工业微生物育种的遗传学基础

第二章工业微生物育种的遗传基础，什么是遗传学？遗传学是一门关于遗传物质的生理和生化特性、代代相传的方式以及个体发育过程中所携带的信息表达的科学。早期遗传学研究遗传性状在父母和后代之间的传递，并提出遗传染色体理论，绘制基因图谱，因此得名传递遗传学。微生物遗传学介绍了微生物遗传物质的结构特征、遗传信息的表达和调控以及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来有效控制或利用微生物的基本策略。它涉及到一些真核生物、所有原核生物和病毒的遗传。分子遗传学现代遗传学在分子水平上研究基因的组成、复制、表达、突变和修复。微生物是现代遗传学、分子生物学和许多其他重要基础生物学研究中最受欢迎的模式生物。研究微生物遗传学的意义，以及为什么？35亿年前，单细胞生物在25亿年内进化成多细胞生物，并在10亿年内发展成各种地球物种，如植物、哺乳动物、昆虫和鸟类。莱斯大学的科学家认为，生物进化的加速是由于细菌和病毒在不同物种之间不断转移DNA。对微生物遗传规律的深入研究不仅推动了现代分子生物学和生物工程的发展，而且为育种工作提供了丰富的理论基础，促进了育种工作从无意识到有意识、从低效到高效、从随机到定向、从近缘杂交到远缘杂交的发展。孟德尔的遗传因子阶段摩根的基因阶段三经典实验已经证明，脱氧核糖核酸是一种遗传物质。在现代基因阶段，沃森和克里克提出了DNA的双螺旋结构。第一节染色体、原核生物染色体和病毒染色体的结构和数量真核生物染色体的结构和数量。第一节染色体，染色体，染色体是指携带细胞功能所需基因的结构(遗传单位)。病毒是非细胞生物。他们的全套遗传基因被称为基因组，但它们不足以形成染色体。原核染色体通常是一个环状的DNA分子。真核细胞有几条到几十条染色体，每条染色体包含一个线性的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。由于细胞中的大多数DNA都在染色体上，遗传物质的主要载体是染色体。为什么染色体能在遗传中发挥作用？脱氧核糖核酸的分布(染色体是脱氧核糖核酸的主要载体)，如紫茉莉叶色的遗传着丝粒和动粒是两个不同的概念。前者是指中期染色质相互连接的特殊部分。后者指的是主收缩处两个染色质外表面的特殊结构，它与仿锤丝的微管相接触。着丝粒包含3个结构域，即动粒结构域、中心结构域和配对结构域。2、端粒(telome)是染色体末端的特殊部分，其作用是保持染色体的完整性和个体性(用x光来破坏染色体，染色体末端没有端粒是粘性的，会与其他片段相连或两端相连形成环状)。端粒是由高度重复的短序列串联而成，在进化中高度保守。不同生物体的端粒序列非常相似。哺乳动物序列是TTAG序列，有500-3000个重复。它与端粒酶有关。荧光原位杂交显示端粒和端粒序列。不同生物体的端粒序列非常相似。四膜虫，拟南芥，二。原核生物和病毒的染色体结构，(1)大肠杆菌细胞大小和染色体长度的比较；细菌细胞中的核模拟；大肠杆菌染色体结构的电子显微镜检查。细胞宽度为1.11.5m，长度为2-6m:双链环状DNA分子长度为1mm；形状和大小：双链环状DNA，4.6106bp位置：假核内的化学成分：80%DNA、RNA和蛋白质；结构：在染色体的中央，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50100个超螺旋环，每个环包含约50100kb的碱基对。微量脱氧核糖核酸酶组蛋白：染色体环状脱氧核糖核酸功能域进一步与脱氧核糖核酸结合蛋白、原核染色体结合，病毒没有典型的染色体结构。传统上，病毒中包含的DNA或RNA也被称为染色体。单链、双链或环状线性核糖核酸：线性、单链或双链。(3)真核生物的染色体结构，染色体纺锤体两侧有侧环，形状像灯刷，故名灯刷染色体。它由两条同源染色体组成，在杂交时结合在一起。每条同源染色体包含2个染色单体。同时，两个染色单体向两侧延伸出许多侧环，一个平均大小的环包含大约100bpDNA。染色质(体)结构染色体(染色质):真核生物中高度有序的DNA-蛋白质复合体。核小体：它是染色质的基本结构亚单位。它由大约200bp的DNA和一个组蛋白八聚体组成。每条染色体包含一个线性的DNA分子。它以左旋螺旋方向环绕每个组蛋白八聚体1.8个周期，形成珠状核小体。