微生物学：第八章 微生物遗传

1、第八章第八章 微生物遗传微生物遗传本章内容：8.1 8.1 遗传的物质基础遗传的物质基础8.2 8.2 质粒质粒8.3 8.3 基因突变的规律及类型基因突变的规律及类型8.4 8.4 基因突变的机制基因突变的机制8.5 8.5 原核生物的基因重组原核生物的基因重组遗传遗传（heredity ） 上一代生物将自身的一整套遗传基因稳定地上一代生物将自身的一整套遗传基因稳定地传递给下一代的特性传递给下一代的特性 。变异变异（variation） 生物体在某种外因或内因的作用下，发生遗生物体在某种外因或内因的作用下，发生遗传物质结构或数量的改变，而且这种改变稳传物质结构或数量的改变，而且这种改变稳定，

2、具有可遗传性定，具有可遗传性 。引言引言1. 遗传与变异遗传与变异遗传保证了微生物种的相对稳定性、种的存在和延续，遗传保证了微生物种的相对稳定性、种的存在和延续，而变异则推动了种的进化和发展。而变异则推动了种的进化和发展。2. 遗传型和表型遗传型和表型遗传型遗传型（genotype）表型表型( phenotype )某一生物体个体所含有的全部遗传因子，某一生物体个体所含有的全部遗传因子，即基因的总和，又称为基因型。即基因的总和，又称为基因型。某一生物体所具有的一切某一生物体所具有的一切外表特征外表特征及及内在特性内在特性的总和的总和。 表型的实现是由生物体的遗传型和环境条件共同表型的实现是由生

3、物体的遗传型和环境条件共同作用的结果。作用的结果。GenotypehisC hisC1 hisC2Phenotype HisC His+ His-饰变（饰变（modification） 表型的差异只与环境有关。不涉及遗传物质结构改变而只发生表型的差异只与环境有关。不涉及遗传物质结构改变而只发生在转录、转译水平上的表型改变。在转录、转译水平上的表型改变。 变异变异 遗传物质改变，导致表型改变遗传物质改变，导致表型改变 3. 饰变与变异饰变与变异（遗传型变异（遗传型变异, , 基因突变）基因突变）特点：特点：遗传性、群体中极少数个体的行为遗传性、群体中极少数个体的行为 （自发突变频率通常为（自发突

4、变频率通常为1010-6-6-10-10-9-9）特点：暂时性、不可遗传性。表现为全部个体的行为。特点：暂时性、不可遗传性。表现为全部个体的行为。25 37 25 37 粘质沙雷氏菌粘质沙雷氏菌Serratia marcescens微生物是遗传学研究中的明星微生物是遗传学研究中的明星: 微生物细胞结构简单，营养体一般为单倍体，方便建立纯系。微生物细胞结构简单，营养体一般为单倍体，方便建立纯系。 很多常见微生物都易于人工培养，快速、大量生长繁殖很多常见微生物都易于人工培养，快速、大量生长繁殖。 对环境因素的作用敏感，易于获得各类突变株，操作性强。对环境因素的作用敏感，易于获得各类突变株，操作性强

5、。 促进了生物化学、分子生物学和生物工程学的飞速发展。促进了生物化学、分子生物学和生物工程学的飞速发展。8.1 遗传的物质基础遗传的物质基础一、证明核酸是遗传物质基础的三个经典实验一、证明核酸是遗传物质基础的三个经典实验二、遗传物质在细胞内存在部位和方式二、遗传物质在细胞内存在部位和方式三、微生物的基因组结构三、微生物的基因组结构一、三个经典实验一、三个经典实验1. 经典转化实验经典转化实验: 证明证明DNA是遗传变异的物质基础。是遗传变异的物质基础。AveryAvery在四十年代以更精密的实验设计重复了以上实验在四十年代以更精密的实验设计重复了以上实验分别用分别用S S型菌中提取的型菌中提取

6、的DNADNA、RNARNA和和蛋白质转化蛋白质转化R R型菌型菌且且DNADNA被酶降解破坏的抽提物无转化活性被酶降解破坏的抽提物无转化活性DNADNA是转化所必需的转化因子是转化所必需的转化因子T2噬菌体感染实验噬菌体感染实验2. 噬菌体感染实验（噬菌体感染实验（1952年，A.D.Hershey 和 M.Chase）3. 植物病毒的重建实验植物病毒的重建实验证明杂种病毒的蛋白质证明杂种病毒的蛋白质外壳来自外壳来自TMV还是还是HRV,可用可用血清学反应鉴定血清学反应鉴定证明核酸（证明核酸（RNA）是遗传的物质基础是遗传的物质基础血清学反应说明病毒蛋血清学反应说明病毒蛋白质的特性由核酸而定

