华南理工大学工业微生物课件微生物遗传变异育种

1 微生物遗传学基础 遗传与变异的概念 遗传和变异是生物体的最本质的属性之一 遗传 heredity 亲代生物的性状在子代得到表现 亲代生物传递给子代一套实现与其相同形状的遗传信息 特点 具稳定性 遗传型 genotype 又称基因型 指某一生物个体所含有的全部基因的总和 是一种内在可能性或潜力 遗传型 环境条件表型表型 phenotype 指生物体所具有的一切外表特征和内在特性的总和 是一种现实存在 是具一定遗传型的生物在一定条件下所表现出的具体性状 遗传与变异的概念 遗传和变异是生物体的最本质的属性之一 遗传 heredity 亲代生物的性状在子代得到表现 亲代生物传递给子代一套实现与其相同形状的遗传信息 特点 具稳定性 遗传型 genotype 又称基因型 指某一生物个体所含有的全部基因的总和 是一种内在可能性或潜力 遗传型 环境条件表型表型 phenotype 指生物体所具有的一切外表特征和内在特性的总和 是一种现实存在 是具一定遗传型的生物在一定条件下所表现出的具体性状 变异 variation 生物体在外因或内因的作用下 遗传物质的结构或数量发生改变 变异的特点 a 在群体中以极低的几率出现 一般为10 6 10 10 b 形状变化的幅度大 c 变化后形成的新性状是稳定的 可遗传的 饰变 modification 指不涉及遗传物质结构改变而只发生在转录 转译水平上的表型变化 特点是 a 几乎整个群体中的每一个个体都发生同样的变化 b 性状变化的幅度小 c 因遗传物质不变 故饰变是不遗传的 引起饰变的因素消失后 表型即可恢复 例如 粘质沙雷氏菌 在25 下培养 产生深红色的灵杆菌素 在37 下培养 不产生色素 如果重新将温度降到25 又恢复产色素的能力 1 1 1DNA作为遗传物质 Avery在四十年代以更精密的实验设计重复了以上实验 分别用降解DNA RNA 蛋白质的酶作用于有毒的S型菌细胞抽提物 只有DNA被酶降解破坏的抽提物无转化活性 DNA是转化所必需的转化因子 1 1遗传变异的物质基础 肺炎链球菌的转化现象 T2噬菌体感染实验 1952年 侯喜 蔡斯 Hershey Chase 1 1 2RNA作为遗传物质 生化提取分别获得含RNA的烟草花叶病毒蛋白质外壳 病毒1 和核酸 病毒2 抗血清处理 证明杂种病毒的蛋白质外壳来自病毒1 而非病毒2 杂种病毒的后代的蛋白质外壳表现为病毒2 而非病毒1 遗传物质是核酸 RNA 而非蛋白质 普通的TMV与毒株霍氏车前花叶病毒 HR 的核酸和蛋白质的拆开和相互对换重建的过程 同样令人信服地证实了核酸是TMV的遗传物质基础 烟草花叶病毒经弱碱 尿素 去垢剂等处理 可以将其蛋白外壳与RNA分开 重新将蛋白外壳与RNA混合 病毒粒子又会重建 将普通的TMV外壳与毒株霍氏车前花叶病毒HR的RNA混合构成杂种病毒 TMV抗体处理会使其钝化 不能引起病斑 而用HR抗体处理 则不会影响杂种病毒的感染性 这说明杂种病毒的外壳确实是TMV病毒的外壳 杂种病毒感染烟草后 在烟叶上出现HR的病斑 而且从中分离到具HR外壳的HR病毒 这表明是TMV的RNA 而不是蛋白质携带着病毒的所有遗传信息 烟草花叶病毒经弱碱 尿素 去垢剂等处理 可以将其蛋白外壳与RNA分开 重新将蛋白外壳与RNA混合 病毒粒子又会重建 1 1 3朊病毒的发现与思考 亚病毒的一种 具有传染性的蛋白质致病因子 迄今为止尚为发现该蛋白内含有核酸 其致病作用是由于动物体内正常的蛋白质PrPc改变折叠状态为PrPsc所致 而这二种蛋白质的一级结构并没有改变 人的库鲁病 kuru 克雅氏病 CreutzfeldtJakobdisease CJD 等 羊搔痒症 scrapie 牛海绵状脑病 spongiformencephalopathy 引起人与动物的致死性中枢神经系统疾病 Prusiner 1982 提出羊搔痒病因子是一种蛋白质侵染颗粒 proteinaceousinfectiousparticle 并将之称做Prion或Virino 朊病毒 1997年 StanleyB Prusiner荣获诺贝尔奖 核酸存在的七个水平及质粒细胞水平 存在于细胞核或核质体 单核或多核细胞核水平 原与真核生物的细胞核结构不同 核外DNA染色体水平 倍性 真核 和染色体数核酸水平 在原核中同染色体水平 存在部分二倍体DNA或RNA 复合或裸露 双链或单链基因水平 具自主复制能力的遗传功能单位 