染色质进一步卷曲形成每圈6个核小体和直径30纳米的染色质丝。它折叠成许多超螺旋环并附着在中心骨架上。连接区的DNA长度为55bp，不同物种的变异范围为0-100bp。1)染色质(体)=脱氧核糖核酸组蛋白核糖核酸；2)各组分含量不同；3)组蛋白包括核心组蛋白(H2A，H2B，H3，H4)和非核心组蛋白(H1)；兆瓦分别为10000-20000和23000；前者与DNA结合以稳定核小体结构。后者与其他类型的蛋白质相互作用，促进染色质的超螺旋。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)，它具有以下特征：a、多样性和组织特异性；结合特定的脱氧核糖核酸；功能多样性与染色质和DNA高级结构的形成有关。3。染色质类型根据形态特征和染色特性分为常染色质和异染色质。常染色质：间期细胞核中的染色质，被碱性染料染成浅色，染色体纤维折叠和压缩程度低，处于相对拉伸状态。它主要存在于细胞核中，具有基因转录活性。异染色质：间期细胞核中的染色质，被碱性染料染成深色，具有高度的染色体纤维折叠和压缩，处于浓缩状态，没有转录活性，并具有卫星DNA。染色体的数目，一组基本的染色体，叫做二倍体数目(x)。具有多个单倍体染色体数目的生物体被称为整倍体。非整倍体可分为三倍体、二倍体和多倍体。如果：人的染色体数是23，那么二倍体细胞是46条染色体。原核生物大多是单倍体生物。大多数真核生物是二倍体。少数二倍体生物增加或减少了一条或多条完整染色体，而没有增加或减少整个染色体组，这被称为非整倍体。虚拟个体：缺少一对或几对染色体；单体个体：一对或几对中有一条染色体缺失；三体：一对或多对染色体的附加；第2节核酸，核酸核糖核酸，1。核酸、核酸、核苷酸、核苷、磷酸盐、碱基、戊糖、元素组成的基本化学组成：CHONP，核酸的完全水解产生碱性物质如嘌呤和嘧啶、戊糖(核糖或脱氧核糖)和磷酸盐的混合物。核酸的部分水解产生核苷和核苷酸。有两种戊糖组成核酸。脱氧核糖核酸中所含的糖是-D-2-脱氧核糖。核糖核酸中所含的糖是-D-核糖。1，戊糖，2，碱基，1)嘌呤，2)嘧啶，以及一些不寻常的稀有碱基也存在于核酸中。有许多种稀有碱基，其中大多数是上述碱基的甲基化产物。，3，核苷，核苷戊糖碱基糖和碱基之间的碳氮键，称为碳氮糖苷键，腺苷三磷酸，4，核苷戊糖碱基磷酸(5端在左边，3端在右边)，磷酸键，三，二，二，核糖核酸的结构和功能。(1)结构特征碱基组成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，少数局部形成的螺旋分子较小(2)分类mRNA rRNA，1.rRNA与蛋白质一起形成核糖体蛋白质合成“工厂”核糖体基本功能结合型Mrna。在mRNA上选择合适的区域，开始形成翻译密码子(mRNA)和反密码子(tRNA)正确配对的肽键：核糖体可以自由存在，真核生物也可以与内质网结合形成粗面内质网。在原核中，它形成串多聚体，由原核核糖体、真核核糖体、核糖体结构组成，占总核糖核酸的15%，分子量约25000，约70-90个核苷酸，沉淀系数约为4S。有几个tRNA携带一种氨基酸。三磷酸腺苷是结合所必需的，而氨基酸则结合在色氨酸的位置上。每一个tRNA的反密码子决定了氨基酸可以在mRNA上精确排列。3 .信使核糖核酸携带脱氧核糖核酸的遗传信息，是多肽链的合成模板。它在原核细胞中存在时间短，在转录的同时被翻译。在真核细胞中，它相对稳定。在蛋白质合成中，信使核糖核酸与核糖体的小亚单位结合。大亚单位通过氨基酸与tRNA结合。tRNA的反密码子与mRNA的密码子相匹配。三磷酸腺苷为合成蛋白质提供能量。经典测试1。肺炎链球菌转化试验经典试验2。噬菌体感染试验经典试验3。病毒重建测试3。脱氧核糖核酸，(1)脱氧核糖核酸是遗传物质的证据。结论：1 .细胞生物的遗传物质是双链脱氧核糖核酸2。病毒的遗传物质可以是单链或双链的DNA或RNA，即ssDNA、dsDNA、ssRNA或dsRNA。(2)脱氧核糖核酸的结构。DNA (4n)的一级结构a、t、c和g的连接方式和排列顺序；线性互补双链。碱基互补配对的原理：AT(氢键2)，CG(氢键3)。电荷当量法则：嘌呤和嘧啶的总含量相等，即g=c t。连接键：3，5-磷酸二酯键磷酸和戊糖依次连接形成主链骨架，碱基形成侧链，DNA的分子结构：脱氧核苷酸，DNA的基本单位，2，具有二级结构的双螺旋模型，由两条反平行盘绕的核苷酸链形成双螺旋结构。