现代微生物遗传学课件第一授课单元.ppt

微生物遗传学 授课院系：生物工程学院 授课教师： 黎 明 教材和主要参考书 教材： 1.陈三凤.现代微生物遗传学.化学工业出版社，2003 主要参考书 1.盛祖嘉. 微生物遗传学（三版）.科学出版社，2007 2.沈萍、陈向东，微生物学，高等教育出版社，2006 3.陶文沂. 工业微生物生理与遗传育种学. 中国轻工 业出版社，1997 微生物遗传学理论课的要求微生物遗传学理论课的要求 掌握基本概念 熟悉经典实验 领悟科研方法 第一授课单元 第一章 绪论 第一节 微生物遗传学发展简史 第二节 朊病毒的发现和思考 第三节 微生物作为遗传学材料的优越性 第四节 微生物遗传控制与发酵工业 第二章 微生物遗传物质 第一节 DNA结构和复制 第一章 绪论 第一节 微生物遗传学的发展简史 微生物遗传学是一门以病毒、细菌、放线菌、 小型真菌及单细胞藻类、原生动物为研究对象的遗 传学的分支学科。 40年代以前：微生物遗传学的研究是不系统的、局限 的，遗传学基本研究只限于动物和植物。 研究对象：只限于进行有性生殖，特别是产生有性孢子 微生物（酵母菌、草履虫、脉孢菌）； 研究内容：只限于形式遗传学分析 （基因重组和定位） 40年代以后，以下五方面的工作促使微 生物遗传学发展成为一门独立的学科： 一. 脉孢菌营养缺陷型的发现和基因原初功能的研究 二. 细菌抗药性突变的研究 三. 细菌接合和基因重组的发现 四. 细菌遗传因子化学本质的鉴定 -细菌经典转化实验 五. 噬菌体遗传学研究 一. 脉孢菌营养缺陷型的发现和基因原初功能的研究 1941年， G. Beadle 和E. Tatum 用脉孢菌为材料，用X-射线处理脉孢菌的分生孢子 得到预期的营养缺陷型，证明了某些代谢途径的阻断与 某些突变基因之间的对应关系。对基因功能实质做了进 一步的研究，提出一个基因一种酶学说（One Gene - One Gene - One Enzyme hypothesisOne Enzyme hypothesis） 于于19581958年获得诺贝尔奖年获得诺贝尔奖 脉孢菌 子囊孢子表面有纵形花纹，形如叶脉，故称脉孢菌。菌丝无色透 明，有隔膜多核，具分枝，蔓延迅速 分生孢子梗直立，双叉分枝，分枝上 成串生长分生孢子，分生孢子卵圆形， 一般呈红色、粉红色，常在面包等食 物上生长，俗称红色面包霉。有性过 程通过异宗接合产生子囊和子囊孢子， 子囊黑色、棒状，内生8枚长圆形子囊 孢子，孢子在子囊中顺序排列，一般无 性繁殖，很少有性繁殖。 （图：粗糙脉孢菌） Beadle and Tatum: 一个基因 - 一种酶 One Gene - One Enzyme X rays MMCMMM VitaminsAmino acids Purines and pyrimidines 用X射线诱导处理 红色面包霉，筛选出 被诱导的突变体来进 行实验。根据遗传分 析和大量研究 ，他们 认为基因发生突变， 就可能导致酶活性的 丧失。 利用生长谱法进一步验证哪一种氨基酸缺陷 红色链孢霉实验 突变品系 基本 基本培养基加 培养基 鸟氨酸 瓜氨酸 精氨酸 arg cit orn arg(精氨酸缺陷)，orn(鸟氨酸缺陷), cit(瓜氨酸缺陷) :表示不生长； ：表示生长 1941 Beadle & Tatum 提出： “ one gene one enzyme” hypothesis 乙酰鸟 鸟氨酸精 精氨琥珀 精氨琥珀 氨酸酶 氨甲酰酶 酸合成酶 酸裂解酶 N-乙酰 鸟氨酸 瓜氨酸 精氨 精氨酸 鸟氨酸 琥珀酸 氨甲酰磷酸 天冬氨酸 精氨酸生物合成途径 重要意义 开辟了生化遗传学研究的广阔领域，为基因作用机制 的研究确立了基础，为阐明代谢途径提供了有效的方法 ； 提出一个基因一种酶学说，可认为是分子遗传学的前 奏； 利用营养缺陷型探索代谢途径这一思想方法，在微生 物遗传学得到广泛的应用，包括基因重组、发育、分化 、形态建成等； 由于营养缺陷型的发现，使得细菌的基因重组得以发 现. 二.细菌抗药性突变的研究 细菌的抗性是基因突变的结果，还是适应的结果？ 