《微生物的遗传》PPT课件.ppt

第八章微生物的遗传 第八章微生物的遗传变异与育种 理想的工业发酵菌种应符合以下要求 遗传性状稳定 生长速度快 不易被噬菌体等异种微生物污染 目标产物的产量尽可能接近理论转化率 目标产物最好能分泌到细胞外 以降低产物抑制并利于分离 尽可能减少产物类似物的产量 以提高目标产物的产量并利于分离 培养基成分简单 来源广 价格低廉 对温度 pH 离子强度 剪切力等环境因素不敏感 对溶氧的要求低 便于培养及降低能耗 微生物的独特生物学特性 1 个体的体制极其简单 2 营养体一般都是单倍体 3 易于在成分简单的组合培养基上大量生长繁殖 4 繁殖速度快 5 易于积累不同的中间代谢产物或终产物 6 菌落形态特征的可见性和多样性 7 环境条件对微生物群体中各个个体作用的直接性和均一性 8 易于形成营养缺陷型 9 各种微生物一般都有相应的病毒 10 存在多种处于进化过程中的原始有性生殖方式 微生物是研究现代遗传学和其它许多主要的生物学基本理论问题中最热衷的研究对象 对微生物遗传规律的深入研究 不仅促进了现代分子生物学和生物工程学的发展 而且为育种工作提供了丰富的理论基础 促使育种工作从不自觉到自觉 从低效到高效 从随机到定向 从近缘杂交到远缘杂交的方向发展 研究微生物遗传学的意义 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 遗传与变异的概念 第一节遗传变异的物质基础 种质连续理论 1883 1889年间Weissmann提出 认为遗传物质是一种具有特定分子结构的化合物 基因学说 1933年摩尔根 ThomasHuntMorgan 发现了染色体 并证明基因在染色体上呈直线排列 提出了基因学说 使得遗传物质基础的范围缩小到染色体上 但染色体是由核酸和蛋白质两种长链高分子组成 20多种氨基酸经过不同排列组合 可以演变出的蛋白质数目几乎可以达到一个天文数字 而核酸的组成却简单得多 一般仅由4种不同的核苷酸组成 它们通过排列核组合只能产生较少种类的核酸 因此当时认为决定生物遗传型的染色体和基因 起活性成分是蛋白质 DNA是遗传变异的物质基础的证明 1944年以后 先后有利用微生物为实验对象进行的三个著名实验的论证 肺炎球菌的转化试验 噬菌体感染试验 病毒的拆开与重建试验 才使人们普遍接受核酸才是真正的遗传物质 1928年 Griffith进行了以下几组实验 1 动物实验对小鼠注射活RII菌或死SIII菌 小鼠存活对小鼠注射活SIII菌 小鼠死亡对小鼠注射活RII菌和热死SIII菌 小鼠死亡抽取心血分离活的SIII菌 一 证明核酸是遗传物质基础的三个经典实验 研究对象 Streptococcuspneumoniae 肺炎双球菌 SIII型菌株 有荚膜 菌落表面光滑 有致病性RII型菌株 无荚膜 菌落表面粗糙 无致病性 一 经典转化实验 transformation 混合培养 RII型活菌 SIII型活菌 SIII型热死菌 RII型活菌 SIII型活菌 健康 健康 健康 健康 健康 健康 健康 病死 病死 病死 Griffith转化试验示意 2 细菌培养实验 3 S型菌的无细胞抽提液试验 以上实验说明 加热杀死的SIII型细菌细胞内可能存在一种转化物质 它能通过某种方式进入RII型细胞并使RII型细胞获得稳定的遗传性状 转变为SIII型细胞 热死SIII菌 不生长活RII菌 长出RII菌热死SIII菌 长出大量RII菌和10 6SIII菌 活R菌 S菌无细胞抽提液 长出大量R菌和少量S菌 活RII菌 平皿培养 加S菌DNA 加S菌DNA及DNA酶以外的酶 加S菌的DNA和DNA酶 加S菌的RNA 加S菌的蛋白质 加S菌的荚膜多糖 活R菌 长出S菌 只有R菌 1944年O T Avery C M MacLeod和M McCarty从热死S型S pneumoniae中提纯了可能作为转化因子的各种成分 并在离体条件下进行了转化试验 只有S型细菌的DNA才能将S pneumoniae的R型转化为S型 且DNA纯度越高 转化效率也越高 说明S型菌株转移给R型菌株的 是遗传因子 二 噬菌体感染实验 A D Hershey和M Chase 1952年 1 含32P DNA的一组 放射性85 在沉淀中 上清液中含15 放射性 沉淀中含85 放射性 沉淀中含25 放射性 以32S标记蛋白质外壳做噬菌体感染实验 2 含35S 蛋白质的一组 放射性75 在上清液中 上清液中含75 放射性 三 植物病毒的重建实验 为了证明核酸是遗传物质 H Fraenkel Conrat 1956 用含RNA的烟草花叶病毒 TMV 进行了著名的植物病毒重建实验 将TMV在一定浓度的苯酚溶液中振荡 就能将其蛋白质外壳与RNA核心相分离 分离后的RNA在没有蛋白质包裹的情况下 也能感染烟草并使其患典型症状 而且在病斑中还能分离出正常病毒粒子 MTVHRV HRVMTV 1 RNA TMV 蛋白质 HRV 2 RNA HRV 蛋白质 TMV 用两种杂合病毒感染寄主 1 表现TMV的典型症状病分离到正常TMV粒子 2 表现HRV的典型症状病分离到正常HRV粒子 