《微生物遗传》PPT课件.ppt

第5章 微生物的遗传变异与菌种选育,何谓遗传学？ 遗传学是关于遗传物质的生理生化性质、世代传递方式，以及所携带的信息在个体发育中的表达的一门科学。 早期的遗传学研究亲代与子代之间遗传性状的传递，提出了遗传的染色体理论，对基因进行了作图，并发现了基因重组现象，故名传递遗传学。 近代的遗传学则进一步从分子水平上研究基因的构成、复制、表达、突变和修复等，被称为分子遗传学。,孟德尔豌豆试验,摩尔根果蝇试验,微生物遗传学 涉及所有的原核生物，部分真核生物，以及病毒的遗传； 介绍微生物的遗传物质的结构特点、遗传信息的表达与调控、遗传变异的基本规律； 介绍通过基因操作改变微生物的遗传信息从而有效地控制或利用微生物的基本策略。,第一节 遗传的物质基础及其特性,经典试验1. 肺炎链球菌的转化试验（1928、1944） （a）S型和R型细胞侵染试验,一、遗传物质的鉴定,（b）分离后的S型细胞物质对R型细胞的转化,肺炎双球菌转化实验结论：,受体细胞直接摄取供体细胞的遗传物质（DNA），将其同源部分进行碱基配对，组合到自己的基因中，从而获得供体细胞的某些遗传性状。 - 转化,首次证明细胞生物的遗传物质是双链DNA,T2噬菌体是DNA病毒,TMV是RNA病毒,结论：,病毒的遗传物质可以是单链的或双链的DNA或RNA， 即：ssDNA，dsDNA，ssRNA或dsRNA。,核酸是遗传物质！,二、脱氧核糖核酸（DNA）,1DNA的化学组成和结构 2DNA的复制方式 3DNA的理化性质,1DNA的化学组成和结构,Watson 和Crick在1953年描述了DNA的结构模型： DNA分子是由两条相互平行、方向相反的多核苷酸单链以右手螺旋方向相互缠绕而形成的双螺旋。 脱氧核糖和磷酸构成的主链位于外围，通过氢键相互交联的碱基处于双螺旋的内部。 A与T配对，G与C配对；两条单链互补；一条链的碱基序列限定了另一条链的序列。,Rosalind Franklin 的贡献,Watson and Crick proposed DNA structure in 1953 by building models based on chemical and physical data that had been gathered in other labs, primarily x-ray diffraction data collected by Rosalind Franklin et al.,照片51号,2DNA的复制方式,细菌DNA的q-形复制 真核生物DNA的复制,10100 mm,复制叉,复制叉,复制原点,模板 新生链,DNA的滚环复制模式,切口,5,5,3,3,3,模板 新生链,新链连续复制,互补链合成,DNA的半保留复制模式,双链DNA一端氢键逐渐断开为两条单链； 以各自为模板，碱基互补，氢键结合，各自形成一条新的互补链，与原来模板单链互相盘旋在一起； 两条分开的单链恢复为双链DNA，与原来的完全一样。,DNA半保留不连续复制模式,冈崎片段： 相对比较短的DNA链（大约1000核苷酸残基），在DNA的滞后链的不连续合成期间生成的片段。,冈崎片段,3DNA的理化性质（1） DNA的光学性质 DNA中的碱基属于芳香簇化合物，能够吸收紫外光(UV)。测定在260nm和280nm的OD值的比值（OD260/OD280），估计核酸的纯度。纯净DNA的比值为1.8，RNA为2.0。,3DNA的理化性质（2） DNA的热变性 双链DNA在一定的高温下解链(变性)产生单链DNA。双链DNA完全解链后，紫外吸收值A260可以提高 40，当吸收值的提高达到中点时的温度称为解链温度（Tm）。,1.4 1.2 1.0,70 80 90 100C,Tm,3DNA的理化性质（3） 复性、退火或杂交 当温度缓慢降低时，序列互补的单链DNA能够渐渐地重新配对，即复性。 不同来源的DNA之间碱基序列互补的区段进行的碱基配对称为退火或杂交，这被广泛应用于DNA的扩增、定点诱变、基因鉴别。,3DNA的理化性质（4） 分子特征与微生物分类鉴定 DNA中的GC含量通常通过Tm值来测定。同一个属的细菌， GC含量的变化一般小于10。 