酵母菌遗传课件

酵母菌遗传酵母菌概述酵母菌：一种单细胞真菌，属于兼性厌氧菌；个体形态有球状、卵圆、椭圆、柱状和香肠状等。酵母菌具有典型的真核细胞结构，有细胞壁、细胞膜、细胞核、细胞质、液泡、线粒体等，酵母菌虽属于真核微生物，同时又具有原核生物的某些特征，例如形成菌落特征与细菌相似，生长速度快等。1996年完成酿酒酵母全基因组的测序，是当时完成测序的最大基因组，也是真核生物中第一个被测序的生物。一、酵母菌的基因组和染色体二、酵母线粒体基因组及其遗传三、酵母菌中的质粒四、酵母基因表达的调控五、接合型基因及其基因型转换六、酵母菌的载体系统七、酵母双杂交系统第一节酵母菌的基因组和染色体一、酵母菌的基因组1.酿酒酵母的单倍体细胞含有16条染色体，总长度为12068kb，其中第Ⅰ条染色体最短(230kb)，第Ⅳ条染色体最长(1532kb)。2.基因组中没有明显的操纵子结构，有间隔区和内含子。3.酿酒酵母染色体基因组中，有5885个可能是编码蛋白质的ORF，每个ORF约为1.4kb，而基因间的平均间隔为600bp。（这说明酵母基因比其它高等真核生物基因排列紧密。）4.基因组含有52个完整的Ty因子（反转座子）。第一节酵母菌的基因组和染色体1.核小体：DNA和组蛋白（H2A、H2B、H3和H4）酿酒酵母中无H1（有丝分裂中维持染色质的高度超螺旋）2.着丝粒（centromere）:点着丝粒和区域着丝粒3.端粒(telomere)：末端重复序列和蛋白质4.复制起点：控制DNA复制起始的一段DNA序列—ARSARS若克隆到质粒中，可使质粒DNA在酵母中自主复制。1）ARS的结构A：ACS在所有的ARS都完全相同或相似ARSB：ACS的3’末端C：A1.着丝粒•概念着丝粒是真核细胞染色体DNA上的一段特殊序列。在有丝分裂和减数分裂时，纺锤丝与着丝粒结合，将染色体拉向细胞的两极。•主要类型：点着丝粒（着丝粒序列很短酿酒酵母）区域着丝粒（着丝粒序列较长脉胞菌、果蝇、人）1.着丝粒在酿酒酵母中，所有染色体的CEN序列的长度均大于130bp，由5′→3′依次分为CDEⅠ、CDEⅡ和CDEⅢ三个区。CDEⅠ和CDEⅢ是两个共有序列，位于两侧，中间是CDEⅡ，CDEⅡ的核苷酸序列中（A+T）含量超过90％，所以容易弯曲。2.端粒端粒是真核生物线性染色体两端的特殊DNA-蛋白质复合体结构，这种复合体结构是由DNA重复序列和与之相结合的蛋白质分子构成的。在大多数生物中，端粒DNA只是由几个碱基组成的DNA重复单位通过串联重复而形成，长度从20bp到几个kb不等。酿酒酵母端粒DNA的长度约为300bp，其DNA重复单位为：5′C1-3A3′G1-3T在大多数生物中，端粒DNA的旁边还常含有由中等重复序列组成的DNA。在酵母中，与端粒相连的DNA有两类：X保守性较差，长度为0.3~3.7kb，存在于大多数染色体上。Y'高度保守，长度为6.7kb酿酒酵母中2/3的端粒含有1~4个拷贝的Y'。X和Y'作用：非必需，对端粒的稳定、染色体断裂后的修复以及在减数分裂中染色体联会方面都起辅助作用。3.复制起点酵母的复制起点是指染色体上控制DNA复制起始的一小段DNA序列，通常称为自主复制序列(autonomouslyreplicatorysequence，ARS)。自1979年首次发现酿酒酵母的ARS以来，已在酿酒酵母中约有400个ARS，ARS/40kb。但这些ARS的使用频率不同，变动在0-100%之间。（1）自主复制序列ARS的结构•酿酒酵母中，ARS是长度为100~200bp、富含AT的DNA片段。•根据其在质粒中的稳定性，可分为三个结构域：其中A和B最为重要A结构域：保守序列，称为ARS共有序列（ACS）。所有ARS都含有一个完全相同或非常相似的ACS。ACS内单一碱基的突变能降低或消除其起始功能。B结构域：位于ACS的3’末端，长度约80bp。C结构域：ACS的5‘末端，富含AT，C结构域间不具有同源性，也不含共有序列。