7、白质的特性由核酸而定H. Fraenkel-Conrat (1956年)病斑的特性和病斑的特性和病毒核酸一致病毒核酸一致烟草烟草花叶病毒花叶病毒霍氏车前霍氏车前花叶病毒花叶病毒核酸的结构二、遗传物质在细胞内存在的部位和方式二、遗传物质在细胞内存在的部位和方式七个水平七个水平细胞水平细胞水平单核，多核单核，多核细胞核水平细胞核水平真核，拟核真核，拟核染色体水平染色体水平核酸水平核酸水平DNA，部分病毒为部分病毒为RNA；双链，少数病毒为单链双链，少数病毒为单链基因水平基因水平遗传功能单位，遗传功能单位，基因组基因组密码子水平密码子水平遗传信息单位遗传信息单位核苷酸水平核苷酸水平最低突变单位和交换

8、单位最低突变单位和交换单位 一套，两套一套，两套, 核外染色体（核外染色体（质粒，质粒，plasmid）OrganismCommentsSize (Mb) Nu.GeometryBacteriaMycoplasma genitalium 支原体Smallest known cellular genome0.581Borrelia burgdorferi包柔氏螺旋体菌Causes Lyme disease0.911Rhodobacter sphaeroides红细菌G-,phototrophic4.02Bacillus subtilisG+4.211Escherichia coli K-12G-

9、4.641Streptomyces coelicolor Produces antibiotics8.661ArchaeaPyrococcus abyssithermophilic1.771Halobacterium sp. NRC1High salt2.573EukaryaGiardia lamblia肠兰伯鞭毛虫Flagellated protozoan12.004Saccharomyces cerevisiaeYeast12.0616Tetrahymena thermophila四膜蟲Ciliated protozoan210.05二、遗传物质在细胞内存在的部位和方式二、遗传物质在细胞内

10、存在的部位和方式七个水平七个水平细胞水平细胞水平单核，多核单核，多核细胞核水平细胞核水平真核，拟核真核，拟核染色体水平染色体水平核酸水平核酸水平DNA，部分病毒为部分病毒为RNA；双链，少数病毒为单链双链，少数病毒为单链基因水平基因水平遗传功能单位，遗传功能单位，基因组基因组密码子水平密码子水平遗传信息单位遗传信息单位核苷酸水平核苷酸水平最低突变单位和交换单位最低突变单位和交换单位 一套，两套一套，两套, 核外染色体（核外染色体（质粒，质粒，plasmid） 基因组（基因组（genome）: 存在于细胞或病毒中的所有存在于细胞或病毒中的所有基因基因的。一般指所有的。一般指所有DNA的组成，包括

11、结构基因、调控序列及的组成，包括结构基因、调控序列及未知功能未知功能DNA序列。序列。 大肠杆菌噬菌体大肠杆菌噬菌体MS2只有只有3000bp，含，含3个基因；生殖道衣个基因；生殖道衣原体只含原体只含473个基因；个基因； Carsonella ruddii的基因组大小为的基因组大小为159.662kb，翻译了，翻译了182个基因编码的蛋白。个基因编码的蛋白。二、微生物的基因组结构二、微生物的基因组结构1. 大肠杆菌的基因组大肠杆菌的基因组 1997年由Wisconsin 的Blattner等人完成； 双链环状DNA，缠绕成较致密小体(拟核，nucliod), 结合有类组蛋白和少量RNA. 包

12、含4288个基因，4.7*106 bp结构特点 遗传信息的连续性：遗传信息的连续性：绝大部分原核生物不含内含子。绝大部分原核生物不含内含子。 功能相关的结构基因组成操纵子结构：功能相关的结构基因组成操纵子结构： 推测出推测出2192个操纵子，个操纵子，73%只含一个基因，只含一个基因，16.6%含含2个个基因，基因，4.6%含含3个基因，个基因，6%含含4个以上基因。个以上基因。 结构基因的单拷贝及结构基因的单拷贝及rRNA基因的多拷贝：基因的多拷贝： 编码编码rRNA的基因（的基因（rrn）有）有7个，其中个，其中6个位于双向复制起个位于双向复制起点点oriC附近。附近。 基因组的重复序列少

13、而短：基因组的重复序列少而短： 1996年由96个实验室633为科学家完成； 16个染色体、13.5*106 bp、5800个基因； 着丝粒(centromere)、端粒，无明显操纵子； tRNA约有250个拷贝，rRNA仅位于XII染色体，有100-200个拷贝； 高同源性DNA重复序列-遗传丰余(genetic rebundancy)2. 酿酒酵母的基因组酿酒酵母的基因组a, The duplicate mapping in sister regions extends to tile each S. cerevisiae chromosome, revealing complete du

