第二章-工业微生物育种的遗传学基础.ppt

第二章工业微生物育种的遗传学基础 何谓遗传学 遗传学是关于遗传物质的生理生化性质 世代传递方式 以及所携带的信息在个体发育中的表达的一门科学 早期的遗传学研究亲代与子代之间遗传性状的传递 提出了遗传的染色体理论 对基因进行了作图 故名传递遗传学 微生物遗传学介绍微生物的遗传物质的结构特点 遗传信息的表达与调控 遗传变异的基本规律 通过基因操作改变微生物的遗传信息从而有效地控制或利用微生物的基本策略 涉及部分真核生物 所有的原核生物 以及病毒的遗传 分子遗传学近代遗传学 分子水平上研究基因的构成 复制 表达 突变和修复等 微生物是现代遗传学 分子生物学和其它许多重要的生物学基础研究中最热衷选用的模式生物 研究微生物遗传学的意义 为什么 35亿年前单细胞生物25亿年进化成多细胞生物10亿年发展成了植物 哺乳动物 昆虫 鸟类等各种各样的地球物种 Rice大学科学家认为生物进化速度的加快是因为细菌和病毒不断在不同物种之间传递DNA的结果 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 孟德尔的遗传因子阶段摩尔根的基因阶段三个经典实验证明DNA是遗传物质现代基因阶段 Watson和Crick提出DNA双螺旋结构 第一节染色体 染色体原核生物和病毒染色体结构和数目真核生物染色体结构和数目 一 染色体 染色体指携带细胞功能所必备的基因的结构 遗传单元 病毒是非细胞生物 它们的全套遗传基因称为基因组 但不足以形成染色体 原核生物染色体常为一个环状DNA分子 真核生物的细胞有几条至几十条染色体 各含一个线状的DNA分子 染色体的化学成分主要是蛋白质和DNA 其中DNA含量稳定 是主要的遗传物质 由于细胞中的DNA大部分在染色体上 所以说遗传物质的主要载体是染色体 为什么染色体能在遗传上起作用 DNA的分布 染色体是DNA的主要载体 例 紫茉莉叶色的遗传 根据着丝粒位置进行的染色体分类图示 染色体的形态 后期染色体形态1 V形染色体2 L形染色体3 棒状染色体4 粒状染色体 中期染色体形态1 长臂2 主缢痕3 着丝粒4 短臂5 次缢痕6 随体 1 着丝粒与动粒 也称着丝点 kenetoche 着丝粒和动粒 着丝点 是两个不同的概念 前者指中期染色单体相互联系在一起的特殊部位 后者指主缢痕处两个染色单体外侧表层部位的特殊结构 它与仿锤丝微管相接触 着丝粒含3个结构域 即 动粒结构域 中央结构域 配对结构域 2 端粒 telomere 染色体端部的特化部分 作用是维持染色体的完整性和个体性 用X射线将染色体打断 不具端粒的染色体末端有粘性 会与其它片段相连或两端相连而成环状 端粒由高度重复的短序列串联而成 在进化上高度保守 不同生物的端粒序列都很相似 哺乳类的序列为TTAGGG 500 3000次重复 与端粒酶有关 荧光原位杂交显示端粒和端粒序列 不同生物的端粒序列都很相似 四膜虫 拟南芥 二 原核生物和病毒染色体结构 a 大肠杆菌细胞大小和染色体DNA长度的比较 b 细菌细胞中的拟核 c 大肠杆菌染色体结构电镜图 细胞宽1 1 1 5 m 长2 6 m 双链环状DNA分子的长度达1mm 形态大小 双链环状DNA 4 6 106bp位置 拟核内化学组成 80 DNA RNA和蛋白质 结构 在染色体的中心有一个由DNA结合蛋白和膜组成的骨架 DNA分子附着在骨架上形成50 100个超螺旋的环 每个环中含碱基对约50 100kb 微量DNA酶类组蛋白 染色体环状DNA功能域进一步与DNA结合蛋白 原核生物染色体 病毒没有典型的染色体结构 习惯上把病毒含有的DNA或RNA也称为染色体 DNA 单链 双链或环状 线状RNA 线状 单链或双链 三 真核生物的染色体结构 染色体主轴两侧有侧环 状如灯刷 故名灯刷染色体 由两条同源染色体组成 在交叉处结合 每条同源染色体含2条染色单体 同时两条染色单体向两边伸出许多侧环 一个平均大小的环约含100bpDNA 1 染色质 体 结构 染色体 染色质 真核生物体内高度有序的DNA 蛋白质复合体构成 核小体 是染色质基本结构亚基 大约由200bp的DNA和一个组蛋白八聚体组成每条染色体中含有一个线状DNA分子 它以左手螺旋方向围着一个个组蛋白八聚体绕圈1 8周 形成串珠状的核小体 染色质进一步卷曲形成每圈6个核小体 直径30nm的染色质丝 