第二章 原核生物基因组

第二章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。原核生物的概念※（一）原核生物基因组的特征1.基因组分子质量较小2.环状双链DNA分子3.具有类核结构4.广泛存在操纵子结构5.多为单拷贝6.结构基因无重叠现象7.具有编码同工酶的不同基因8.具有可移动的DNA序列9.非编码区内主要是一些调控序列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.具有类核结构大肠杆菌的类核结构模型+RNA松弛DNA环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。AYZII乳糖操纵子(lacoperon)的结构结构基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透性酶A：乙酰基转移酶乳糖乳糖半乳糖葡萄糖乙酰辅酶A辅酶A乙酰半乳糖+β-半乳糖苷酶乙酰基转移酶透性酶lacZ基因编码lacY基因编码lacA基因编码CAPOPAYZ乳糖操纵子(lacoperon)的结构结构基因调控序列终止序列CAP结合位点IRNAPol.PromoterOperatorCAP:catabolitegeneactivationprotein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协调调节阻遏蛋白的负性调节★没有乳糖存在★仅有乳糖存在CAPOPAYZIGene:OFFNomRNAproducts没有乳糖存在时阻遏蛋白的负性调节RNAPol.Inducer（半乳糖）CAPOPAYZIRNAPol.RNAPol.仅有乳糖存在时阻遏蛋白的负性调节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。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。1.插入序列（insertionsequence）2.转座子（transposons）3.可转移性噬菌体（transposablephages）美国冷泉港实验室的女科学家B.MClintock9.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，可形成特殊结构，具有一定的调控作用。*IR（反向重复序列）：TGCGAT....ACGCTAACGCTA....TGCGAT※（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。质粒的分子结构通常以共价闭合环状的超螺旋双链DNA分子存在于细胞中也发现有线型双链DNA质粒和RNA质粒；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。质粒的分类F质粒R质粒Col质粒功能F质粒（fertilityfactor）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。R质粒（resistancefactor）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。又称大肠杆菌素因子大肠杆菌中发现，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。Col质粒（Colplasmid）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。复制机制松弛型质粒（relaxedplasmid）严紧型质粒（stringentplasmid）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质粒的生物学特性（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)2.质粒的拷贝数（copynumber）：指同一质粒在每个细胞中的数量，不同的质粒在同一细胞中的拷贝数有差异。复制子复制起始点+调控元件是确定某种质粒特性的一个重要参数复制子决定其拷贝数类型代表质粒大小（kb）拷贝数宿主表型特征致育因子F因子95-1001-3大肠杆菌,沙门氏菌,柠檬酸杆菌性纤毛、接合转移R质粒RP4541-3假单胞菌和其它G阴性菌性纤毛、接合转移，抗Ap、Km、Nm、TcR1801-3G阴性菌抗Ap、Km、Su、Cm、SmR6981-3大肠杆菌,奇异变形杆菌抗Km、Nm、Su、Cm、SmR100901-3大肠杆菌,志贺杆菌,沙门氏菌Cm,Sm,Su,Tc,HgpSH621金黄色葡萄球菌Gm,Tm,KmpAD225粪肠球菌Em,Sm,KmCol质粒ColE1910-30大肠杆菌产大肠杆菌素E1ColE210-15志贺杆菌产大肠杆菌素E2ColDF13阴沟杆菌产大肠杆菌素DF13毒性质粒Ent（P307）83大肠杆菌产肠毒素K88质粒大肠杆菌粘附抗原ColV-K302大肠杆菌摄铁载体,免疫机制抗性pZA1056金黄色葡萄球菌肠毒素BTi200根癌农杆菌诱导肿瘤代谢质粒CAM230假单胞菌樟脑降解SAL56假单胞菌水杨酰降解TOL75恶臭假单胞菌甲苯降解pJP4假单胞菌2,4-二氯苯乙酰降解pSym根瘤菌共生固氮质粒大小和类型(二)质粒转移性概念：指质粒能从供体细胞把它的一个复本转移到受体细胞质粒在细菌间的转移，需要供体和受体细胞间的直接接触才能进行，即接合作用可以在同种属也可以不同种属间转移（三）质粒的复制复制所需的酶类和复制蛋白DNA聚合酶的利用复制的方向性复制的终止复制起始复制型复制起点（ori）是一段特定的DNA序列，长约几百碱基对，在其相关的调控元件中含有由质粒或宿主染色体编码的、参与DNA合成起始调控因子的结合位点。在大多数质粒中，与复制有关的蛋白质基因位于它们的作用位点——ori序列附近，因此ori位点周围的小范围DNA是质粒复制所必需的。如果质粒DNA的大部分区域被去掉，而只保留质粒的ori序列，而且质粒是环状的，则质粒仍然能进行复制。分子克隆中利用质粒载体的结构基础。质粒的复制型θ型复制（主）•单向复制•双向复制滚环复制（四）质粒的标记选择标记：用于鉴别目标DNA(载体)的存在，将成功转化了载体的宿主挑选出来。•抗生素抗性基因是目前使用最广泛用于将特殊表型的重组子挑选出来•α-互补、插入失活筛选标记：（五）质粒的不相容性两个质粒在同一宿主细胞中不能共存的现象称为质粒的不相容性