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细菌遗传学 遗传与变异变异 基因突变与基因转移 细菌的遗传和变异 遗传 heredity 遗传使细菌的性状保持相对稳定 且代代相传 使其种属得以保存 变异 variation 在一定条件下 子代和亲代之间以及子代和子代之间的差异称为变异 细菌的变异现象 形态 结构变异 如 孢子 荚膜 鞭毛 毒力变异耐药性变异代谢变异 营养缺陷 糖发酵类型 生化反应 抗原性变异菌落变异温度敏感性变异 变异 遗传性变异 基因型变异 细菌的基因结构发生了改变 如基因突变或重组 不可逆 可遗传给后代 非遗传性变异 表型变异 环境改变导致 基因结构未发生变异 可逆 不可遗传 形态结构变异 3 6 食盐鼠疫杆菌 多形态性 衰残型 琼脂培基 形态结构变异 青霉素 溶菌酶正常形态细菌 L型变异抗体或补体 部分或完全失去胞壁 正常霍乱弧菌 霍乱弧菌L型 形态结构变异 特殊结构的变异42 43 炭疽杆菌 失去形成芽胞能力 毒性10 20天降低变形杆菌 H 1 石炭酸 O 迁徙生长单个菌落 毒力变异 胆汁 甘油 马铃薯培养基牛型结核杆菌 卡介苗13年 230代 耐药性变异 细菌对某种抗菌药物有敏感变成耐药的变异称为耐药性变异 金黄色葡萄球菌耐青霉素的菌株已从1946年的14 上升至目前的80 有些细菌还表现为同时耐受多种抗菌药物 即多重耐药性 甚至产生药物依赖性 含链霉素培基痢疾杆菌 依链株 耐药菌株 长期培养 菌落变异 在陈旧培养基中长期培养光滑型菌落 粗糙型菌落S或在有免疫力的人体内R失去LPS的特异性多糖重复单位 细菌遗传学 基因突变与基因转移 起步较晚 主要是细菌遗传学的研究要以群体为研究对象 而多细胞的动植物的遗传学却能以个体为研究对象 细菌作为遗传学研究的优点 细菌是单倍体 遗传物质的改变即可导致表型的改变 并且繁殖快速 而真核生物是二倍体 遗传物质的改变却不一定导致表型的改变 发展迅速 细菌遗传学是是分子生物学的重要基础 是基因工程的奠基石 几个基本概念 基本培养基 minimalmedium 只含有少量无机盐 如 Na K Mg NH4 痕量营养元素 如 B1 和一种碳源 如 葡萄糖 甘油 凡能满足某一菌种野生型和原养型菌株营养要求的最低成分的组合培养基 营养培养基 Nutrientmedium 又称LB Luriabroth orYT培养基 含酵母提取物 蛋白胨氯化钠 又称完全培养基原养型菌 prototroph 能在基本培养基生长的菌株野生型菌 wildtype 指某一微生物在发生营养要求突变以前的原始菌 补充培养基 在基本培养基中有针对性地加上某一种或几种其自身不能合成的成分 以满足相应营养缺陷型生长的培养基 营养缺陷型表示 所要求的营养物的头三个字母表示 如bio 对应的野生型以bio 表示营养缺陷型菌 auxotroph 不能在基本培养基上生长 而只能在营养培养基生长的菌株 该类型菌多是与生化合成反应有关的基因发生了变异 使正常的代谢过程受到阻碍 该类型菌在工业上有很大的应用价值 如Met Vel E coli生产Thr 细菌的基因符号和命名 例StrainNo SexgenotypephenotypeCSH1F trpB lacZ thi strATrp Lac B1 StrrCSH13F lacZproA B lacpro supEthi 一 基因突变 突变的自发性 从孟德尔遗传学到分子现代遗传学的建以都是以变异的研究为基础的 无论是基因结构的确定 基因定位 还是基因表达和调控 以及育种等实际应用都是如此 细菌的遗传学则主要以其中的突变体为实验材料进行研究 突变是指遗传物质突然发生了稳定的可遗传的变化 包括数量与结构的改变 以细菌进行遗传学试验之困惑 细菌基因的突变是自发还是被诱导 三个经典实验 一 波动试验Fluctuationtest 1943年S E LuriaGenetics28 491 511 T1phage 