微生物遗传学2-遗传的物质基础

第二章第二章 微生物的遗传物质微生物的遗传物质第一节第一节 遗传物质的本质遗传物质的本质主讲：秦鸿雁主讲：秦鸿雁医学遗传学与发育生物学教研室医学遗传学与发育生物学教研室一、一、 DNA是遗传物质是遗传物质（一）（一） DNA作为主要遗传物质的间接证据作为主要遗传物质的间接证据基因存在于染色体上基因存在于染色体上 (真核生物真核生物 )：蛋白质 蛋白质 约占约占 66脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸 (DNA) 约占约占 27核酸核酸核糖核酸核糖核酸 (RNA) 约占约占 6其它：如拟脂和无机物质其它：如拟脂和无机物质 少量少量染色体染色体1.DNA含量恒定性。配子含量恒定性。配子 DNA=1/2体细胞，多倍体体细胞，多倍体 DNA含量倍增，但细胞内而蛋白质含量是不恒定的。含量倍增，但细胞内而蛋白质含量是不恒定的。2.DNA代谢稳定性。代谢稳定性。3.DNA是所有生物染色体所共有的。是所有生物染色体所共有的。4.UV激发最有效波长是激发最有效波长是 2600Ao，与，与 DNA 所吸收的所吸收的 UV光光谱是一致的。谱是一致的。（二）（二） DNA作为主要遗传物质的直接证据作为主要遗传物质的直接证据 Griffith的试验（ 1928）材料： R 型肺炎双球菌，粗糙型无毒 S 型肺炎双球菌，光滑型有毒家鼠 方法： a. 少量 R 家鼠b. 大量 S( 予先加热 65杀死 ) 家鼠注入注入注入注入1.细菌的转化 (Transformation)一种生物由于接受了另一种生物的遗传物质（ DNA或 RNA）而表现出后者的遗传性状，或发生遗传性状改变的现象。推测 : 被加热杀死的 S 型肺炎双球菌必然含有某种促成以上结果的活性物质1944年年 Avery等从等从 S抽提液中部分纯化了此转化因子，而且此抽提液中部分纯化了此转化因子，而且此物质不受蛋白酶、多糖酶和核糖核酶（物质不受蛋白酶、多糖酶和核糖核酶（ Rnase）的影响，只能）的影响，只能为为 DNA酶所破坏，证明它是酶所破坏，证明它是 DNA。利用此。利用此 DNA样品加入样品加入 R型细菌的型细菌的培养物中，得到菌落中含有了培养物中，得到菌落中含有了 S型球菌。这个实验证明了使肺型球菌。这个实验证明了使肺炎球菌的遗传性发生改变的炎球菌的遗传性发生改变的 转化因子是转化因子是 DNA，而不是蛋白质，而不是蛋白质 。这一发现极大地推动了对核酸的结构和功能的研究。这一发现极大地推动了对核酸的结构和功能的研究。 2. 噬菌体侵染与繁殖实验：（ 1）用 P32标记 T2噬菌体的 DNAS35标记 T2噬菌体的蛋白质（ 2）分别感染大肠杆菌（ 3） 10min用搅拌器甩掉附着于细胞外面的噬菌体外壳 , 发现a. 全部放射性活动 (P32)见于细菌内 子代b. 放射性 (S35)大部分见于被甩掉的外壳中 子代DNA是遗传物质噬菌体侵染实验噬菌体侵染实验遗传物质必须具有以下特性：（ 1）贮存并表达遗传物质；（ 2）能把遗传信息传给子代；（ 3）物理和化学性质稳定；（ 4）有遗传变化的能力。DNA具有上述特性，适合作为遗传物质。二、二、 RNA是遗传物质是遗传物质实验证据：烟草花叶病毒 (TMV) TMV病毒是 RNA与蛋白质组成。(1)用 RNA接种到烟叶上 发病(2)用蛋白质接种烟草叶上 不发病(3)用 RNA+RNA酶接种到烟叶上不发病RNA是遗传物质三、存在核酸之外的其它遗传物质三、存在核酸之外的其它遗传物质 朊病毒朊病毒 （ prion=proteinaceous infectious agent） ： 意为蛋白质样意为蛋白质样的感染性粒子。