有两种类型：右手螺旋(a、b、c型)；局部左手(Z型，高盐溶液，集中在调节区。参与基因表达)。3，三级结构的脱氧核糖核酸，脱氧核糖核酸双螺旋进一步扭曲形成三级结构，负超螺旋原核双链环状脱氧核糖核酸(dcDNA)病毒单链环状脱氧核糖核酸(scDNA)单链线性脱氧核糖核酸(ssDNA)，真核双链线性脱氧核糖核酸(dsDNA)，(3)脱氧核糖核酸位置(1)核脱氧核糖核酸，即存在于染色体上的核物质，通常称为基因组脱氧核糖核酸。(2)核外DNA存在于细胞核外的细胞器(线粒体)中，表现为母系遗传。这是研究进化和遗传多样性的最佳材料。核DNA和线粒体DNA的比较，基因组织和结构的第三节，一个基因(基因)合成的功能蛋白质多肽链或所有核苷酸序列所必需的核糖核酸。通常是DNA序列(或病毒中的RNA)。基因家族分为两种类型：操纵子和多基因家族。1、原核细胞基因结构，编码区(编码序列):可以指导相关蛋白质的合成，即可以编码蛋白质，非编码区(调节序列):位于编码区上游和编码区下游的DNA序列，虽然它不能指导相关蛋白质的合成，但它具有调节遗传信息表达的核苷酸序列，如启动子和终止子，并且核糖核酸聚合酶可以催化脱氧核糖核酸转录成核糖核酸。它可以识别调控序列中的结合位点并与之结合。转录开始后，核糖核酸聚合酶沿着脱氧核糖核酸分子移动，以脱氧核糖核酸分子的一条链为模板合成核糖核酸。2、真核细胞基因结构，特征编码区是间隔的、不连续的。编码蛋白质的序列被称为外显子。通常，序列2、真核细胞基因结构、真核细胞基因、编码区(间隔、不连续)、外显子内含子、非编码区：启动子、终止子、启动子和终止子，功能与原核生物相似，启动子是靠近转录起点的脱氧核苷酸序列，在非编码区调节遗传信息的表达，它能引导核糖核酸聚合酶与正确的基因位点结合，使转录从起点开始，沿着编码区进行。终止子是一种脱氧核苷酸序列，它在非编码区转录终点附近调节遗传信息的表达。它可以阻碍核糖核酸聚合酶的运动，使其从脱氧核糖核酸模板链上分离，从而终止转录。3。基因长度，酵母基因断裂少，外显子少，平均基因长度为1.4kb；昆虫基因的外显子也相对较少，一般不超过10，5-100 kb；哺乳动物中有许多外显子，其中一些在人类中有几十和27kb。假基因和转座因子，假基因：有些基因因DNA序列而改变，尽管它们在序列上与活性基因相似，但它们没有功能，也不编码蛋白质。转座子：基因组中的一个可移动的DNA片段，它可以将自身(或自身的一个拷贝)插入基因组的一个新位点。其特征在于能够在同一细胞的不同染色体上的不同基因座之间转移，而与靶基因座的序列没有任何关系。换位会引起各种遗传效应。编码转换酶促进座位转移。转座因子包括插入序列、转座子和转座子噬菌体。在高等真核生物的基因组中，转座子超过基因组的50%。基因组是指生物体中的一整套遗传信息，通常是受精卵或体细胞细胞核中所有DNA分子的总和。某一特定生物体的全部(单倍体)遗传物质的总和。基因组的大小由所有DNA的碱基对总数来表示。每个真核生物单倍体基因组中的总DNA量被称为C值。人类23对染色体，C值，(1)细菌基因组细菌染色体基因组的特征：通常仅由一个环状双链DNA分子1组成。细菌的DNA主要是编码序列。2.结构基因中没有内含子或重复。3.有机械手底座。质粒：共价环状双链DNA，独立于染色体，能在某些细菌中自主复制。特征：1)体细胞基因组为二倍体。2)它比原核基因组大得多，有多个复制起点。3)基因组中非编码区比编码区多。4)基因不连续(断裂基因)。5)基因转录产物是单顺反子。结构基因被转录和翻译以产生一个信使核糖核酸分子和一条多肽链。6)单一序列占优势，有大量重复序列。(2)真核基因组，2)真核基因组中DNA序列的分类1)单拷贝序列只有一个拷贝，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(重复数：10-几百)3)高度重复序列(重复数：106)，1)高度重复序列(重复数106)约占人类基因组中卫星DNA的10-60%，约占20%:一些简单的序列重复具有高的A:T含量，由于A:T的浮力小，在DNA被切断后，在主DNA带上有一个次级带，即卫星DNA微卫星DNA:长度为100-20000bp，每次重复通常发现于基因调控区和特异性蛋白结合区。2)中等重复序列，中等重复序列的特征