上述结果说明 在RNA病毒中 遗传的物质基础也是核酸 选用TMV和霍氏车前花叶病毒 HRV 分别拆分取得各自的RNA和蛋白质 将两种RNA分别与对方的蛋白质外壳重建形成两种杂合病毒 一 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 二 遗传物质在细胞内的存在部位和方式 三 原核生物的质粒 定义 是一类小型闭合环状核外双螺旋DNA分子 能独立于细胞核进行自主复制 大小 约为2 100 106Dalton 上面携带有数个到数十个甚至上百个基因 性质 可以在细胞质中独立于染色体之外独立存在 游离态 也可以通过交换掺入染色体上 以附加体 episome 的形式存在 质粒是一种复制子 replicon 根据自我复制能力的不同 可把质粒复制的控制形式分为严紧型和松弛型两种 严紧型质粒的复制受细胞核控制 与染色体DNA复制相伴随 一般一个寄主细胞内只有少数几个 1 5 个拷贝 松弛型质粒的复制不受细胞核控制 在染色体DNA复制停止的情况下仍可以进行复制 在细胞内的数量可以达到10 200个或更多 可以通过转化 转导或接合作用而由一个细菌细胞转移到另一个菌细胞中 使两个细胞都成为带有质粒的细胞 质粒转移时 它可以单独转移 也可以携带着染色体 片段 一起进行转移 所以它可成为基因工程的载体 对于细菌的生存并不是必要的 功能多样化功能 进行细胞间接合 并带有一些基因 如产生毒素 抗药性 固氮 产生酶类 降解功能等 重组 在质粒之间 质粒与染色体之间菌可发生 存在范围 很多细菌如E coli Shigella S aureus Streptococcuslactis 根癌土壤杆菌等制备 包括增殖 裂解细胞 分离质粒与染色体和蛋白质等成分 去除RNA和蛋白质等步骤 鉴定 电镜观察 电泳 密度梯度离心 限制性酶切图谱等方法 三 原核生物的质粒 几种代表性质粒 Figure RepresentativeFERTILITYPLASMID Afertilityplasmidcarriesthegenesforconjugationaswellasanumberofothergenes Inthisfigurethefertilityplasmidalsocarriesantibioticresistantgenes 1 F 因子 fertilityfactor 又称致育因子或性因子 62 106Dalton 94 5kb 相当于核染色体DNA2 的环状双链DNA 足以编码94个中等大小多肽 其中1 3基因 tra区 与接合作用有关 存在于肠细菌属 假单胞菌属 嗜血杆菌 奈瑟氏球菌 链球菌等细菌中 决定性别 最初发现于痢疾志贺氏菌 Shigelladysenteriae 后来发现还存在于Salmonella Vibrio Bacillus Pseudomonas和Staphylococcus中 R因子由相连的两个DNA片段组成 即抗性转移因子 resistencetransforfactor RTF 和抗性决定R因子 r determinant RTF为分子量约为11 106Dalton 控制质粒copy数及复制 抗性决定质粒大小不固定 从几百万到100 106Dalton以上 其上带有其它抗生素的抗性基因 R 因子在细胞内的copy数可从1 2个到几十个 分为严紧型和松弛型两种 经氯霉素处理后 松弛型质粒可达2000 3000个 细胞 2 R因子 resistancefactor 产大肠杆菌素因子 大肠杆菌素是由E coli的某些菌株所分泌的细菌素 能通过抑制复制 转录 转译或能量代谢等而专一地杀死其它肠道细菌 其分子量约4 104 8 104Dalton 大肠杆菌素都是由Col因子编码的 Col因子可分为两类 分别以ColE1和ColIb为代表 ColE1分子量约为5 106Dalton 无接合作用 是多copy的 ColE1研究得很多 并被广泛地用于重组DNA的研究和用于体外复制系统上 ColIb分子量约为80 106Dalton 它与F因子相似 具有通过接合作用转移的功能 属于严紧型控制 只有1 2个copy 凡带Col因子的菌株 由于质粒本身编码一种免疫蛋白 从而对大肠杆菌素有免疫作用 不受其伤害 3 Col因子 colicinogenicfactor 4 Ti质粒 tumorinducingplasmid 即诱癌质粒 存在于根癌土壤杆菌 Agrobacteriumtumefaciens 中 可引起许多双子叶植物的根癌 当细菌侵入植物细胞中后 在其细胞中溶解 把细菌的DNA释放到植物细胞中 这时 含有复制基因的Ti质粒的小片段与植物细胞中的核染色体发生整合 破坏控制细胞分裂的激素调节系统 从而使它转变成癌细胞 Ti质粒长200kb 是一个大型质粒 当前 Ti质粒已成为植物遗传工程研究中的重要载体 一些具有重要性状的外源基因可借DNA重组技术设法插入到Ti质粒中 并进一步使之整合到植物染色体上 以改变该植物的遗传性 达到培育植物优良品种的目的 是近年来在Rhizobium 根瘤菌属 中发现的一种质粒 分子量为200 300 