烈性噬菌体E coli敏感菌 自发还是诱变的证明 Phage picture 实验推理 如果细菌的抗性是由phage引起的 adaptation 则分装于小管中的样品将出现大致相等数目的抗性细菌 但如果抗性突变是自发的 则各小管中样品中所含突变的细菌数应与发生突变的早晚有关 实验结果 各小管所涂平板抗性菌落数相差极大 说明抗性不是phage诱导出来的 而是在接触到phage之前 在某一次细胞分裂过程中随机地自发产生的 Luria Delbruck 二 涂布试验 自发还是诱变的证明 Newcombe涂布实验结果 涂布试验于1949年由H Newcombe设计 其原理与波动试验相同 如果细菌抗性是诱发的 加入phage前重新涂布无非使细菌所处的位置发生了变化 但如果是自发产生的 则可使重新涂布的培养皿中长出多得多的抗性菌落 三 影印培养法 1951年J ELederberg发明影印培养法法 Replicaplating 直接证明了突变的自发性 细菌的抗药性发生在加入药物以前 而药物的作用只是把突变型筛选出来 影印培养法可以分离出纯种的突变株 它在微生物遗传的理论和育种研究中都有广泛的应用 自发还是诱变的证明 Likethefluctuationtest replicaplatingshowsthatmutationsarenotinducedbytheselectivemediaontheplate TheXontheplatesistoindicatethattheyhavethesameorientation 基因突变的类型 1 点突变 多点突变2 按表型 形态突变 生化突变 营养缺陷型 糖发酵能力 抗性突变型 对药物的依赖 致死性突变 条件致死性 Ts 毒力改变以及抗原性突变3 按突变所引起的遗传信息意义是否改变 错义 missense 同义 samesence 和无义 nonsense 突变4 按遗传物质结构的改变 碱基置换 substituion 碱基插入 insertion 碱基缺失 deletion 和移码 frameshift Lederberg 基因突变的类型 1 营养缺陷型 1941 1944年Beadle Tatum认为如果特定代谢途径中的酶是受基因控制的话 则其中某一基因的突变就不再产生相应的酶 就应得到相应的突变株 提出 onegene oneenzymehypothesis营养培养基 基本培养基 E coli1 的菌落 补充成份的基本培养基 Leu Ade 2 糖发酵突变型 EMB琼脂 MacConkey琼脂3 温度敏感突变型 1951年Horowitz E coli 基本培养基 40 18h转至25 120h 161个Ts其中37个是营养缺陷型 其余的是 回复突变 以前所述基因突变均为所编码蛋白质功能的丧失或功能的变化属于正向突变 forwardmutation 但自然界也大量存在突变型重新获得野生表型的回复过程 称为回复突变 reverseorbackmutation 如 His His 回复突变一个重要的应用是作为诱变剂和致癌剂的检测手段Ames试验 His 鼠伤寒沙门菌 突变的分子基础 自学 诱变剂的作用自发突变的机制错配修复与增变基因 mutatorgene dammutHmutLmutSuvrD突变的热点 突变类型的筛选 基因突变是通过其表型效应而被发现的 通常突变在群体中占极少数 因此需要用一些特别的方法来区分突变型与野生型菌 前述的影印培养法 EMB批示平板法 筛选过程 野生型菌诱变剂处理突变型浓缩突变型分离突变型鉴定 突变类型的筛选 突变型的浓缩1 青霉素浓缩法2 差别杀菌法3 饥饿法 某些营养缺陷型菌株在一些培养条件下会死亡 但当细胞中发生另一营养缺陷突变时 反而使细菌能存活下来 如 E coliThy 菌在无Thy的基本培养基中培养可得到另外一些营养缺陷型菌株 突变类型的筛选 突变型的分离1 逐个分离法2 夹层培养法 3 限量补给法 基本培养基加0 1 的LB琼脂平板4 