只有蛋白质而没有核酸的病毒。的感染性粒子。只有蛋白质而没有核酸的病毒。美国生物学家S. B. Prusiner1997年诺贝尔医学或生理学奖 这种因子具有可感染性。与病毒类似，搔痒病的这种因子具有可感染性。与病毒类似，搔痒病的感染性粒子是滤过性的，但与病毒不同的是，福感染性粒子是滤过性的，但与病毒不同的是，福尔马林处理不能完全消除其传染性。它可被蛋白尔马林处理不能完全消除其传染性。它可被蛋白酶酶 K灭活，但不能被核酸酶处理和灭活，但不能被核酸酶处理和 UV辐射灭活，表辐射灭活，表现出典型的蛋白质性质。在高度纯化的感染性物现出典型的蛋白质性质。在高度纯化的感染性物质中检测不到大于质中检测不到大于 100nt的核酸，因而这种感染性的核酸，因而这种感染性的粒子不是核酸。的粒子不是核酸。朊病毒特性：朊病毒特性： 比已知的最小的常规病毒还小得多（约比已知的最小的常规病毒还小得多（约 30 50nm）。电镜）。电镜下观察不到病毒粒子的结构，经负染后才见到聚集而成的棒状体，其大小下观察不到病毒粒子的结构，经负染后才见到聚集而成的棒状体，其大小约为约为 10 250 x 100 200纳米，且不呈现免疫效应，不诱发干扰素产生，纳米，且不呈现免疫效应，不诱发干扰素产生，也不受干扰作用。也不受干扰作用。 滤过性滤过性 致病性致病性 传染性传染性 宿主范围的特异性：是宿主范围的特异性：是 羊搔痒病羊搔痒病 的致病因子，它导致山羊和绵羊的的致病因子，它导致山羊和绵羊的 退行退行性神经疾病性神经疾病 的原因。这种病与影响人脑功能的库鲁病（新几内亚震颤病）的原因。这种病与影响人脑功能的库鲁病（新几内亚震颤病）和克雅氏病及疯牛病类似。和克雅氏病及疯牛病类似。 朊病毒是一个朊病毒是一个 36kDa的疏水性的糖蛋白，称为的疏水性的糖蛋白，称为 朊病毒蛋白朊病毒蛋白 （prion protein, PrP）。）。 PrP由宿主细胞核基因由宿主细胞核基因 PRNP编码。在正编码。在正常动物的脑中也有表达。常动物的脑中也有表达。 有两种形式：有两种形式： PrPc和和 PrPsc 正常的脑组织中发现的产物是正常的脑组织中发现的产物是 PrPc可被蛋白酶完全降解；而可被蛋白酶完全降解；而 PrPsc只存在被感染的脑只存在被感染的脑组织，对蛋白酶的降解有较强的抗性，只能部分被降解。组织，对蛋白酶的降解有较强的抗性，只能部分被降解。 PrPc是个可溶性的蛋白质，而是个可溶性的蛋白质，而 PrPsc很难溶解。很难溶解。 两种蛋白质具有相同的一级结构，但二级结构却十分不同，两种蛋白质具有相同的一级结构，但二级结构却十分不同， PrPc的的 螺旋的含量约螺旋的含量约为为 40 ，几乎没有，几乎没有 片层结构，相反片层结构，相反 PrPsc则含有高达则含有高达 50的的 片层结构，而片层结构，而 螺旋的螺旋的含量仅为含量仅为 20 。因而二者之间结构上的差异可能导致对蛋白酶抗性的不同。因而二者之间结构上的差异可能导致对蛋白酶抗性的不同。 推测搔痒病的发生是感染性的 PrPsc与内源的 PrPc共同作用的结果。 PrPc转化为转化为 PrPsc的机制的不同模式：的机制的不同模式： 构象转化模式（构象转化模式（ Conformational model）模板辅助模式）模板辅助模式 （ template-assisted model）：）： PrPsc 形式比形式比 PrPc的稳定，但由的稳定，但由 PrPc到到 PrPsc的转化在动力学上是不利的的转化在动力学上是不利的。 