106Dalton 比一般质粒大几十倍到几百倍 故称巨大质粒 其上有一系列固氮基因 6 巨大质粒 mega质粒 5 降解性质粒 降解性质粒只在假单胞菌属中发现 它们的降解性质粒可为一系列能降解复杂物质的酶编码 从而能利用一般细菌所难以分解的物质做碳源 这些质粒以其所分解的底物命名 例如有分解CAM 樟脑 质粒 XYL 二甲苯 质粒 SAL 水杨酸 质粒 MDL 扁桃酸 质粒 NAP 奈 质粒和TOL 甲苯 质粒等 基因 原核生物基因系统 启动子 基因 操纵子操纵子 基因 基因调控系统结构基因调节基因 基因是能够表达和产生基因产物 蛋白质或RNA 的DNA序列 细胞水平 大部分或全部DNA都集中于细胞核或核质体中 不同种类微生物或同种不同细胞中细胞核的数目不同 染色体水平 真核微生物的每个细胞核内含有一定数量的染色体 而原核微生物中一个核质体就是一个裸露的 光学显微镜下不能看到的环状染色体 一些真核生物和原核生物基因组的比较 生物单倍体的分子量核苷酸已知染色体数约数 Da 对数基因数人323 5 10125 7 109 4000黑腹果蝇47 9 10108 0 1075000 6000粗糙脉孢菌72 8 10104 5 107 500大肠杆菌12 5 1093 8 106 1027噬菌体T411 1 1082 0 105 135噬菌体 13 2 1074 8 104 35噬菌体MS211 1 1063 5 1033 密码子 coden 由3个核苷酸顺序决定 负载遗传信息的基本单位不对称转录 只有DNA双链的一股才作为有意义链被转录 这种现象又称不对称转录 起始密码子 AUG 甲硫氨酸或甲酰甲硫氨酸终止密码子 UAA UGA UAG 遗传密码指DNA链上各个核苷酸的特定排列顺序 核外DNA的种类 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 第二节基因突变和诱变育种 突变 mutation 指生物体的表型突然发生的可遗传的变化 染色体畸变 细胞学上可以看到染色体的变化基因突变 细胞学上看不到遗传物质的变化突变体 mutant 发生了突变的微生物细胞或菌株野生型 wildtype 从自然界分离到的任何微生物在其发生突变前的原始菌株 依表型的改变分为 形态突变型 营养缺陷型 因突变而丧失产生某种生物合成酶的能力 并因而成为必须在培养基中添加某种物质才能生长的突变类型 发酵突变型 丧失产生某种生物合成酶能力的突变型抗性突变型 因突变而产生了对某种化学药物或致死物理因子的抗性条件致死突变型 突变后在某种条件下可正常生长繁殖 而在另一条件下却无法生长繁殖的突变型抗原突变型 因突变而引起的抗原结构发生改变产量突变型 一 基因突变的类型 按是否比较容易 迅速地分离到发生突变的细胞来分 选择性突变株 selectivemutant 具有选择标记 如营养缺陷性 抗性突变型 条件致死突变型 只要选择适当的环境条件 如培养基 温度 pH值等 就比较容易检出和分离到 非选择性突变株 non selectivemutant 无选择标记 如产量突变型 抗原突变型 形态突变型 能鉴别这种突变体的惟一方法是检查大量菌落并找出差异 二 突变率 定义 每一细胞在每一世代中发生某一性状突变的几率 突变率为10 8是指该细胞在一亿次细胞分裂中 会发生一次突变 突变率也可以用每一单位群体在每一世代中产生突变株 mutant 即突变型 的数目来表示 如一个含108个细胞的群体 当其分裂为2 108个细胞时 即可平均发生一次突变的突变率也是10 8 突变率 突变细胞数 分裂前群体细胞数突变是独立的 某一基因发生突变不会影响其它基因的突变率 在同一个细胞中同时发生两个基因突变的几率是极低的 因为双重突变型的几率只是各个突变几率的乘积 由于突变的几率一般都极低 因此 必须采用检出选择性突变株的手段 尤其是采用检出营养缺陷型的恢复突变株 backmutant或reversemutant 或抗性突变株特别是抗药性突变株的方法来加以确定 若干细菌某一性状的自发突变率 菌名突变性状变率E coli抗T1噬菌体3 10 8E coli抗T3噬菌体1 10 7E coli不发酵乳糖1 10 10E coli抗紫外线1 10 5Staphylococcusaureus抗青霉素1 10 7S aureus抗链霉素1 10 9Salmonellatyphi抗25 g L链霉素1 10 6Bacillusmegaterium抗异烟肼5 10 5 三 突变的特点 适用于整个生物界 以细菌的抗药性为例 不对应性 突变的性状与突变原因之间无直接的对应关系 自发性 突变可以在没有人为诱变因素处理下自发地产生 稀有性 突变率低且稳定 独立性 各种突变独立发生 不会互相影响 可诱发性 诱变剂可提高突变率 稳定性 变异性状稳定可遗传 可逆性 从原始的野生型基因到变异株的突变称为正向突变 forwardmutation 从突变株回到野生型的过程则称为回复突变或回变 backmutation或reversemutation 四 基因突变的自发性和不对应性的证明 在各种基因突变中 抗性突变最为常见 