1943年， Salvador Luria & Max Delbruck 用严密的实验证实细菌的抗性是基因突变的结果 重要意义： 使人们认识到，可能所有的生物都有着相同的遗传 变异规律； 严密的实验方法，开始被应用到微生物遗传学领域 ，特别是细菌的变异的研究中去。 变量实验（fluctuation analysis）：波动实验、彷徨实验 对噬菌体T1敏感的E.coli 对数期培养物 ，稀释至103/mL,分装两试管，各10 mL 与甲管分装的各小管 同时保温2436h 甲管 乙管 变量实验（fluctuation analysis）Salvador Luria & Max Delbruck(1943) Salvador Luria Max Delbruck The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1969 三. 细菌接合和基因重组的发现 1946年，Joshua Lederberg 和Edward L.Taturm 报道了大肠杆菌中的基因重组接合 (conjugation) 重要意义： 1）使人们更为明确地认识到微生物和高等动物和植物遗传规 律上的一致性；即细菌中也有类似于性过程的现象，以及基 因连锁和重组。如有两个不同遗传型的细菌突变株在一起混 合培养，可分离到具有双亲基因的新个体，从而认为细菌也 存在性别； 2）通过基本相同的方法，为在霉菌、放线菌等各种微生物中 发现基因重组奠定了实验方法； 3）促使50年代发现了转导。 中间平板上长出的原养 型菌落是两菌株之间发 生了遗传交换和重组所 致！ 为了减少所培养的结 果是回复突变的机会， 采用了双重或三重营养 缺陷型。该实验是建立 在不大可能同时发生两 种或三种回复突变的设 想上的。 证实接合过程需要细胞间的 直接接触的 “U”型管实验（ Bernard Davis，1950 ） U型管实验的原理 接合：即去除细胞壁的细菌的原生质体的融合 转导：即借助病毒（一般用噬菌体）将一种细胞中的 遗传物质转到另一种细胞中并发生重组，使后者细胞 能表达前者细胞的性状。 转化：遗传物质能自由进入细胞中并使该细胞表达相 应的性状。 U型管原理：使U型管中的膜的孔径只能让DNA和营 养物质通过，而噬菌体和其他物质均不能通过，发现 膜两侧的菌均能在基本培养基上生长，证明是转化。 四. 细菌遗传因子化学本质的鉴定 -细菌经典转化实验 1928年 F.Griffith在肺炎链球菌中发现转化现象 1944年 Avery 在离体条件下完成转化过程 确定遗传物质为DNA（第一个实验证据） 它的发现，是1953年DNA分子双螺旋模型提出和 分子遗传学发展的前奏。 1928年，Griffith 肺炎双球菌的转化 1944年，Avery在离 体条件下完成转化。 五. 噬菌体遗传学研究 1946年， Delbruck证实了噬菌体也存在遗传重组现象； 1955年， Benzer研究了E.coliT4噬菌体遗传物质的精细 结构，提出了“顺反子”的概念； 1961年， Benzer发表了T4r突变位点的经典研究表明： 所有位点不是有同等的突变频率， 提出了基因突变的热点的理论。 1）把遗传规律推广到最简单的生物噬菌体； 2）温和噬菌体以及转导作用的发现，成为微生物 遗传学、分子遗传学研究的有效手段。 第二节 朊病毒的发现和思考 一、证明遗传物质是DNA或RNA的三个经典实验 ： 细菌经典转化实验 噬菌体的感染实验 烟草花叶病毒的拆开和重建实验 二、中心法则 DNA到mRNA，通过密码子合成蛋白质 反转录现象的发现对中心法则的补充 三、朊病毒 是一种既不含DNA也不含RNA的蛋白质颗粒； 具有传染性和致病性的病毒（引起疯牛病）。 朊病毒的发现是否违背了“遗传物质是核 酸”和“中心法则”呢？ 四、朊病毒的致病机理 致病性的朊病毒蛋白（以PrPsc表示）是由于正 常的蛋白PrPc改变其折叠状态所致；而PrPc仍是基因 编码产生的一种糖蛋白， PrPsc并不是遗传信息的携 带者。 因此，由引起的疾病又被称为构象病。 第三节 微生物作为遗传学材料的优越性 果蝇复眼色素的合成复杂，每一步都需要一种酶。当某一基因 发生了突变，相应的一个酶促反应便不能进行。 怎样进一步研究基因的作用呢？要得到足够量的复眼色素，必 须饲养成百万头果蝇。能否用别的便于大量培养的生物来代替果 蝇？ 复眼色素是十分复杂的物质，能否采用便于分析的性状进行基 因作用的研究呢？