长度与信息量 转录 翻译密码子水平 信息单位 起始和终止 核苷酸水平 突变或交换单位 四种碱基 1 2遗传物质在细胞内的存在部位和方式 原核生物的核质 类核或拟核 nucleoids 习惯上仍称为 梁色体 细菌类核结构 也存在一些RNA 可能不是必需组份分离中带上 蛋白质和DNA E coli的DNA 大约45 10个形成超螺旋的环 高度折叠的结构使DNA分子长度压缩了千余倍 1 3微生物的染色体分子结构 1 3 1原核微生物拟核体 DNA分子形成环状 这种环呈超螺旋状 它从致密的含蛋白质的结构中伸出 支架 E coli2 4 109Da 42000Kb 1300微米 闭合环状 约编码2000个基因 类核 nucleoid 支架 scafford 50 100个DNA环组成 每200bp就有一个负超螺旋 DNA这种高度折叠的结构使DNA分子长度压缩了千余倍 1 3 2真核微生物染色体 1 染色质的基本结构 真核基因组的DNA是与蛋白质结合的 染色质染色质 细胞核中被碱性染料所染的成分染色体 有丝分裂时所见的棒状结构 染色质 核小体是染色质的基本结构单位 核小体结构模型 2 染色体的结构模型 染色体的结构是由两条染色单体 chromatid 组成的 每条染色单体包括一条染色线 chromonema 以及位于线上许多染色很深 颗粒状的染色粒 chromomere 细胞分裂过程中染色质线卷缩成为一定形态结构的染色体 3 着丝粒和端体 着丝粒是染色体的缩缢部位 是细胞分裂过程中纺锤丝 spindlefiber 结合的区域 端粒的功能防止染色体末端为DNA酶酶切 防止染色体末端与其它DNA分子的结合使染色体末端在DNA复制过程中保持完整 2 4微生物基因组 基因组 genome 一个物种的单倍体的所有染色体及其所包含的遗传信息的总称 原核生物 如细菌 多为单倍体 在一般情况下只有一条染色体 真核微生物 多条染色体 例如啤酒酵母有16条染色体 有时为双倍体 有代表性的生物体内DNA大小 1 4 1原核生物 细菌 古生菌 的基因组 1 染色体为双链环状的DNA分子 单倍体 链环状的染色体在细胞中以紧密缠绕成的较致密的不规则小体形式存在于细胞中 该小体称为拟核 nucliod 其上结合有类组蛋白蛋白质和少量RNA分子 使其压缩成一种手脚架形的致密结构 2 基因组上遗传信息具有连续性 基因数基本接近由它的基因组大小所估计的基因数 微生物基因组DNA绝大部分用来编码蛋白质 RNA 用作为复制起点 启动子 终止子和一些由调节蛋白识别和结合的位点等信号序列 一般不含内含子 遗传信息是连续的而不是中断的 真核生物基因组的一个重要特点就是含有内含子 个别细菌 鼠伤寒沙门氏菌和犬螺杆菌 和古生菌的rRNA和tRNA中也发现有内含子或间插序列 3 功能相关的结构基因组成操纵子结构 4 结构基因的单拷贝及rRNA基因的多拷贝 5 基因组的重复序列少而短 古生菌的基因组在结构上类似于细菌 但是信息传递系统 复制 转录和翻译 则与细菌不同而类似于真核生物 操纵子 operon 功能相关的几个基因前后相连 再加上一个共同的调节基因和一组共同的控制位点 启动子 操作子等 在基因转录时协同动作 1 4 2真核微生物 啤酒酵母 的基因组 1 典型的真核染色体结构 2 没有明显的操纵子结构 啤酒酵母基因组大小为13 5 106bp 分布在16条染色体中 3 有间隔区 即非编码区 和内含子序列 4 重复序列多 1 5染色体外遗传成份 基因不仅存在在染色体上 还存在于细胞中的染色体外的遗传因子上 核外染色体 真核生物的 质粒 原核生物的质粒 线粒体细胞质基因叶绿体 质体 中心体动体共生生物 卡巴颗粒酵母菌的2 m质粒 F因子R因子Col质粒Ti质粒巨大质粒降解性质粒 1 5 1原核微生物核外遗传物质 质粒 plasmid 一种独立于染色体外 能进行自主复制的细胞质遗传因子 主要存在于各种微生物细胞中 1 质粒的分子结构 通常以共价闭合环状 covalentlyclosedcircle 简称CCC 的超螺旋双链DNA分子存在于细胞中 也发现有线型双链DNA质粒和RNA质粒 质粒分子的大小范围从1kb左右到1000kb 细菌质粒多在10kb以内 质粒的检测 提取所有胞内DNA后电镜观察 超速离心或琼脂糖凝胶电泳后观察 对于实验室常用菌 可用质粒所带的某些特点 如抗药性初步判断 对于由于三种构型同时存在时造成的多带现象 提取质粒时造成或自然存在 