16srDNA 分子标记,三、基因组DNA和染色体,基因组是指一种生物体内单套遗传物质的全部遗传基因。染色体指携带细胞功能所必备的基因的遗传单元。 病毒是非细胞生物，它们的全套遗传基因称为基因组，但不足以形成染色体。 原核生物的染色（质）体常为一个环状的DNA分子。 真核生物的细胞有几条至几十条染色体，各含一个线状的DNA分子。,细菌染色体DNA的大小和结构,(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,真核生物的染色体结构,四、染色体以外的遗传因子,线粒体和叶绿体中含有的DNA能够自体复制，并编码执行线粒体和叶绿体功能的蛋白。 质粒一般指存在于细菌、真菌等微生物细胞中，独立于染色体以外，能进行自我复制的遗传因子。质粒的大小为11000 kb，常为环状的双链DNA分子，也有线状DNA或RNA质粒。 有些质粒既能够整合到染色体上，又能以游离状态存在，并能携带部分染色体基因进行转移，它们被称为附加体。,第二节 遗传信息的表达,一、真核生物的基因转录及其调控 1. 真核生物的基因转录 常见启动子是位于转录起始位点上游2530个碱基对的TATA盒；另一些基因则含有一个与转录起始位点重叠的起始元件。 RNA聚合酶催化合成的是 Pre-RNA，它必须经过加工才形成成熟 mRNA。 Pre-RNA的加工在细胞核中进行，主要加工步骤：5端加帽、3端加尾、剪接去除插入子等。,插入子的切除和表达子的拼接,2. 真核生物基因转录的调控 真核生物基因表达的调控作用可能发生在转录、mRNA修饰和稳定、翻译、mRNA的转运和降解等各个步骤。 真核细胞中基因表达的调控信号包括两类：一类是激素和蛋白质分子，另一类是外环境因素。,二、原核生物基因的转录及其调控 1. 细菌的基因转录过程 mRNA不需要加工，转录与翻译同步。 启动子：在10和35区具有特征性的序列， 被不同的因子所识别。 多顺反子：功能相关的多个基因往往聚集成一 个操纵子，处于同一个转录单元中。,细菌的转录和翻译同步进行,2. 细菌基因转录的调控 因子参与的转录调控 与-10和-35区的关系 操纵子和转录的正、负调节 乳糖操纵子 衰减作用 色氨酸衰减子,例：乳糖操纵子的结构 其中有两个调控基因： （1）阻遏蛋白的结合位点Oprator，乳糖参与负调节； （2）激活蛋白CAP的结合位点，cAMP参与正调节。,三、翻译过程中的调控 固定式的调控：包含在DNA序列之内，如稀有密 码子和重叠基因等，其调控不受环境影响。 非固定式的调控：作用受环境因素的影响，与 DNA 序列无关。,第三节 细胞中遗传信息的变异,一、微生物的遗传变异现象,自发突变发生的频率很低，观察自发性突变的经典试验是波动试验。 自发突变和诱发突变两大类型。 自发突变和诱发突变的本质相同：由于理化因子作用于DNA，导致遗传性状的变化。,抗T1噬菌体的大肠杆菌的波动试验,艾姆氏试验(Ames TEST)的基本方法,缺陷型菌株,营养缺乏型平板,37 23天,. . . . . . .,. :. .: : . . ; . ;. . . .:,. :. .: : . . ; . ;. . . .:,. . . . . . .,待测试剂,正常回复突变,诱变剂诱变,艾姆氏试验已成为测试化学物质诱变作用的标准方法， 其原理是检验待测试剂能否使营养缺陷型菌株的回复突变增加。,突变的类型,按突变涉及的范围: 基因突变(点突变)：碱基对的替代或增减 染色体畸变：DNA（RNA）片段缺失、重复或重 排造成的染色体异常。 按突变引起的表型改变： 形态突变型、致死突变型、条件致死突变型、 营养缺陷突变型、抗性突变型、抗原突变型。,二、基因突变的分子基础,DNA分子与其它物质发生反应形成非正常结构的现象称为DNA损伤。 DNA损伤的结果是导致基因突变或者细胞死亡。 DNA分子自身的活动能够导致碱基错配； 此外，DNA损伤的分子机制都是由已知的或未知的理化因素对DNA的结构产生了破坏作用。,已知的化学致变剂和物理致变剂 物理致变剂 致变剂 电离辐射、紫外辐射等 化学致变剂 脱氨剂、烷化剂、 大型化合物供体、碱基类似物、 插入剂、交联剂。,常见的致变剂及其致变作用,亚硝基的脱氨作用；(b) 烷化剂和被甲基化的碱基；