它折叠成许多超螺旋环附着在中央骨架上 链接区的DNA长度为55bp 不同物种变化范围0 100bp 1 染色质 体 DNA 组蛋白 RNA 2 各成分含量不同 3 组蛋白包括核心组蛋白 H2A H2B H3 H4 和非核心组蛋白 H1 MW分别为10000 20000和23000 前者与DNA结合 稳定核小体结构 后者与其他类型蛋白质作用 促使染色质超螺旋化 2 染色质 体 的化学组成 4 非组蛋白 序列特异性DNA结合蛋白 有以下特性 a 多样性和组织特异性 b 结合特异性DNA c 功能多样性 与染色质及DNA高级结构形成有关系 3 染色质的类型 根据形态特征和染色性能分为常染色质和异染色质 常染色质 在间期细胞核中 对碱性染料着色浅 染色体纤维折叠压缩程度低 处于较为伸展状态的染色质 多存在于核质中 具有基因转录活性 异染色质 在间期细胞核中 对碱性染料着色深 染色体纤维折叠压缩程度高 处于聚缩状态的染色质 不具有转录活性 具有卫星DNA 4 染色体数目 一套基本的染色体数目称为一倍体数 x 带有多个一倍体染色体数的生物称为整倍体 euploid 整倍体可分为一倍体 二倍体 多倍体 如 人的染色体数目为23条 那么二倍体细胞为46条染色体 原核生物大多为单倍体生物 大多数真核生物是二倍体 diploid 少数二倍体生物增加或减少了一条或几条完整的染色体 而不发生整套染色体的增减 称为非整倍体 缺对性个体 缺少一对或某几对染色体 单体性个体 某一对或几对中缺少一条染色体 三体性个体 某一对或几对中增加一条染色体 第二节核酸 核酸RNADNA 一 核酸的基本化学组成 核酸 核苷酸 核苷 磷酸 碱基 戊糖 元素组成 CHONP 核酸完全水解产生嘌呤和嘧啶等碱性物质 戊糖 核糖或脱氧核糖 和磷酸的混合物 核酸部分水解则产生核苷和核苷酸 一 核酸 组成核酸的戊糖有两种 DNA所含的糖为 D 2 脱氧核糖 RNA所含的糖则为 D 核糖 1 戊糖 2 碱基 1 嘌呤 Purine 2 嘧啶 Pyrimidine 核酸中也存在一些不常见的稀有碱基 稀有碱基的种类很多 大部分是上述碱基的甲基化产物 3 核苷 nucleoside 核苷戊糖 碱基糖与碱基之间的C N键 称为C N糖苷键 AdenosineGuanosineCytidineUridine 4 核苷酸 nucleotide 核苷酸戊糖 碱基 磷酸 5 端在左边 3 端在右边 磷酸酯键 三个 两个 二 RNA的结构与功能 一 结构特点碱基组成A G C U A U G C 稀有碱基较多 稳定性较差 易水解多为单链结构 少数局部形成螺旋分子较小 二 分类mRNAtRNArRNA 1 rRNA与蛋白质一起构成核糖体 蛋白质合成 工厂 核糖体的基本功能结合mRNA 在mRNA上选择适当的区域开始翻译密码子 mRNA 和反密码子 tRNA 的正确配对肽键的形成存在 核糖体可游离存在 真核中也可同内质网结合 形成粗糙的内质网 原核中与mRNA形成串状 多核糖体 原核生物核糖体组成 真核生物核糖体组成 核糖体结构组成 2 tRNA 占RNA总量的15 分子量25000左右 大约由70 90个核苷酸组成 沉降系数为4S左右 一种氨基酸有几种tRNA携带 结合需要ATP供能 氨基酸结合在tRNA3 CCA的位置 每种tRNA的反密码子 决定了所带氨基酸能准确的在mRNA上对号入座 3 mRNA携带着DNA的遗传信息 是多肽链的合成模板 在原核细胞内 存在时间短 在转录的同时翻译 在真核细胞内 较稳定 蛋白质合成时 mRNA结合于核糖体小亚基上 大亚基结合带氨基酸的tRNA tRNA的反密码子与mRNA密码子配对 ATP供能 合成蛋白质 经典试验1 肺炎链球菌的转化试验经典试验2 噬菌体感染实验经典试验3 病毒重建实验 三 DNA 一 DNA是遗传物质的证据 结论 1 细胞生物的遗传物质是双链DNA2 病毒的遗传物质可以是单链的或双链的DNA或RNA 即 ssDNA dsDNA ssRNA或dsRNA 二 DNA的结构 1 DNA的一级结构A T C G的连接方式和排列顺序 4n 线形互补双链 碱基互补配对原则 AT 氢键2 CG 氢键3 Chargaff当量规律 嘌呤和嘧啶的总含量相等 即A G C T 连接键 3 5 磷酸二酯键磷酸与戊糖顺序相连形成主链骨架 碱基形成侧链 DNA的分子结构 DNA的基本单位 脱氧核苷酸 2 