（2）ARS-结合蛋白酿酒酵母复制的起始可能是通过蛋白质与ARS相互作用而引起的。与ARS结合的蛋白有六种，分子质量分别：120kD、72kD、62kD、57kD、53kD和50KD,这些蛋白以复合物的形式存在并与ACS结合，这种蛋白质复合体称为起始识别复合物（ORC）。ORC与A区结合，也与B区结合。另外，Abflp也是一种主要的ARS结合的蛋白，能提高复制效率。（3）ARS启动染色体复制的活性酿酒酵母基因组中约有400个ARS，但并不是所有的ARS在原染色体上都具有自主复制活性。可是，将这些染色体上的ARS克隆到质粒上后，却都有自主复制活性。从使用的时序来看，可分为两类：位于不同位点表现的活性不同，靠近端粒的ARS，一般不表现活性。S前期S后期第二节酵母线粒体基因组及其遗传•线粒体是真核细胞重要的代谢中心之一。线粒体DNA(mtDNA)编码线粒体自身所需的rRNA、tRNA以及某些蛋白质如细胞色素和ATP酶等。（一）呼吸缺陷突变株•酵母可以通过呼吸和发酵这两种代谢形式来取得能量，在有氧条件下呼吸，缺氧条件下发酵。•小菌落突变株：吖啶黄处理野生酵母后，出现很多在好气条件下生长缓慢的突变株。（缺少细胞色素a、b以及细胞色素c氧化酶）•分离性小菌落：染色体上基因发生了突变•类型中性小菌落：完全丢失了线粒体DNA•抑制性小菌落：丢失了部分线粒体DNA（二）酵母线粒体基因组的物理图谱及其特点1.酵母线粒体DNA是周长约26μm的环状DNA分子，其大小为84kb。2.绝大多数的mtDNA中没有重复核苷酸序列。3.线粒体是半自主性的，能复制并传递给后代，还能转录所编码的遗传信息，合成线粒体某些自身特有的多肽，但是并非自给自足。第三节酵母菌中的质粒（一）2μm质粒环状且周长为2μm的DNA双链、50－100个拷贝，只携带与复制和重组有关的4个蛋白质基因（REP1、REP2、REP3和FLP），不赋予宿主细胞遗传表型，属于隐蔽质粒。1.特征：质粒上有两个600bp长的反向重复序列（IR），这两个IR中间由一个大单一区域和小单一区域所间隔。2.在两个IR上各有一个FRT(专一性重组位点)，由于这两个FRT间的相互重组，产生A型和B型两种互变异构型的混合质粒。REP1REP3REP2FLPA-typeB-typeREP1REP3REP2FLPFRTFRTFRTFRT（二）嗜杀现象1963年，Bevan和Makower发现酿酒酵母中某些菌株可产生毒素而杀死其他酵母的现象。嗜杀株（killer）：产生毒素的菌株敏感株：对毒素敏感的菌株中性株：既不产毒素又不敏感的菌株该特性由两种具有自我复制能力的细胞遗传因子----双链线状RNA(dsRNA)决定的，它们通常以蛋白质外壳包裹着的粒子状态存在于细胞之中，不具有体外侵染的特性。也称为类病毒颗粒（virus-likeparticle）.分类：L型类病毒、M型类病毒L-dsRNA:编码自身和M型的蛋白外壳和RNA聚合酶M-dsRNA：编码杀伤毒素蛋白，分泌到细胞外。L型类病毒：含有4.5kb的双链RNAM型类病毒：含有两条1.8kb双链RNA嗜杀型酵母敏感型酵母只含L型类病毒不含M型类病毒含L型类病毒和M型类病毒不含L型类病毒不含M型类病毒第四节酵母基因表达的调控根据其性质，真核基因调控分两类:1、瞬间调控（可逆性控制）2、发育调控（不可逆性控制）1.上游激活序列（upstreamactivatingsequenceUAS）2.TATA元件3.转录起始位点4.沉默子一、酵母基因的启动元件（顺式作用元件）二、酵母转录调控因子（反式作用蛋白）1.通用转录因子结合在TATA序列附近，包括TFII-A、TFII-B、TGII-D、TFII-E、TFII-F等。2.转录调控因子（结合在启动子上游）转录调控蛋白由两个独立的结构域组成：（1）DNA结合区（2）转录激活区1.TATA区结合蛋白•转录起始复合物由TATA元件附近序列及转录起始位点等顺式作用元件和多种通用转录因子及RNA聚合酶Ⅱ组成。