PrPsc可以催化可以催化 PrPc分子结构的变化。它可结合并稳定分子结构的变化。它可结合并稳定 PrPc到到 PrPsc的中间体，通的中间体，通过增加不稳定的中间体的数量或提高中间体自发地转化为过增加不稳定的中间体的数量或提高中间体自发地转化为 PrPsc地速率，促进生地速率，促进生成更多稳定地成更多稳定地 PrPsc。模板辅助模式类似于一些蛋白质动力学控制的构型转化，。模板辅助模式类似于一些蛋白质动力学控制的构型转化，如流感血球凝集素、枯草杆菌蛋白酶等。如流感血球凝集素、枯草杆菌蛋白酶等。 成核聚合模式（成核聚合模式（ nucleation-polymerization model）：）： PrPsc的生成是一的生成是一个依赖于晶核生成的聚合过程，在事先没有聚集体存在时，个依赖于晶核生成的聚合过程，在事先没有聚集体存在时， PrPc与与 PrPsc之间的转化是可逆的，但之间的转化是可逆的，但 PrPsc没有没有 PrPc稳定，稳定， PrPsc聚集体可与聚集体可与 PrPc单体单体结合并使之稳定。感染缓慢的发生，如同结晶过程中引入晶种并生成结合并使之稳定。感染缓慢的发生，如同结晶过程中引入晶种并生成晶体一样。成核聚合模型类似于微管蛋白的聚集、晶体的生成、镰刀晶体一样。成核聚合模型类似于微管蛋白的聚集、晶体的生成、镰刀型血红蛋白的形成、病毒衣壳粒的组装、细菌鞭毛的聚集等生物过程型血红蛋白的形成、病毒衣壳粒的组装、细菌鞭毛的聚集等生物过程。推荐的相关论著：1. Satpute-Krishnan P, Serio TR. Prion protein remodelling confers an immediate phenotypic switch. Nature. 2005 ;437(7056):262-5. 2. Silveira JR, Raymond GJ, Hughson AG, Race RE, Sim VL, Hayes SF, Caughey B. The most infectious prion protein particles. Nature.2005;437(7056):257-61第二节第二节 遗传物质的存在状态遗传物质的存在状态从细胞观点，生物分为：真核生物原核生物：高等动物植物部分微生物：原生动物、真菌、单细胞藻类细菌、放线菌、噬菌体就遗传物质而言：真核生物真核生物 原核生物原核生物遗传物质遗传物质 DNA DNA or RNA染色体组成染色体组成 DNA 和蛋白质 DNA or RNA染色体数目染色体数目 多个 一个核核 膜膜 有 无细胞分裂过程细胞分裂过程 出现纺锤体 有着丝粒 无无一、一、 DNA在在 真核真核 类类 微生物微生物 中的存在状态中的存在状态如，粗糙脉孢菌七条染色体，每一条染色体都有染色粒、随体及核仁组织中心中期染色体 核型模式以细胞器形式存在的真核微生物以细胞器形式存在的真核微生物 DNA-叶绿体、线粒体、中心粒、毛基体等以细胞器形式存在的真核微生物以细胞器形式存在的真核微生物 DNA-叶绿体、线粒体、中心粒、毛基体等 结构特性1. 成分复杂。包括 DNA、蛋白质、脂质类及 RNA等成分2. 结构复杂而多样。如，叶绿体和线粒体具有复杂膜结构；中心粒和毛基体都具有微管或微纤丝结构。3. 功能不一。4. 数目不一。5. 自我复制。6. 一旦消失，后代细胞中将不会出现。二、二、 DNA在原核微生物中的存在状态在原核微生物中的存在状态染色体和质粒第三节第三节 染色体倍性和生活史染色体倍性和生活史一、染色体倍性单倍体和二倍体的状态交替生存现象是生物界的一个普遍现象