但在过去相当长时间内对这种抗性产生的原因争论十分激烈 一种观点认为 突变是通过适应而发生的 即各种抗性是由其环境 指其中所含的抵抗对象 诱发出来的 突变的原因和突变的性状间是相对应的 并认为这就是 定向变异 也有人称它为 驯化 或 驯养 另一种看法则认为 基因突变是自发的 且与环境是不相对的 由于其中有自发突变 诱发突变 诱变剂与选择条件等多种因素错综在一起 所以难以探究问题的实质 从1943年起 经过几个严密而巧妙的实验设计 主要攻克了检出在接触抗性因子前已产生的自发突变株的难题 终于解决了这场纷争 变量试验又称波动试验或彷徨试验 1943年 S E Luria和M Delbr ck根据统计学原理 设计了左方的实验 1 变量试验fluctuationtest 2 涂布试验 原理与变量试验相同 方法更为简便 且可计算突变率 涂布试验中突变率的计算 初始接种量 5 104个 皿培养5小时 繁殖了12 3代 每个微菌落约含5100个细菌这时 每个平皿上的细胞数为 5100 5 104 2 6 108个 皿在6个平板上 比接种时增加的细胞数为 6 2 6 108 5 104 15 6 108在未涂布的平板上共发现28个突变 故突变率 28 15 6 108 1 8 10 8 3 平板影印培养试验 replicaplating 1952年 J Lederberg夫妇的论文 平板影印培养法和细菌突变株的间接选择 更好地证明了微生物的抗药性是在未接触药物前自发地产生的 这一突变与相应药物环境毫不相干 平板影印培养法 是一种能达到在一系列培养皿的相同位置上出现相同遗传型菌落的接种培养方法 把长有许多菌落的母种培养皿倒置于包有灭菌丝绒布的木质圆柱印章上 使其沾上来自平板上的菌落 然后可把这一 印章 上的菌落一一接种到不同的选择性培养基平板上 待这些平板培养后 对各平板相同位置上的菌落作对比后 就可选出适当的突变型菌株 据报道 用此法可把母平板上10 20 量的细菌转移到丝绒布上 并可利用这一 印章 接种8个子培养皿 因此 通过影印培养法 就可以从在非选择性条件下生长的细菌群体中 分离出各种类型的突变 平板影印培养法 在根本未接触过任何一点链霉素的情况下 就可以筛选到大量抗链霉素的突变株 充分说明了突变是自发产生的 链霉素只是起到了一种检出作用 平板影印培养不仅在微生物遗传理论的研究中有重要应用 而且在育种时间和其它研究中均有应用 值得很好地领会 五 基因突变的机制 基因突变的原因是多种多样的 可以是自发的或诱发的 诱变又可分为点突变和畸变 具体类型可归纳如下 1 诱变机制 诱变剂 mutagen 凡能提高突变率的任何理化因子 就称为诱变剂 种类 诱变剂的种类很多 作用方式多样 即使是同一种诱变剂 也常有几种作用方式 按照遗传物质结构变化的特点讨论几种有代表性的诱变剂的作用机制 1 碱基置换 substitution 定义 对DNA来说 碱基的置换属于一种染色体的微小损伤 microlesion 一般也称点突变 pointmutation 它只涉及一对碱基被另一对碱基所置换 分类 转换 transition 即DNA链中的一个嘌呤被另一个嘌呤或是一个嘧啶被另一个嘧啶所置换 颠换 transversion 即一个嘌呤被一个嘧啶 或是一个嘧啶被一个嘌呤所置换 对某一具体诱变剂来说 即可同时引起转换与颠换 也可只具其中的一种功能 根据化学诱变剂是直接还是间接地引起置换 可把置换的机制分成以下两类来讨论 直接引起置换的诱变剂 定义 一类可直接与核酸的碱基发生化学反应的诱变剂 不论在机体内或是在离体条件下均有作用 种类 很多 例如亚硝酸 羟胺和各种烷化剂 硫酸二乙酯 甲基磺酸乙酯 N 甲基 N 硝基 N 亚硝基胍 N 甲基 N 亚硝基脲 乙烯亚胺 环氧乙酸 氮芥等 作用 它们可与一个或几个核苷酸发生化学反应 从而引起DNA复制时碱基配对的转换 并进一步使微生物发生变异 羟胺只引起G C A T 其余都是可使G C A T发生互变的 能引起颠换的诱变剂很少 只是部分烷化剂才有 参见下表 若干诱变剂的作用机制及诱变功能 亚硝酸可以使碱基发生氧化脱氨作用HNO2胞嘧啶 C 尿嘧啶 U HNO2腺嘌呤 A 次黄嘌呤 H HNO2鸟嘌呤 G 黄嘌呤 X 这些反应及形成物均可在DNA复制中产生影响 主要是使碱基对发生转换 碱基转换的分子机制 以亚硝酸为例 腺嘌呤 A 变成次黄嘌呤 H 后引起的转换过程 腺嘌呤氧化脱氨后形成烯醇式次黄嘌呤 He He通过互变异构效应形成酮式次黄嘌呤 HK DNA复制时 HK与胞嘧啶 C 配对 DNA第二次复制时 C与G正常配对 实现转换 亚硝酸引起的AT GC转换细节 这类诱变剂主要是一些碱基类似物 如 5 溴尿嘧啶 5 BU 和5 氨基尿嘧啶 5 AU 叠氮胸腺嘧啶 AIT 等等 作用方式 通过活细胞的代谢活动参入到DNA分子中 主要是在DNA复制时碱基类似物插入DNA中 引起碱基对配对错误 造成碱基置换 以5 溴尿嘧啶 5 BU 为例 5 BU是胸腺嘧啶 T 的类似物 酮式的5 BU可以和A配对 烯醇式的5 BU可以和G配对 在DNA分子复制的过程中 由于5 