14、plication. Blue vertical bars denote centromeres. b, Detailed mapping of chromosome 4 with sister regions in other chromosomes. Methanococcus jannaschii, 发现于1977年深海火山口，1966年完成测序，证实伍斯于1977年提出的三界域学说; 1.66*106bp，1682个ORF; 复制信息传递功能的基因类似与真核生物。3. 詹氏甲烷球菌的基因组詹氏甲烷球菌的基因组Carl Richard Woese （1928 2012) was an A

15、merican microbiologist and biophysicist. Woese is famous for defining the Archaea in 1977 by phylogenetic taxonomy of 16S ribosomal RNA. He was also the originator of the RNA world hypothesis in 1967, although not by that name. 8.2 质粒质粒质粒（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，一种独立于染色体外，能进行自主复制的细胞质遗传

16、因子，主要存在于各种微生物细胞中。主要存在于各种微生物细胞中。附加体附加体(episome) 指那些既可以指那些既可以整合到核染色体上，作为染色体的一部分而整合到核染色体上，作为染色体的一部分而进行复制，又可以再游离出来或携带一些寄主的染色体基因游进行复制，又可以再游离出来或携带一些寄主的染色体基因游离出来，这类质粒被称为附加体。离出来，这类质粒被称为附加体。 1、质粒的分子结构、质粒的分子结构 通常以共价闭合环状通常以共价闭合环状(covalently closed circle，简称简称CCC)的的超螺旋双链超螺旋双链DNA分子存在于细胞中；分子存在于细胞中； 也发现有线型双链也发现有线型

17、双链DNA质粒和质粒和RNA质粒质粒 质粒分子的大小范围从质粒分子的大小范围从1kb左右到左右到1000kb；细菌质粒多在细菌质粒多在10kb以内）以内）2.质粒的检测质粒的检测t 提取所有胞内提取所有胞内DNA后电镜观察；后电镜观察；t 氯化铯-溴化乙啶密度梯度超速离心；超速离心；t 对于实验室常用菌，可用质粒所带的某些特点，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。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。或自然存在），可以进行特异

18、性单酶切，使其成为一条带。t 琼脂糖凝胶电泳后观察；琼脂糖凝胶电泳后观察；3、质粒的主要类型、质粒的主要类型根据质粒所根据质粒所编码的功能编码的功能和赋予宿主和赋予宿主的的表型效应表型效应分类分类:致育因子（致育因子（Fertility factor，F因子）因子）抗性质粒抗性质粒（Resistance factor，R因子）因子）产细菌素的质粒（产细菌素的质粒（Bacteriocin production plasmid）毒性质粒（毒性质粒（virulence plasmid）代谢质粒（代谢质粒（Metabolic plasmid）隐秘质粒（隐秘质粒（cryptic plasmid）2m质粒

19、质粒根据质粒的拷贝数：根据质粒的拷贝数：高拷贝数质粒（松弛型质粒）、低拷高拷贝数质粒（松弛型质粒）、低拷贝数质粒（严谨型质粒）；贝数质粒（严谨型质粒）；复制起点：复制起点：窄宿主范围质粒、广宿主范围质粒；窄宿主范围质粒、广宿主范围质粒；附加体（附加体（episome）：）：能整合进宿主染色体能整合进宿主染色体1) 致育因子致育因子(Fertility factor，F因子因子)OriT (Origin of Transfer) tra-region (transfer genes) IS (Insertion Elements) 在志贺氏菌属（在志贺氏菌属（Shigella）、沙门氏菌属（）、

20、沙门氏菌属（Salmonella）和链）和链球菌属（球菌属（Streptococcus）等其他细菌中也发现了与大肠杆菌）等其他细菌中也发现了与大肠杆菌类似的致育因子。类似的致育因子。附加体附加体(episome)F+菌株：携带F质粒的菌株，相当于雄性F-菌株：无F质粒的菌株，相当于雌性高频重组菌株 Hfr： F因子与染色体相结合的状态F菌株： F因子携带相邻染色体基因附加体附加体(episome)2)抗性因子（抗性因子（Resistance factor，R因子）因子）包括抗药性和抗重金属二大类，简称包括抗药性和抗重金属二大类，简称R质粒。质粒。R100质粒质粒(89kb)可使宿主对可使宿主对