•成环假说2.GAL4转录因子和gal基因的表达调控•酵母半乳糖代谢酶基因（gal）表达可以被生长条件所控制。半乳糖通过转化为6-磷酸葡萄糖后进入糖酵解途径而被酵母利用。•gal基因的转录是被严格调控的。gal1基因、gal7基因、gal10基因和gal12基因在没有半乳糖的条件下不表达，而在半乳糖存在条件下表达水平提高约1000倍。3.GCN4转录调控因子GCN4能特异结合到许多氨基酸合成酶基因的启动子调控元件上，激活基因的转录。•HAP1HAP2和HAP3都是转录因子，控制酵母细胞色素c基因CYC1和CYC7的转录。•CYC1UAS由UAS1和UAS2两个位点组成。UAS1与葡萄糖抑制时基因的转录有关UAS1和UAS2共同作用是乳糖去阻遏时基因转录所必需的。4.HAP1HAP2和HAP3酵母细胞的单倍体类型是由接合型基因（MATα和MATa）决定的。MATα编码α1和α2两个蛋白调控因子，它们决定α型细胞的表型。MATa编码a1蛋白，控制a型细胞的表型。5.α1、α2和a1调节蛋白一、酿酒酵母的生活史二、酿酒酵母细胞分裂的遗传控制1、a和α单倍体细胞2、接合信息素信号的传递3、接合型基因MAT在接合过程中的调控作用三、接合型基因的转换1、酵母接合型基因的结构2、接合型转换机理第五节接合型基因及其基因型转换第五节接合型基因及其基因型转换一、酿酒酵母的生活史一、酿酒酵母的生活史二、酿酒酵母细胞分裂的遗传控制1、a和α单倍体细胞2、接合信息素信号的传递3、接合型基因MAT在接合过程中的调控作用三、接合型基因的转换1、酵母接合型基因的结构2、接合型转换机理第五节接合型基因及其基因型转换第五节接合型基因及其基因型转换二、酿酒酵母细胞分裂的遗传控制酵母的有性生殖取决于两个单倍体细胞的接合型，其接合型的“性别”是由其本身的遗传物质所决定的，是稳定的遗传特征。1、a和α单倍体细胞基因基因产物或功能asg(a型细胞特异的基因）MFa1、MFa2a-因子ste2α-因子受体ste6分泌a-因子所需基因αsg(α型细胞特异的基因）MFα1、MFα2α-因子ste3a-因子受体ste13α-因子加工第五节接合型基因及其基因型转换二、酿酒酵母细胞分裂的遗传控制α细胞分泌的α-因子与a细胞中ste2基因编码的受体蛋白结合。同样，a细胞分泌的a-因子与α细胞中ste3基因编码的受体蛋白结合。2、接合信息素的传递第五节接合型基因及其基因型转换二、酿酒酵母细胞分裂的遗传控制2、接合信息素的传递第五节接合型基因及其基因型转换二、酿酒酵母细胞分裂的遗传控制2、接合信息素的传递在酿酒酵母中，磷酸化的转录因子Ste12是一个控制不同发育过程起始的转录调节因子。在单倍体细胞中，Ste12通过阻遏单倍体细胞特异性基因的表达和促进与接合有关的必需基因的表达，从而促进接合所需的生理反应，最终形成合子；在双倍体细胞中，Ste12是细胞生长所必需的。第五节接合型基因及其基因型转换二、酿酒酵母细胞分裂的遗传控制3、接合型基因MAT在接合过程中的调控作用酿酒酵母的单倍体细胞a和α两种接合型,分别是由MATa和MATα基因决定的。MATα编码α1和α2两种调节蛋白。α1蛋白激活αsg基因群的表达，而α2是一种同源结构域蛋白,阻遏性地抑制asg基因群的表达，因此,在MATα细胞中表现出α型细胞的表型性状。MATa也编码a1和a2两种蛋白，但a2蛋白的功能不清楚，与接合作用的调控无关；a1蛋白在单倍体细胞中不起作用，只在二倍体细胞中起作用。在a型细胞中,asg基因群可组成型地表达,表现出a型细胞的表型性状。第五节接合型基因及其基因型转换二、酿酒酵母细胞分裂的遗传控制3、接合型基因MAT在接合过程中的调控作用（1）当a和α细胞接合形成a/α二倍体细胞后，细胞内的接合型基因以MATa/MATα二倍体的形式存在。(2)MATα生成的α2蛋白抑制asg基因群的表达，同时