子。转化有荚膜的活菌？活的无荚膜肺炎链球菌从死的有荚膜肺炎链球菌中获得荚膜（毒力决定因子）编码基因，即为转化接合：供体菌通过性菌毛与受体菌直接接触，并将遗传物质（主要是质粒DNA）转移给受体菌，使受体菌获得新的遗传性状。接合质粒质粒接合转移示意图染色体性菌毛受体菌供体菌F+F-F+F-F+F+F+F+DonorRecipient以噬菌体为媒介，将供体菌DNA片段（染色体DNA、非接合性质粒DNA）转移到受体菌内，通过基因重组而使受体菌获得新的遗传性状。转导1、普遍转导前噬菌体从染色体上脱离进行增殖，装配成新的子代噬菌体。大约在105～107次装配中发生一次错误，误将大小合适的供体菌DNA片段装入噬菌体头部，成为转导噬菌体/“假噬菌体”。转导噬菌体供体菌当转导噬菌体再度感染受体菌时，将供体菌DNA带入受体菌内。普遍性转导、局限性转导转导噬菌体受体菌供体菌DNA完全转导和流产转导普遍性转导模式图2、局限转导溶原期时，噬菌体DNA整合在细菌染色体特定部位，噬菌体DNA发生偏差分离，将自身的一段DNA留在细菌染色体上，而带走了细菌DNA上两侧的基因。当其转导并整合到受体菌中，使受体菌获得供体菌的某些遗传性状。所转导的只限于供体菌上个别的基因。噬菌体转变噬菌体转变是由于温和噬菌体的感染，前噬菌体整合入宿主的染色体使其溶原化的同时，使得宿主菌的表型也发生改变。当宿主丧失这一噬菌体时，通过噬菌体转变而获得的新性状也就同时消失。原生质体融合•是指将两种细菌经处理失去细胞壁成为原生质体后，进行融合的过程。•染色体可发生重组，可获得多种不同表型的重组融合体。重组是指两个或两个以上不同的核酸分子进行重排，产生新的核苷酸序列的过程。第四节细菌遗传学的应用•在疾病诊断、治疗和预防方面的应用：如减毒活疫苗•检测致癌物质：凡是能诱导细菌基因突变的物质都可能是致癌剂•在流行病学方面的应用：可确定某一感染暴发流行菌株•在基因工程方面的应用：DNA重组技术