BU的插入和互变异构导致碱基置换 间接引起置换的诱变剂 5 BU引起的转换 5 BU引起的转换 从上图中 还可以看到5 BU的掺入引起的G C回复到A T的过程 通过这两个图示 就很容易理解为什么同一种诱变剂既可造成正向突变 又可使它产生回复突变的原因了 也可以知道 为什么像5 BU这类代谢类似物只有对正在进行新陈代谢和繁殖着的微生物才起作用 而对休止细胞 游离的噬菌体粒子或离体的DNA分子却不起作用 2 移码突变 frame shiftmutation或phase shiftmutation 指诱变剂使DNA分子中增加 插入 或缺失一个或少数几个核苷酸 从而使该部位后面的全部遗传密码发生转录和转译错误的一类突变 由移码突变所产生的突变株 称为移码突变株 frame shiftmutant 与染色体畸变相比 移码突变也只能算是DNA分子的微小损伤 丫啶类染料 包括原黄素 丫啶黄 丫啶橙和 氨基丫啶等 以及一系列称为ICR类的化合物 都是移码突变的有效诱变剂 图8 14 能诱发移码突变的几种代表性化合物 引起移码突变的诱变剂 主要是吖啶类染料 如吖啶黄 吖啶橙等等 这类化合物都是平面型的三环分子 它们的结构与一个嘌呤 嘧啶对十分相似 丫啶类化合物的诱变机制 至今还不很清楚 有人认为 由于它们是一种平面型三环分子 结构与一个嘌呤 嘧啶对十分相似 故能嵌入两个相邻DNA碱基对之间 造成双螺旋的部分解开 两个碱基对原来相距0 34nm 当嵌入一个丫啶分子时 就变成0 68nm 从而在DNA复制过程中 会使链上增添或缺失一个碱基 结果就引起了移码突变 丫啶类化合物诱发的移码突变及其回复突变图示 3 染色体畸变 chromosomalaberration 某些理化因子 如X射线等的辐射及烷化剂 亚硝酸等 除了能引起点突变外 还会引起DNA的大损伤 macrolesion 染色体畸变 它包括 染色体结构上的变化 缺失 deletion 重复 duplication 易位 translocation 倒位 inversion 染色体数目的变化 染色体结构上的变化 分为染色体内畸变和染色体间畸变两类 染色体内畸变 只涉及一条染色体上的变化 如发生染色体的部分缺失或重复时 其结果可造成基因的减少或增加 如发生倒位或易位时 则可造成基因排列顺序的改变 但数目却不改变 倒位 是指断裂下来的一段染色体旋转180 后 重新插入到原来染色体的原位置上 从而使其基因顺序与其它的基因顺序相反 易位 是指断裂下来的一小段染色体再顺向或逆向地插入到同一条染色体的其它部位上 染色体间畸变 指非同源染色体间的易位 染色体畸变 转座因子 transposibleelement 由40年代B McClintock对的遗传研究而发现染色体易位 自1967年以来 已在微生物和其它生物中得到普遍证实 并已成为分子遗传学研究中的一个热点 旧概念 基因是固定在染色体DNA上的一些不可移动的核苷酸片段 新发现 有些DNA片段不但可在染色体上移动 还可从一个染色体跳到另一个染色体 从一个质粒跳到另一个质粒或染色体 甚至还从一个细胞转移到另一个细胞 在这些DNA顺序的跳跃过程中 往往导致DNA链的断裂或重接 从而产生重组交换或使某些基因启动或关闭 结果导致突变的发生 转座因子 transposibleelement 在染色体组中或染色体组间能改变自身位置的一段DNA顺序 也称作跳跃基因 jumpinggene 或可移动基因 movablegene 转座因子的种类 1 插入序列 IS insertionsequence 特点是分子量最小 仅0 7 1 4kb 只能引起转座 transposition 效应而不含其它基因 可以在染色体 F因子等质粒上发现它们 已知的IS有5种 即IS1 IS2 IS3 IS4和IS5 E coli的F因子和核染色体组上有一些相同的IS 如IS2 IS3等 通过这些同源序列间的重组 就可使F因子插入到E coli的核染色体组上 从而使后者成为Hfr菌株 因IS在染色体组上插入的位置和方向的不同 其引起的突变效应也不同 IS引起的突变可以回复 其原因可能是IS被切离 如果因切离部位有误而带走IS以外的一部分DNA序列 就会在插入部位造成缺失 从而发生新的突变 转座因子的种类 2 转座子 Tn transposon 又称转位子 易位子 IS和Mu噬菌体相比 Tn的分子量是居中的 一般为2 25kb 它含有几个至十几个基因 其中除了与转座作用有关的基因外 还含有抗药基因或乳糖发酵基因等其它基因 Tn虽能插到受体DNA分子的许多位点上 但这些位点似乎也不完全是随机的 其中某些区域更易插入 转座因子的种类 3 Mu噬菌体 即mutatorphage 诱变噬菌体 它是E coli的一种温和噬菌体 与必须整合到宿主染色体特定位置上的一般温和噬菌体不同 Mu噬菌体并没有一定的整合位置 与以上的IS和Tn两种转座因子相比 Mu噬菌体的分子量最大 37kb 它含有20多个基因 Mu噬菌体引起的转座可以引起插入突变 其中约有2 是营养缺陷型突变 2 自发突变机制 自发突变是指在没有人工参与下生物体自然发生的突变 