如氨基酸、维生素等。 二倍体中，生物有显性关系，使隐性突变掩盖（微生物一般是单 倍体，便于建立纯系，便于观察基因分离） 微生物的优越性： 独特的生物学特性： 单细胞，单倍体，易培养，无性系，繁殖迅 速； 便于获得营养缺陷型：脉孢菌VB6缺陷型； 能被用作研究复杂体制生物的简单的遗传学 模型 第四节 微生物遗传控制与发酵工业 育种：通过 系统选择、 诱变、 杂交、 原生质体融合 体外基因重组 等技术 培育具有人们所需要遗传性质的生物的过程 应根据代谢调节理论，改变微生物的遗传特性： 营养缺陷型突变株： 某种酶的合成缺陷，途径被切断，使代谢流 汇向目的产物， 同时也能解除反馈调节作用； 抗代谢类似物突变株： 某些受反馈调节的酶的结构改变，不再受相 应的代谢产物的反馈调节； 渗漏突变型：改变细胞膜的通透性； 也能通过引入不同菌株的特定结构基因、启动基因、 或增加基因的数量和转录翻译活性等，以改变微生物 的遗传特性。 第二章 微生物遗传物质 第一节 DNA的结构和复制 一、DNA的结构 1. DNA的一级结构 DNA的一级结构即指碱基顺序。 2. DNA的二级结构 包括B-DNA、A-DNA和Z-DNA三种。 3. DNA的三级结构 有多种形式，其中以超螺旋最常见。 当超螺旋旋转方向和双螺旋方向相反时 ，即为左手螺旋，或负超螺旋。反之为右手螺旋 或正超螺旋。 二、DNA的复制特点和几种主要复制方式 1. DNA的复制是以半保留方式进行复制。 2. 复制起点、复制方向和复制单位 (1)复制起点(origin of replication)： DNA复制开始时在DNA分子上的特定 部位。通常原核生物和质粒的复制起点以ori表示 。 原核生物的DNA一般只有一个复制起 点。 真核生物染色体上有多个复制起点， 真核生物的复制起点通常称为自主复制序列 (autonomously replicatory sequence,简称ARS)。 (2)复制子(replicon)： 每一个复制起点及其复制区则为 一个复制单位，称为复制子。 真核生物染色体含有多个复制子 ，原核细胞的一个染色体上只有一个复制子 。 (3)复制方向： 主要有双向和单向复制两种方式 。 单向复制从一个起点开始，以同 一方向合成两条链，形成一个复制叉。 双向复制从一个起点开始，沿两 个相反的方向各合成两条链，形成两个复制 叉。 大多数生物染色体DNA的复制是 双向的，并且是对称的。 3. 复制的几种主要方式 线性双链DNA的复制一般是双向复制 ，根据复制起点的多少又可分为： (1)双向单点复制 (2)双向多点复制 环状双链DNA的复制，可分为： (1) 型复制、 (2)滚环型复制、 (3)D型复制三种类型 (1)型复制 型复制也有双向和单向，大多数为双向而且等速复制 ，也存在少数双向不等速复制。原核生物原核生物DNADNA复制一般复制一般按 型方式进行双向等速复制。如：E.coliE.coli例外：枯草杆菌， 有固定的起始点，双向不对称复制（两个复制叉移动是不 对称） 双向复制不久后的图象。两个复制叉距离较近，中间形成一 个较小的“眼”。 这“眼”逐 渐扩大， 直到复制 结束时， 两个复制 叉在复制 起始点的 对面位置 上汇合 (2)滚环复制 这种复制方式存在于噬菌体(如X174)、细 菌质粒等DNA的复制中。 滚环复制包括以下几个步骤： (1)亲代 双链DNA的一条链发生断裂，产 生一个自由的3-OH末端。 (2)以含 自由3-OH末端的DNA为引物， 以没有断裂的完好DNA链为模板 ，合成新的DNA链，产生滚环结 构。 (3)3末 端不断延长，断裂链的5末端 不断被置换而甩出一条单链，单 链可以合成其互补链而成为双链 (下图左)，也可以以单链的形式 存在(下图右)。 (4)随着 反应的循环进行，甩出的单链中 就包含着多个拷贝的原始复制子 。该尾巴按照单位长度断裂就可 原始环状复制子。 对于单链 环状DNA分子的X174噬菌体，该 链为正链，在复制时首先合成其 互补的负链，形成共价闭合的双 链超螺旋分子； 然后再通 过滚环复制合成大量正链。 正链可以 包装到噬菌体的蛋白质颗粒中以 产生子代噬菌体，又可作为模板 合成互补的负链，形成的环状双 链DNA，重新参加滚环复制。 (