DNA的二级结构DNA的双螺旋模型 两条核苷酸链反向平行盘绕形成的双螺旋结构 分两类 右手螺旋 A B C型 局部左手 Z型 高盐溶液中 集中在调控区 参与基因表达 3 DNA的三级结构 DNA双螺旋进一步扭曲构成三级结构 负超螺旋原核双链环状DNA dcDNA 病毒单链环状DNA scDNA 单链线性DNA ssDNA 真核双链线性DNA dsDNA 三 DNA的位置 1 核DNA 存在于核内物质染色体上 通常所说的基因组DNA 2 核外DNA 存在于细胞核外的细胞器中 线粒体 呈现母系遗传 是研究进化及遗传多样性的最佳材料 核DNA与线粒体DNA的比较 第三节基因的组织与结构 一 基因 gene 合成有功能的蛋白质多肽链或RNA所必需的全部核苷酸序列 一般是DNA序列 或病毒中的RNA 基因家族分为两种 操纵子和多基因家族 1 原核细胞的基因结构 编码区 编码序列 能指导有关蛋白质的合成 即能够编码蛋白质 非编码区 调控序列 位于编码区上游和编码区下游的DNA序列 虽不能指导有关蛋白质的合成 但有调控遗传信息表达的核苷酸序列 如启动子 终止子 RNA聚合酶的作用是催化DNA转录为RNA 它能够识别调控序列中的结合位点 并与其结合 转录开始后 RNA聚合酶沿DNA分子移动 并与DNA分子的一条链为模板合成RNA 2 真核细胞的基因结构 特点编码区是间隔的 不连续的 能够编码蛋白质的序列叫做外显子 一般不能够编码蛋白质的序列叫做内含子 2 真核细胞的基因结构 真核细胞基因 编码区 间隔 不连续 外显子内含子 非编码区 与原核生物具有相似功能的启动子 终止子 启动子与终止子 启动子是在非编码区内紧靠转录起点 调控遗传信息表达的脱氧核苷酸序列 它能引导RNA聚合酶与正确的基因部位结合 使转录从起点开始 沿编码区进行 终止子是在非编码区内紧靠转录终点 调控遗传信息表达的脱氧核苷酸序列 它能阻碍RNA聚合酶的移动 并使其从DNA模板链上脱离下来 使转录终止 3 基因的长度 酵母的基因断裂很少 外显子很少 基因平均长1 4kb 昆虫基因的外显子也比较少 一般不超过10个 5 100kb 哺乳动物外显子较多 有的有几十个 人27kb 4 拟基因和转座因子 拟基因 某些基因因DNA序列发生变化 虽然在序列上与活性基因相似 但不具有功能 不编码蛋白质 转座子 基因组内可移动的DNA片段 它能把自身 或自身的拷贝 插入基因组的新座位特点 能够在同一细胞的不同染色体的不同位点之间转移 而同靶座位的序列没有任何关系 转座会引起多种遗传效应 编码转座酶 促进转座 转座基因包括 插入序列 转座子 转座噬菌体 高等真核生物基因组中 转座子超过基因组的50 二 基因组 genome 是指一种生物体中的整套遗传信息 一般为一个受精卵或一个体细胞的细胞核中所有DNA分子的总和 特定生物体的整套 单倍体 遗传物质的总和 基因组的大小用全部DNA的碱基对总数表示 每种真核生物的单倍体基因组中的全部DNA量称为C值 C Value 人的23对染色体 C值 C Value 一 细菌基因组的特点细菌染色体基因组 通常仅由一条环状双链DNA分子组成1 细菌DNA大部分为编码序列 2 结构基因中没有内含子 也无重复现象 3 具有操纵子结构 质粒 某些细菌中独立于染色体外的能自主复制的共价环状双链DNA 1 特点 1 体细胞内的基因组为二倍体 2 远大于原核生物基因组 具有多复制起点 3 基因组中不编码的区域多于编码区域 4 基因是不连续的 断裂基因 5 基因转录产物为单顺反子 一个结构基因经过转录和翻译生成一个mRNA分子和一条多肽链 6 单一序列为主 存在大量重复序列 二 真核生物基因组 2 真核基因组中DNA序列的分类1 单拷贝序列只有1个拷贝 包括大多数编码蛋白质的结构基因和基因间间隔序列 2 中度重复序列 重复次数 1O 几百 3 高度重复序列 重复次数 1O6 1 高度重复序列 重复次数 lO6 约占10 60 在人基因组中约占20 卫星DNA SatelliteDNA 有些A T含量很高的简单重复序列 因A T浮力较小 在DNA被切断后 在主要的DNA带上面有一个次要的带 这就是卫星DNA微卫星DNA 长度在100 20000bp 每个重复小于4bp 常见于基因的调控区和特异蛋白结合区 2 中度重复序列 中度重复序列的特点 重复单位序列相似 但不完全一样 分布于基因组中 序列的长度和拷贝