21、下列药物及重金属具有抗性：下列药物及重金属具有抗性：汞（汞（mercuric ion ，mer）四环素（四环素（tetracycline，tet ）链霉素链霉素(Streptomycin, str)、磺胺磺胺(Sulfonamide, sul)、氯霉素氯霉素(Chlorampenicol, cml)夫西地酸（夫西地酸（fusidic acid，fus）负责这些抗性的基因是成簇地负责这些抗性的基因是成簇地存在于抗性质粒上存在于抗性质粒上。抗性质粒在细菌间的传递是细菌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。产生抗药性的重要原因之一。3) Col 质粒质粒 首先发现于大肠杆菌 含编码细

22、菌素的基因 细菌素是一种蛋白质 广谱，如NisinA4）毒性质粒：苏云金杆菌编码伴孢晶体的质粒、根癌农杆菌的Ti质粒、发根农杆菌的Ri质粒；5）代谢质粒：樟脑质粒（camphor, CAM）、辛烷质粒（octadecane, OCT）、二甲苯质粒、水杨酸质粒、扁桃酸质粒、萘质粒、甲苯质粒；6）隐秘质粒：不显示任何表型效应的质粒，如酵母菌中的2um质粒8.3 基因突变的规律及类型基因突变的规律及类型野生型野生型: -从自然界分离到的菌株一般称野生型菌株从自然界分离到的菌株一般称野生型菌株（wild type strain），简称野生型。），简称野生型。 突变株突变株: -野生型经突变后形成的带有

23、新性状的菌株，野生型经突变后形成的带有新性状的菌株，称为突变株（称为突变株（mutant）。）。 一、突变（一、突变（ mutation）突变指细胞内遗传物质的分子结构或数量发生变化的现象。包突变指细胞内遗传物质的分子结构或数量发生变化的现象。包括基因突变（又称点突变）和染色体畸变。括基因突变（又称点突变）和染色体畸变。基因突变基因突变（gene mutation）: 是指一个基因内部遗传结构或是指一个基因内部遗传结构或DNA序列的任何改变，涉及一对或少数几对碱基的置换、缺失或插入序列的任何改变，涉及一对或少数几对碱基的置换、缺失或插入，因其发生的范围很小，所以又称点突变（，因其发生的范围很小

24、，所以又称点突变（point mutation）。）。 染色体畸变染色体畸变（chromosomal aberration）: 是指染色体较大范围内是指染色体较大范围内结构的变化，如缺失、重复、倒位、易位等以及染色体数目的变结构的变化，如缺失、重复、倒位、易位等以及染色体数目的变化。化。 同种碱基的置换同种碱基的置换不同种碱基的置换不同种碱基的置换只涉及只涉及1对碱基对碱基被另被另1对对碱基所碱基所置换置换1个或少数几个碱基对的插个或少数几个碱基对的插入或缺失，使该部位后面遗入或缺失，使该部位后面遗传密码的阅读框架发生改变，传密码的阅读框架发生改变，并进一步引起转录和转译错并进一步引起转录和转

25、译错误的突变。误的突变。遗传物质在染色体水遗传物质在染色体水平发生较大范围的变平发生较大范围的变化化DNA分分子中子中1对或少对或少数几对数几对碱基的碱基的突变突变二、基因突变的特点（规律）二、基因突变的特点（规律）自发性：自发性：菌种衰退的根本原因菌种衰退的根本原因非对应性：非对应性：突变的性状与突变的原因无关系突变的性状与突变的原因无关系稀有性：稀有性：自发突变几率低（自发突变几率低（10-610-10）突变率：突变率：每一个细胞在每一世代中发生某一性状突变的几率。每一个细胞在每一世代中发生某一性状突变的几率。 （某一单位群体在每一世代中产生突变株的数目）（某一单位群体在每一世代中产生突变

26、株的数目）独立性：独立性：某基因的突变率不受它种基因突变率的影响某基因的突变率不受它种基因突变率的影响可诱变性：可诱变性：自发突变的频率可因诱变剂的影响而提高（自发突变的频率可因诱变剂的影响而提高（10-310-6 ）稳定性：稳定性：基因突变后的新性状是稳定的基因突变后的新性状是稳定的可逆性：可逆性：野生型菌株某一性状可发生正向突变，也可发生反野生型菌株某一性状可发生正向突变，也可发生反向的回复突变。向的回复突变。 证明突变的性状与引起突变的原因间无直接对应关系！证明突变的性状与引起突变的原因间无直接对应关系！如何证明基因突变的非对应性？如何证明基因突变的非对应性？三个经典实验三个经典实验:1