噬菌体突变型分离 突变类型的筛选 突变型的鉴定 有正选择 抗性突变 和负选择两种 营养缺陷型 1 生长谱法 2 梯度培养皿法 梯度培养皿法 底层 不含抗生素上层 含抗生素 细菌生长情况 第二部分 基因转移 人类能感知的自然界两性现象是生命得以一代一代传递下去的普遍规律 细菌是否存在两性现象 也即不同性状的细菌间是否能通过遗传物质的交换而产生新的性状的后代 并且新的性状能具有遗传特征 二 基因转移 除基因发生突变外 还有细菌间的基因转移也可使细菌的遗传物质和表型发生变化在细菌中遗传物质有三种转移的形式 接合 conjugation DNA从细胞到细胞直接转移转化 transformation 细胞从周围介质中吸收裸露的DNA转导 transduction 以噬菌体为媒介 将供体菌的部分DNA转移到受体菌的现象 在动物细胞中 从周围介质中吸收任何裸露DNA都称为转染 在酵母和植物细胞中导入裸露的DNA可以称为转染或转化 三种转移形式的共同特点是 1 单方向转移 2 产生部分二倍体 partialdiploid 3 基因只有整合到环状染色体上才能稳定地遗传 细菌的接合 一 E coli接合的发现1946年莱德伯格 Lederberg J 和塔特姆 Tatum 发现细菌的接合 conjugation 细菌接合是指通过细胞的直接接触 遗传信息从供体单向转移到受体的过程 研究不同性状细菌间的杂交的两大难题 a b a b a b 10 7 和回复突变频率相近 难以区别 2 E coli杂交产生重组频率为10 7 筛查重组子的工作量太大 解决的方法 1 使用多重突变型 multipleauxotrophs 2 采用基本培养基和选择培养基 A品系 met bio thi leu thr B品系 met bio thi leu thr 基本培养基 基本培养基 met bio thi leu thr E ColiK12品系 conjugation 混合培养菌的平板上约每107个亲本细胞中出现一个原养型菌落质疑 是否为回复突变 任意2个基因突变的回复突变率均小于10 12 细菌的杂交实验获得的重组子可能是转化的结果 3 培养基中含有某些代谢产物 混合后这些产物互相补充了对方的不足而得以在基本培养基上生长 1950年Davis的实验证明A B菌遗传物质的交换需要细菌的直接接触 conjugation 两个亲本菌的作用是否等同Hayes的发现 氯霉素处理A菌再与B菌杂交 结果没有影响 但用氯霉素处理B菌后再与A菌杂交 结果却没有重组子细菌接合中的遗传物质的转移是单向过程 其中A作为遗传物质的供体 而重组发生在作为受体菌的B中 conjugation 供体或雄性菌 male 受体或雌性菌 female 决定雄性的是染色体外的一个共价环状的DNA分子 称为F性因子 Fsexfactor 或称至育因子 fertilityfactor 雄性菌用F 表示 雌性菌用F 表示 F因子的主要表现是细胞表面的性伞毛 是细胞接合所必须的 F因子基因组主要由三个功能区组成 控制自主复制区段 控制细胞间传递的基因群区段 含有形成性丝基因 控制重组区段 F因子存在形式 游离态或整合态 游离态独立于染色体进行自主复制 整合态结合于染色体DNA随染色体DNA复制而复制 F因子可以结合于染色体也可以从染色体DNA上脱离下来 脱离的时候会出现一定概率的错误基因交换 从而使F因子带上宿主染色体的遗传因子 此时F因子为F 因子 因此E coli依此分类有 F 雄性株 含有F因子的菌株 有性丝 F 雌性株 不含有F因子的菌株 没有性丝 Hfr菌 F因子整合在宿主染色体的菌株 F 菌 带有F 因子的大肠杆菌 E coli染色体基因图 高频重组菌 Hfr 用诱变剂处理A菌可得到许多突变体 它们再与B菌杂交时 所产生重组体的频率比A菌 B菌高出一千倍 是F因子整合到宿主的染色体所致Hfr菌的F因子整合到宿主的染色体中可介导宿主DNA的转移中断杂交法绘图 基因连锁图 基因转移 二 1 概念 1 转化 