几种自发突变的可能机制微生物自身有害代谢产物的诱变效应过氧化氢是普遍存在于微生物体内的一种代谢产物 它对Neurospora 脉孢菌 有诱变作用 这种作用可因同时加入过氧化氢酶而降低 如果在加入该酶的同时又加入酶抑制剂KCN 则又可提高突变率 这就说明 过氧化氢很可能是 自发突变 中一种内源性诱变剂 在许多微生物的陈旧培养物中易出现自发突变株 可能也是同样的原因 互变异构效应 碱基T G的第六位上是酮基 会以酮式或烯醇式两种互变异构的状态出现C A的第六位上是氨基 会以氨基式或亚氨基式两种互变异构的状态出现平衡一般趋向于酮式或氨基式 在DNA双链结构中一般总是以A T和G C碱基配对的形式出现在偶然情况下 在DNA复制到达这一位置的瞬间 在T以稀有的烯醇式出现时 其相对位置上就出现G同样 如果C以稀有的亚氨基形式出现在DNA复制到达这一位置的瞬间 则在新合成DNA单链中与C相对应的位置上就将是A 这可能就是发生相应的自发突变的原因 要预言在某一时间 某一基因发生自发突变是不可能的 在运用数学方法对这些偶然事件做大量统计分析后 可以发现并掌握其中的规律 例如 据统计 碱基对发生自发突变的几率约为10 8 10 9 环出效应 即环状突出效应 有人提出 在DNA的复制过程中 如果其中某一单链上偶然产生一个小环 则会因其上的基因越过复制而发生遗传缺失 从而造成自发突变 下图就是环出效应的设想机制 在上链中 标记B处发生 环出 故只有A及C能获得复制 从而发生自发突变 而在下链中 复制仍正常进行 六 紫外线对DNA的损伤及其修复 已知的DNA损伤类型很多 机体对其修复的方式也各异 发现较早和研究得较深入的是紫外线 U V ultravioletray 的作用 嘧啶对紫外线的敏感性要比嘌呤强得多 嘧啶的光化产物主要是二聚体和水合物 其中了解较清楚的是胸腺嘧啶二聚体的形成和消除 紫外线的主要作用是使同链DNA的相邻嘧啶间形成共价结合的胸腺嘧啶二聚体 二聚体的出现会减弱双链间氢键的作用 并引起双链结构扭曲变形 阻碍碱基间的正常配对 从而有可能引起突变或死亡 在互补双链间形成嘧啶二聚体的机会较少 但一旦形成 就会妨碍双链的解开 因而影响DNA的复制和转录 并使细胞死亡 光复活作用 photoreactivation 定义 经紫外线照射后的微生物立即暴露于可见光下时 可明显降低其死亡率的现象 称为光复活作用 这一现象最早是A Kelner 1949 在Strepotomycesgriseus 灰色链霉菌 中发现的 后来 在许多微生物中都得到了证实 最明显的是在E coli的实验中 对照 8 106个 mlE coliU V 100个 mlE coli试验 8 106个 mlE coliU V 360 490nm2 106个 mlE coli可见光 30分经紫外线照射后形成的带有胸腺嘧啶二聚体的DNA分子 在黑暗下会被一种光激活酶 photoreactivatingenzyme 即光裂合酶 photolyase 结合 当形成的复合物暴露在可见光 300 500nm 下时 此酶会因获得光能而发生解离 从而使二聚体重新分解成单体 与此同时 光激活酶也从复合物中释放出来 以便重新执行功能 每一E coli细胞中约含有25个光激活酶分子 由于一般的微生物中都存在着光复活作用 所以进行紫外线诱变育种时 只能在红光下照射及处理照射后的菌液 图 光复活作用 暗修复作用 darkrepair 又称切除修复 excisionrepair 是活细胞内一种用于修复被紫外线等诱变剂 包括烷化剂 X射线和 射线等 损伤后的DNA的机制 这种修复作用与光无关 有四种酶参与 内切核酸酶在胸腺嘧啶二聚体的5 一侧切开一个3 OH和5 P的单链缺口 外切核酸酶从5 P至3 OH方向切除二聚体 并扩大缺口 DNA聚合酶以DNA的另一条互补链为模板 从原有链上暴露的3 OH端起逐个延长 重新合成一段缺失的DNA链 通过连接酶的作用 把新合成的寡核苷酸的3 OH末端与原链的5 P末端相连接 从而完成了修复作用 暗修复作用 darkrepair 1 由核酸内切酶切开二聚体的5 末端 形成3 OH和5 P的单链缺口2 核酸外切酶从5 P到3 OH方向切除二聚体 并扩大缺口 3 DNA聚合酶以另一条互补链为模板 从原有链上暴露的3 OH端起合成缺失片段 4 连接酶将新合成的3 OH与原有的5 P相连接 紫外诱变方法 设备 紫外灯 磁力搅拌器 暗室等 紫外灯 波长为253 7nm 功率是15W处理时的照射距离 20cm 30cm样品 要直接暴露在紫外灯下 厚度不能超过3mm照射时 要用磁力搅拌器搅拌 处理剂量 常用照射时间或死亡率作为相对剂量 由于微生物接受的照射剂量与灯的功率 照射距离 照射时间 菌液浓度 菌液厚度 细胞本身特性等因素有关 所以单纯用时间表示照射剂量并不完全可靠 一定的死亡率必定对应一定的照射剂量 所以 在实际应用中 用死亡率表示照射剂量更可靠 通常先绘制照射时间与死亡率的关系曲线 然后选择合适的剂量 生产上经常采用的剂量 死亡率为70 80 左右 重组修复 必须在DNA复制的情况下进行 所以又叫复制后修复 细胞在不切除二聚体的情况下 