27、.1.变量实验、变量实验、2.2.涂布实验、涂布实验、3.3.影印实验影印实验三、基因突变自发性和不对应性的实验证明三、基因突变自发性和不对应性的实验证明1）变量实验（）变量实验（fluctuation analysis）Salvador Luria & Max Delbruck(1943)对噬菌体对噬菌体T1敏感的敏感的E. coli 对数期培养物对数期培养物，稀释至，稀释至103/mL,分装两试管，各分装两试管，各10 mL 与甲管分装的各小管与甲管分装的各小管同时保温同时保温2436h甲管 乙管 2）Newcombe的涂布实验（的涂布实验（1949）在涂布过的一组中，在涂布过的一组中，共

28、长出抗性菌落共长出抗性菌落353个，比未经涂布过的个，比未经涂布过的（28个菌落）高得多个菌落）高得多约繁殖了约繁殖了12.3代代选用对选用对T1 噬菌体敏感的噬菌体敏感的E.coli，以相等数目涂布于以相等数目涂布于12个平板上个平板上3）影印实验（）影印实验（replica plating ）Joshua Lederberg and Esther Lederberg（1952）通过使菌不接触抗性环境而检查其抗性菌落的方法 营养缺陷型营养缺陷型 抗性突变型抗性突变型 条件致死突变型条件致死突变型 形态突变型形态突变型 抗原突变型抗原突变型 产量突变型产量突变型1.1. 按照突变的表型分类：按

29、照突变的表型分类：选择性突变株选择性突变株（能在选择性培养基上或其它的（能在选择性培养基上或其它的选择性条件下迅速选出或鉴别出）选择性条件下迅速选出或鉴别出）非选择性突变株非选择性突变株四、四、基因突变的基因突变的类型类型（1）营养缺陷型（）营养缺陷型（auxotroph） 一种缺乏合成其生存所必须的营养物（包括氨基酸、维生素一种缺乏合成其生存所必须的营养物（包括氨基酸、维生素、碱基等）的突变型，只有从周围环境或培养基中获得这些、碱基等）的突变型，只有从周围环境或培养基中获得这些营养或其前体物（营养或其前体物（precursor）才能生长。才能生长。营养缺陷型是微生物遗传学研究中重要的选择标记

30、和营养缺陷型是微生物遗传学研究中重要的选择标记和育种的重要手段育种的重要手段表型判断的标准：表型判断的标准：在在基本培养基基本培养基上能否生长上能否生长基本培养基：仅能满足某微生物的野生型菌株生长所需要的最低基本培养基：仅能满足某微生物的野生型菌株生长所需要的最低 成分的组合培养基；成分的组合培养基；完全培养基：凡可满足一切营养缺陷型菌株营养所需要的天然或完全培养基：凡可满足一切营养缺陷型菌株营养所需要的天然或 半组合培养基；半组合培养基；补充培养基：凡只能满足相应的营养缺陷型突变株生长所需要的补充培养基：凡只能满足相应的营养缺陷型突变株生长所需要的 组合或半组合培养基，一般是在基本培养基的基

31、础组合或半组合培养基，一般是在基本培养基的基础 上添加特定营养成分。上添加特定营养成分。特点：特点：在选择培养基（一般为基本培养基）上不生长在选择培养基（一般为基本培养基）上不生长负选择标记负选择标记突变株不能通过选择平板直接获得突变株不能通过选择平板直接获得营养缺陷型的筛选营养缺陷型的筛选营养缺陷型的表示方法：营养缺陷型的表示方法：基因型：基因型： 所需营养物的前三个英文小写斜体字母表示：所需营养物的前三个英文小写斜体字母表示：hisC（组氨酸缺陷型，其中的大写字母组氨酸缺陷型，其中的大写字母C同一表型中不同基因的突变同一表型中不同基因的突变）表型：表型：同上，但第一个字母大写，且不用斜体：

32、第一个字母大写，且不用斜体：HisC在具体使用时多用在具体使用时多用hisC-和和hisC+，分别表示缺陷型和野生型。分别表示缺陷型和野生型。（2）抗药性突变型（）抗药性突变型（resistant mutant）基因突变使菌株对某种或某几种药物，特别是抗生素，产生抗性。基因突变使菌株对某种或某几种药物，特别是抗生素，产生抗性。特点：特点： 正选择标记正选择标记（突变株可直接从抗性平板上获得（突变株可直接从抗性平板上获得-在加有相应抗生素的在加有相应抗生素的平板上，只有抗性突变能生长。所以很容易分离得到。平板上，只有抗性突变能生长。所以很容易分离得到。表示方法：表示方法： 所抗药物的前三个小写斜