可以进行特异性单酶切 使其成为一条带 特定的质粒提取方法和后处理使染色体和RNA均被除掉 2 质粒的主要类型 在某些特殊条件下 质粒有时能赋予宿主细胞以特殊的机能 从而使宿主得到生长优势 质粒所含的基因对宿主细胞一般是非必需的 质粒所编码的功能和赋予宿主的表型效应 致育因子 Fertilityfactor F因子 抗性因子 Resistancefactor R因子 产细菌素的质粒 Bacteriocinproductionplasmid 毒性质粒 virulenceplasmid 代谢质粒 Metabolicplasmid 隐秘质粒 crypticplasmid 1 致育因子 Fertilityfactor F因子 又称F质粒 其大小约100kb 这是最早发现的一种与大肠杆菌的有性生殖现象 接合作用 有关的质粒 携带F质粒的菌株称为F 菌株 相当于雄性 无F质粒的菌株称为F 菌株 相当于雌性 F因子能以游离状态 F 和以与染色体相结合的状态 Hfr 存在于细胞中 所以又称之为附加体 episome 2 抗性因子 Resistancefactor R因子 包括抗药性和抗重金属二大类 简称R质粒 R100质粒 89kb 可使宿主对下列药物及重金属具有抗性 汞 mercuricion mer 四环素 tetracycline tet 链霉素 Streptomycin Str 磺胺 Sulfonamide Su 氯霉素 Chlorampenicol Cm 夫西地酸 fusidicacid fus 并且负责这些抗性的基因是成簇地存在于抗性质粒上 抗性质粒在细菌间的传递是细菌产生抗药性的重要原因之一 3 产细菌素的质粒 Bacteriocinproductionplasmid 细菌素结构基因 涉及细菌素运输及发挥作用 processing 的蛋白质的基因 赋予宿主对该细菌素具有 免疫力 的相关产物的基因 一般都位于质粒或转座子上 因此 细菌素可以杀死同种但不携带该质粒的菌株 细菌素一般根据产生菌的种类进行命名 大肠杆菌 E coli 产生的细菌素为colicins 大肠杆菌素 而质粒被称为Col质粒 由G 细菌产生的细菌素或与细菌素类似的因子与colicins有所不同 但通常也是由质粒基因编码 有些甚至有商业价值 例如一种乳酸细菌产生的细菌素NisinA能强烈抑制某些G 细菌的生长 而被用于食品工业的保藏 4 毒性质粒 virulenceplasmid 许多致病菌的致病性是由其所携带的质粒引起的 这些质粒具有编码毒素的基因 其产物对宿主 动物 植物 造成伤害 产毒素大肠杆菌是引起人类和动物腹泻的主要病原菌之一 其中许多菌株含有为一种或多种肠毒素编码的质粒 苏云金杆菌含有编码 内毒素 伴孢晶体中 的质粒 根癌土壤杆菌所含Ti质粒是引起双子叶植物冠瘿瘤的致病因子 5 代谢质粒 Metabolicplasmid 质粒上携带有有利于微生物生存的基因 如能降解某些基质的酶 进行共生固氮 或产生抗生素 某些放线菌 等 将复杂的有机化合物降解成能被其作为碳源和能源利用的简单形式 环境保护方面具有重要的意义 假单胞菌 具有降解一些有毒化合物 如芳香簇化合物 苯 农药 2 4 dichlorophenoxyaceticacid 辛烷和樟脑等的能力 降解质粒 6 隐秘质粒 crypticplasmid 隐秘质粒不显示任何表型效应 它们的存在只有通过物理的方法 例如用凝胶电泳检测细胞抽提液等方法才能发现 它们存在的生物学意义 目前几乎不了解 在应用上 很多隐秘质粒被加以改造作为基因工程的载体 一般加上抗性基因 高拷贝数 highcopynumber 质粒 每个宿主细胞中可以有10 100个拷贝 松弛型质粒 relaxedplasmid 低拷贝数 lowcopynumber 质粒 每个宿主细胞中可以有1 4个拷贝 严谨型质粒 stringentplasmid 窄宿主范围质粒 narrowhostrangeplasmid 只能在一种特定的宿主细胞中复制 广宿主范围质粒 broadhostrangeplasmid 可以在许多种细菌中复制 3 质粒的不亲和性 质粒之间的不亲和性 以及质粒拷贝数的多少 能适应的宿主范围的宽窄等特性均与质粒的复制控制类型有关 1 5 2真核微生物核外遗传物质 1 真核微生物质粒 多数酵母菌中也含有一种典型的质粒称为2 质粒 封闭环状的双链DNA分子 周长约2 m 6kb左右 高拷贝数存在于酵母细胞中 每个单倍体基因组含60