以带有二聚体的这条链为模板合成互补单链 但在每个二聚体附近留有一空隙 通过染色体交换 空隙部位就不在面对着胸腺嘧啶二聚体 而是面对着正常的单链 在这种条件下 DNA聚合酶和连接酶起作用将空隙部位进行修复 重组修复中的DNA损伤并没有去除 但随着微生物的传代繁殖 损伤的比例逐渐降低 诱变育种 是用物理或化学的诱变剂使诱变对象内的遗传物质 DNA 的分子结构发生改变 引起性状变异并通过筛选获得符合要求的变异菌株的一种育种方法 诱变育种具有极其重要的实践意义 当前发酵工业和其他微生物生产部门所使用的高产菌株 几乎毫无例外地都是通过诱变育种而明显提高其生产性能的 七 诱变育种 诱变育种的步骤 原始菌种 纯化 斜面 肉汤培养 单孢子 单细胞悬液 诱变剂处理 平板分离 移至斜面 小试 中试 初筛 复筛 计算存活率 观察形态变异 挑单菌落 良种保藏 原菌种特性鉴定 诱变育种的基本过程 选择选择合适的出发菌株 制备待处理的菌悬液 诱变处理 筛选 保藏和扩大试验 1 出发菌株的选择出发菌株 用来育种处理的起始菌株 出发菌株应具备 对诱变剂的敏感性高 具有特定生产性状的能力或潜力 出发菌株的来源 自然界直接分离到的野生型菌株 历经生产考验的菌株 已经历多次育种处理的菌株 2 制备细胞悬液要求 菌体处于对数生长期 并使细胞处于同步生长 细胞分散且为单细胞 以避免表型迟延现象 phenotypiclag 方法 玻璃珠打散10 15min 加 3 吐温80 表面活性剂 用无菌脱脂棉过滤 制备 物理诱变剂 生理盐水 0 85 NaCl 化学诱变剂 缓冲液浓度 细菌 放线菌108个 ml霉菌 酵母菌106个 ml 表型迟延现象 指某一突变在DNA复制和细胞分裂后 才在表型上显示出来 造成不纯的菌落 产生原因 分离性迟延现象 生理性迟延现象 3 诱变处理诱变剂的作用 提高突变的频率 扩大产量变异的幅度 使产量变异朝着正突变或负突变移动剂量的表示法 不同种类和不同生长阶段的微生物对诱变剂的敏感程度不同 所以在诱变处理前 一般应预先作诱变剂用量对菌体死亡数量的致死曲线 选择合适的处理剂量 致死率是最好的诱变剂相对剂量的表示方法 最适剂量的选择 产量性状的育种中多倾向于低剂量 致死率在70 80 选择诱变剂的种类 在选用理化因子作诱变剂时 在同样效果下 应选用最方便的因素 而在同样方便的情况下 则应选择最高效的因素 在物理诱变剂中 尤以紫外线为最方便 而在化学诱变剂中 一般可选用诱变效果最为显著的 超诱变剂 如NTG 简便有效的诱变方法 紫外线的照射最为方便 化学诱变剂的种类 浓度和处理方法尤其是中止反映的方法很多 实际工作时可参看有关书籍 一种较有效的简易处理方法的大致操作步骤是 先在平板上涂上出发菌株细胞 然后在平板上均匀地放上几颗很小的诱变剂颗粒 也可放吸有诱变剂溶液的滤纸片 经培养后 在制菌圈的边缘挑取若干突变菌落 分别制成悬浮液 然后将其涂在一般平板表面使长出许多单菌落 最后可用影印培养法或逐个检出法选出突变种 两种以上因素 4 菌种筛选 4 1筛选方案 实际工作中 为了提高筛选效率 往往将筛选工作分为初筛和复筛两步进行 初筛的目的 删去明确不符合要求的大部分菌株 把生产性状类似的菌株尽量保留下来 使优良性状的菌株不至于漏网 因此 初筛工作以量为主 测定的精确性还在其次 初筛手段应尽可能快速 简单 复筛的目的 确认符合要求的菌株 复筛以质为主 应精确测定每个菌株的生产指标 筛选是最为艰难的也是最为重要的步骤 常用诱变剂的使用方法 可见 设计和采用效率高的筛选方案和方法极其重要 以选育高产突变株为例 诱变育种的基本环节概括如下 第一轮 一个出发菌株 选出200个菌株 选出50株 选出5株 诱变处理 初筛 每瓶一株 复筛 每瓶四株 第二轮 5个出发菌株 选出50株 选出5株 40株40株40株40株40株 诱变处理 初筛 复筛 每瓶一株 每瓶四株 4 2变异菌的一般筛选方法 4 2 1平皿快速检测法变色圈法透明圈法生长圈法抑菌圈法梯度平板法4 2 2摇瓶培养法 以温度敏感突变为例 筛选方法 用途 常用于提高代谢物产量原因 是由于某一酶蛋白结构改变后 在高温下活力丧失重要性 如果此酶为蛋白质 核酸合成途径中所需的酶 则此变异株在高温下的表型就是营养缺陷型 4 3 1条件抗性突变型的筛选 4 3特殊变异菌的筛选方法 在富含生物素的培养基中进行发酵时 先在30 允许条件 中进行培养以得到大量菌细胞 适当时间后提高温度 40 非允许条件 即能获得谷氨酸的过量生产 应用举例 由谷氨酸产生菌乳糖发酵短杆菌2256 经诱变处理得到温度敏感变异株Ts88 30 培养时能正常生长40 是死亡 但能在富含生物素的培养基中积累谷氨酸 而野生型却受生物素的反馈抑制 方法 梯度平板法 gradientplate 4 3 2抗药性突变株的筛选 抗药性突变株的应用 作为菌株的遗传标记作为生产菌种 结构类似物抗性变异株 4 3 3抗生素抗性变异株的筛选 与营养缺陷突变有关的三类遗传型个体 营养缺陷型 经诱变产生的一些合成能力出现缺陷 而必须在培养基内加入相应有机养分才能正常生长的变异菌株 如 lys bio 野生型 自然界分离到的任何微生物 