33、体英文字母加上所抗药物的前三个小写斜体英文字母加上“r”表示表示strr 和和 strs 分别表示对链霉素的抗性和敏感性分别表示对链霉素的抗性和敏感性（3）条件致死突变型（）条件致死突变型（conditional lethal mutant） 在某一条件下具有致死效应，而在另一条件下没有致死在某一条件下具有致死效应，而在另一条件下没有致死效应的突变型。效应的突变型。常用的条件致死突变是常用的条件致死突变是温度敏感突变温度敏感突变，用，用ts（temperature-sensitive）表示，这类突变在高温下（如表示，这类突变在高温下（如42）是致死的，但）是致死的，但可以在低温（如可以在低温（

34、如25-30）下得到这种突变。）下得到这种突变。筛选：筛选：负选择标记负选择标记这类突变型常被用来分离生长繁殖必需的突变基因这类突变型常被用来分离生长繁殖必需的突变基因（4）形态突变型（）形态突变型（morphological mutant）造成形态改变的突变型造成形态改变的突变型特点：特点：非选择性突变非选择性突变突变株和野生型菌株均可生长，但可从形态特征上进行区分。举例：产蛋白酶缺陷突变株的筛选菌落颜色变化半乳糖苷酶基因的插入失活，使重组子菌落为白色而与兰色的非重组子分开。形成芽孢缺陷菌株（5）抗原突变型）抗原突变型指由于基因突变引起的细胞抗原结构发生的指由于基因突变引起的细胞抗原结构发生

35、的变异类型，包括细胞壁缺陷变异、荚膜或鞭变异类型，包括细胞壁缺陷变异、荚膜或鞭毛成分变异等。毛成分变异等。（6）产量突变型）产量突变型通过基因突变而引起的目标代谢产物的产量通过基因突变而引起的目标代谢产物的产量发生变化的变异菌株，其在产量上高于或低发生变化的变异菌株，其在产量上高于或低于原始出发菌株。如果产量提高的突变株，于原始出发菌株。如果产量提高的突变株，被称为被称为“正突变正突变”（plus-mutant），），也称为也称为“高产突变株高产突变株”(high producing mutant)；如如果产量低于出发菌株的突变株，则称为果产量低于出发菌株的突变株，则称为“负负突变突变”（mi

36、nus-mutant）。）。2. 2. 按照突变所引起的遗传信息的改变情况可分为三种：按照突变所引起的遗传信息的改变情况可分为三种：同义突变同义突变表型不发生改变（密码子是简并的表型不发生改变（密码子是简并的, ,如如CGUCGU变成变成CGCCGC，但都编码精氨酸）；但都编码精氨酸）；错义突变错义突变改变的密码子编码的氨基酸改变了；改变的密码子编码的氨基酸改变了；无义突变无义突变终止密码子终止密码子（UAA, UAG, UGAUAA, UAG, UGA）其它突变类型其它突变类型 毒力、生产某种代谢产物的毒力、生产某种代谢产物的发酵能力发酵能力的变化等在实际应用的变化等在实际应用中具有重要意义

37、突变类型中具有重要意义突变类型, 一般都不具有很明显或可直接检测一般都不具有很明显或可直接检测到的表型。其突变株的获得往往需要较大的工作量。到的表型。其突变株的获得往往需要较大的工作量。 8.4 基因突变的机制基因突变的机制一、一、基因突变的基因突变的分子基础分子基础(一一)自发突变自发突变 (二二)诱发突变诱发突变引起自发突变的原因主要有以下几方面：引起自发突变的原因主要有以下几方面： 背景辐射和环境因素引起；背景辐射和环境因素引起； 有害代谢产物引起；有害代谢产物引起； 互变异构效应互变异构效应引起的碱基配对错误；引起的碱基配对错误； DNA复制过程中碱基配对错误复制过程中碱基配对错误 ；

38、 转座因子的作用。转座因子的作用。通过人为的方法，利用物理、化学或生物通过人为的方法，利用物理、化学或生物因素显著提高自发突变频率的手段因素显著提高自发突变频率的手段 。生物体在无人工干预下自然发生的低频率突生物体在无人工干预下自然发生的低频率突变（变（10-6-10-9 ）。它是生物进化的根源。）。它是生物进化的根源。互变异构是某些互变异构是某些有机化合物有机化合物的结构在两的结构在两种种官能团官能团异构体异构体间产生平衡互相转换的间产生平衡互相转换的现象，相应的异构体则称为现象，相应的异构体则称为互变异构体互变异构体（tautomer）。）。 (二二)、诱发突变、诱发突变诱变剂（诱变剂（m