受体细胞从外界直接吸收了来自供体细胞DNA片断 并与其染色体同源片段进行遗传物质变换 从而使受体细胞获得了新的遗传特性的现象 细菌由于摄入外源DNA片断而获得新的遗传标记 2 转化子 经转化后出现了供体性状的受体细胞 即是转化成功的菌落 3 转化因子 有转化活性的外来DNA片段Avery 1944 4 感受态 细菌能够从周围环境中吸收DNA分子进行转化的生理状态 2 转化条件 1 受体菌 处于感受态 2 外源DNA 具有高相对分子质量和同源性 3 转化过程 1 感受态细胞的建立 感受态因子CF 2 DNA的结合和摄取 3 转化因子与染色体重组 Griffith sExperimentsinBacterialTransformation Griffith sExperimentsinBacterialTransformation 自然转化 naturaltransformation 在自然转化中细菌可以自由地吸收DNA 通过它来进行遗传转化 肺炎球菌 嗜血杆菌 枯草杆菌等的转化属于自然转化 二 转化transformation transformation 质粒 细菌 transformation 质粒 细菌 工程转化 engineeredtransformation 在这种转化中 细菌发生改变使得它们能摄入并转化外源DNA E coli转化就属于工程转化 用转化绘制遗传图谱 转化子平均达20kb 这足够含一个以上的基因 如携带基因A的转化子也可能同时包含基因B 紧密连锁的基因的双转化效率比不连锁的基因的比转化效率要高得多 基因转移 三 转导 转导现象的发现 1952年ZingerandLederberg用两株营养缺陷型菌LA2 phe trp met his LA22 phe trp met his 上述两有似接合或转化的基因转移现象 但以Davis管培养时仍可出现重组菌 说明这两个菌的重组是由一种过滤性因子完成的 用DNase处理过滤性因子也不失去活性 因此 它不是转化分离的过滤性因子与噬菌体p22大小相似 用p22血清处理时 过滤性因子功能失活 transduction transduction transduction transduction 转导 通过噬菌体为媒介 将供体菌的部分DNA转移到受体菌的现象 由于绝大多数细菌均有phage 且被转导的DNA是位于phage的蛋白质外壳内受到保护不会被DNA酶所降解 因而 转导作用比转化和接合作用更为普遍 普遍性转导局限性转导 细菌中可转座的遗传因子 原核与真核细胞基因组中一些可以从一个位置转移到另一个位置的序列叫转座因子易位因子 transpossablegeneticselements 细菌中有三类 插入顺序 IS insertionsequences转座子 Tn Transposon某些温和型phage 如MuJumpinggenes AtransposableelementisabitofDNAthatcanmovefromplacetoplaceinanorganism sgenome ItisexcisedfromonesiteandinsertedatanothersiteThemovementofatransposableelementcangeneratemutationsorchromosomalrearrangementsandthusaffecttheexpressionofothergenes Transposablegeneticelements hypotheticallypredictedalreadyinthe1940sand1950sbyBarbaraMcClintock ColdSpringHarbourLabs NY USA NobelPrize1983 IS的发现 变性 复性处理 gal gal Tn9 Tn10 真核生物的转座因子 质粒 质粒是细胞染色体外能独立复制的一种环状双链DNA分子 大小从1kb到200kb不等 广