在其发生营养缺陷突变前的原始菌株 为该微生物的野生型 如 lys bio 原养型 指营养缺陷型突变菌株回复突变或重组后产生的菌株 与野生型的表型相同 4 3 4营养缺陷型 auxotroph 的筛选 与筛选营养缺陷型突变株有关的三类培养基 基本培养基 MM 凡是能满足野生型菌株营养要求的最低成分的合成培养基 完全培养基 CM 满足一切营养缺陷型菌株生长的天然或半合成培养基 补充培养基 SM x 在MM中有针对性地加入一或几种营养成分以满足相应营养缺陷型菌株生长的合成培养基 营养缺陷型诱变筛选步骤及方法 auxo的鉴定 诱变处理 auxo的浓缩 auxo的检出 缺陷型的浓缩 抗生素法原理 青霉素 制霉菌素等抗生素作用于生长着的微生物细胞 对休止态细胞无作用 方法 将菌培养在含抗生素的MM基中 菌丝过滤法 适用于 丝状 放线菌 霉菌 原理 基本培养基上只有发育成菌丝 auxo孢子可通过滤膜 野生型菌丝不能通过 逐个检出法 缺陷型的检出 影印平板培养法 夹层培养法 生长谱法方法简便 回变和污染不影响结果测定物质可为粉末或纸片 缺陷型的鉴定 测定一般应分两阶段 第一阶段 测定是哪类物质的缺陷型 第二节段 根据第一阶段确定的范围 进一步确定是哪种具体化合物的缺陷型 组合营养物法 步骤 以氨基酸缺陷型的鉴定为例 a 将多种营养因子编组 b 将组合液的纸片放在涂菌的基本培养基上培养 c 结果分析 一组 12345二组 26789三组 37101112四组 48111314五组 59121415 营养因子分组编排时注意 1 每组内无重复的营养因子2 每组中应包含只出现一次的因子3 每组中其他因子应分别出现二次 如 一组 12345二组 26789三组 37101112四组 48111314五组 59121415 缺陷型的应用 作为菌株的遗传标记 进行基因工程 诱变育种 研究代谢过程时用作亲本标记 作为生产菌种 aa 核苷酸等生产菌种 作为aa 维生素 碱基的测定菌株 Amestest 对化学诱变剂做检测 菌种 鼠伤寒沙门氏菌his 原理 his 在基本培养基上不长 而发生回复突变则长 Amestest方法示意图 第三节基因重组 定义 凡把两个不同性状个体内的遗传基因转移到一起 经过遗传分子间的重新组合 形成新遗传型个体的方式 称为基因重组 generecombination 或遗传重组 作用 重组可使生物体在未发生突变的情况下 也能产生新遗传型的个体 重组与杂交的关系 重组是分子水平上的一个概念 可以理解成是遗传物质分子水平上的杂交而一般所说的杂交 hybridization 则是细胞水平上的一个概念 杂交中必然包含着重组 而重组则不限于杂交这一形式 真核微生物中的有性杂交 准性杂交 parasexualhybridization 等及原核生物中的转化 转导 接合和原生质体融合等都是基因重组在细胞水平上的反映 微生物中各种形式基因重组的比较 基因重组的意义 基因重组是杂交育种的理论基础 杂交育种的优点 由于杂交育种选用了已知性状的供体菌和受体菌作为亲本 因此 不论在方向性还是自觉性方面 均比诱变育种前进了一大步 利用杂交育种往往还可以消除某一菌株在经过长期诱变处理后所出现的产量上升缓慢的现象 因此 它是一种重要的育种手段 杂交育种的缺点 由于杂交育种的方法较复杂 工作进展较慢 还很难像诱变育种技术那样得到普遍的推广和使用 尤其在原核生物的领域中 应用转化 转导或接合等重组技术来培育可应用于生产实践上的高产菌株的例子还不多见 到了70年代后期 由于原生质体融合技术获得巨大的成功后 才使重组育种技术获得了飞速的发展 生长快 产量低 生长慢 产量高 基因重组 生长快 产量高 一 原核微生物的基因重组 基因重组的方式转化转导接合原生质体融合 R型活菌 S型死菌 S型活菌定义 受体菌自然或在人工技术作用下直接摄取来自供体菌的游离DNA片段 并把它整合到自己的基因组中 而获得部分新的遗传性状的基因转移过程 称为转化 转化后的的受体菌称为转化子 transformant 有关名词 受体菌 recipient receptor 转化基因的接受者供体菌 donor 转化基因的提供者转化因子 来自供体菌的DNA片段转化子 transformant 将转化基因重组进入自身染色体组的重组子 一 转化 transformation 1 转化及其发现 受体细胞要处于感受态 感受态 competence 受体细胞能从环境吸取外源DNA片段并实现其转化的一种生理状态 供体DNA片段 转化因子 大小适宜 分子量一般为1 107D左右 菌株间的亲缘关系密切 2 转化发生的条件 3 转化的类型 根据感受态建立的方式 可以分为 自然遗传转化naturalgenetictransformation 人工转化artificialtransformation 感受态 出现时间 只在细菌生长的某一时期出现 不同菌种的感受态出现在不同生长时期Streptococcuspneumoniae的感受态出现在生长曲线中的指数期的中期 Bacillus的一些种则往往出现在指数期末及稳定期的初期 感受态由细胞的遗传性决定 但同时也受环