39、utagen）：）：凡能提高基因突变频率的因素统称为诱变剂凡能提高基因突变频率的因素统称为诱变剂诱变剂的种类诱变剂的种类物理诱变剂物理诱变剂化学诱变剂化学诱变剂生物诱变剂生物诱变剂碱基类似物诱变剂；碱基类似物诱变剂； 与碱基起化学反应的诱变剂；与碱基起化学反应的诱变剂；嵌入诱变剂；嵌入诱变剂； 辐射和热辐射和热：转座因子：转座因子(1) 碱基类似物碱基类似物-间接引起置换的诱变剂间接引起置换的诱变剂 一类与正常碱基结构相似的物质，称为一类与正常碱基结构相似的物质，称为碱基类似物碱基类似物。1.化学诱变剂化学诱变剂5-溴尿嘧啶溴尿嘧啶2-氨基嘌呤，氨基嘌呤，2-aminopurine(1) 碱基

40、类似物碱基类似物-间接引起置换的诱变剂间接引起置换的诱变剂 一类与正常碱基结构相似的物质，称为一类与正常碱基结构相似的物质，称为碱基类似物碱基类似物。1.化学诱变剂化学诱变剂(2)与碱基起化学反应的诱变剂与碱基起化学反应的诱变剂-直接引起碱基置换直接引起碱基置换该类诱变剂与碱基起化学反应，改变碱基的结构，导致错配。该类诱变剂与碱基起化学反应，改变碱基的结构，导致错配。亚硝酸：G-C A-T 转换互变 各种烷化剂 ：G-C A-T 互变羟胺：只引起G-C A-T 转换（专一性与C起反应）亚硝酸：亚硝酸：对碱基的主要作用是氧化脱胺作用（使氨基变为酮基，对碱基的主要作用是氧化脱胺作用（使氨基变为酮基

41、， 改变配对性质，引起碱基转换）改变配对性质，引起碱基转换） 。黄嘌呤黄嘌呤尿嘧啶尿嘧啶次黄嘌呤次黄嘌呤烷化剂烷化剂甲基磺酸乙酯（甲基磺酸乙酯（EMS）甲基磺酸甲酯（甲基磺酸甲酯（MMS）硫酸二乙酯（硫酸二乙酯（DES） N-甲基甲基-N-硝基硝基-N-亚硝基胍亚硝基胍 (NTG) 氮芥、硫芥氮芥、硫芥环氧乙烷环氧乙烷NTG：诱变作用强，称为超强诱变剂（突变率诱变作用强，称为超强诱变剂（突变率1%）；）；能诱发邻近位置的基因同时发生突变，即所谓并发突变。能诱发邻近位置的基因同时发生突变，即所谓并发突变。很多烷化剂很多烷化剂除了能诱发点突变外，还能诱发染色体畸变除了能诱发点突变外，还能诱发染色体

42、畸变。由于。由于染色体畸变常为辐射所诱发，所以这些物质又称为染色体畸变常为辐射所诱发，所以这些物质又称为拟辐射物质拟辐射物质。 烷化剂作用的主要机理是引起碱基上某些能形成氢键的烷化剂作用的主要机理是引起碱基上某些能形成氢键的集团发生烷基化。集团发生烷基化。 烷化位点主要在鸟嘌呤的烷化位点主要在鸟嘌呤的N 7位和腺嘌呤的位和腺嘌呤的N 3位上，位上，烷化后的碱基也像碱基结构类似物一样能引起碱基配对的错烷化后的碱基也像碱基结构类似物一样能引起碱基配对的错误。误。 烷化剂的另一作用是使嘌呤整个地从烷化剂的另一作用是使嘌呤整个地从DNA链上脱下来，链上脱下来，产生一个缺口，在与缺口相对应的位点上就能配

43、上任何一个产生一个缺口，在与缺口相对应的位点上就能配上任何一个碱基，从而引起转换或颠换。碱基，从而引起转换或颠换。 (3) 移码突变的诱变剂嵌入诱变剂移码突变的诱变剂嵌入诱变剂吖啶类染料（如原黄素，吖叮黄（橙），吖啶类染料（如原黄素，吖叮黄（橙），ICR类等）具有类等）具有类似碱基对的扁平结构，能插入类似碱基对的扁平结构，能插入DNA分子的碱基对之间，分子的碱基对之间，使使DNA结构变形，导致结构变形，导致 DNA在复制过程中的滑动，引起在复制过程中的滑动，引起DNA链中插入或缺失一个或几个核苷酸，产生移码突变链中插入或缺失一个或几个核苷酸，产生移码突变。ICR：一系列烷化剂和吖啶分子相结合的

44、化合物一系列烷化剂和吖啶分子相结合的化合物溴化乙锭二氨基吖啶吖啶橙2. 物理诱变剂及其诱变机制物理诱变剂及其诱变机制紫外线，紫外线，x-射线，射线， 射线，快中子，超声波等射线，快中子，超声波等(1) 紫外线（紫外线（UV） 紫外线是实验室中常用的非电离辐射诱变因子，其作紫外线是实验室中常用的非电离辐射诱变因子，其作用机制主要是能引起：用机制主要是能引起： DNA链的断裂、链的断裂、 DNA分子双链的交联、分子双链的交联、 嘧啶的水合作用嘧啶的水合作用 相邻碱基形成嘧啶二聚体（相邻碱基形成嘧啶二聚体（TT，TC,CC）等。）等。 其中最主要的效应是胸腺嘧啶二聚体的形成。其中最主要的效应是胸腺嘧

45、啶二聚体的形成。 胸腺嘧啶二聚体通常出现在同一胸腺嘧啶二聚体通常出现在同一DNA单链上两个相邻单链上两个相邻的胸腺嘧啶之间，也可出现在两条的胸腺嘧啶之间，也可出现在两条DNA单链之间。两种情单链之间。两种情况导致结果不同。况导致结果不同。 X 射线、射线、 射线、快中子等属于电离辐射。以射线、快中子等属于电离辐射。以X 射线为例解释该类诱变剂诱变机理：射线为例解释该类诱变剂诱变机理： X 射线的诱变作用有直接和间接两种方式：射线的诱变作用有直接和间接两种方式： (1) 直接作用是引起直接作用是引起DNA双链间氢键的断裂、双链间氢键的断裂、DNA单单链的断裂、不同链的断裂、不同DNA分子之间的交

46、联等。分子之间的交联等。 (2) 间接作用是电离辐射能从水或有机分子中产生自间接作用是电离辐射能从水或有机分子中产生自由基，这些自由基作用于由基，这些自由基作用于DNA分子，引起缺失和损伤。自分子，引起缺失和损伤。自由基对嘧啶的作用更强烈。由基对嘧啶的作用更强烈。 此外，此外，X射线还可能使细胞中形成一些碱基类似物，射线还可能使细胞中形成一些碱基类似物，突变由这些碱基类似物所诱发。与紫外线不同的是，电离突变由这些碱基类似物所诱发。与紫外线不同的是，电离辐射可通过玻璃和其他物质，穿透力强，能达到生殖细胞辐射可通过玻璃和其他物质，穿透力强，能达到生殖细胞，因此常用于动植物的诱变育种。，因此常用于动

47、植物的诱变育种。 (2) X 射线、射线、 射线、快中子射线、快中子 短时间的热处理也可诱发突变，热的作用是使短时间的热处理也可诱发突变，热的作用是使胞嘧啶脱氨基而成为尿嘧啶，从而通过碱基配对错胞嘧啶脱氨基而成为尿嘧啶，从而通过碱基配对错误而引起误而引起GCAT的转换；的转换； 另外，热也可引起鸟嘌呤另外，热也可引起鸟嘌呤 脱氧核糖键的移动，脱氧核糖键的移动，从而在从而在DNA复制时出现包括两个鸟嘌呤的碱基对，复制时出现包括两个鸟嘌呤的碱基对，在下一次的在下一次的DNA复制中该碱基对错配就会引起复制中该碱基对错配就会引起GCCG的颠换。的颠换。 (3) 热热(1). 转座因子（转座因子（tra

48、nsposable element)定义：位于染色体或质粒定义：位于染色体或质粒上的一段能改变自身位置的上的一段能改变自身位置的DNA序列。广泛分布于原核和真核序列。广泛分布于原核和真核细胞中。又称细胞中。又称“跳跃基因跳跃基因”3. 生物诱变剂生物诱变剂(转座因子转座因子)及其诱变机制及其诱变机制Barbara McClintock，1902-1992，Nobel Prize in Physiology or Medicine (1983) She is the only woman to receive an unshared Nobel Prize in that category 真核

49、生物：真核生物： 酵母：sigma, TY; 果蝇： copia, p 玉米：Ac； 逆转录病毒：劳氏肉瘤、HIV原核生物：原核生物： 插入序列：IS 转座子：Tn 病毒：Mu(2). 转座因子的特点转座因子的特点1) 两端都有正向或反向末端重复序列。两端都有正向或反向末端重复序列。2) 都携带有编码转座酶的基因，该酶具有转移位置的功都携带有编码转座酶的基因，该酶具有转移位置的功能，是转座所必需的能，是转座所必需的;3) 在转座时，通过转座因子的复制，可将新形成的拷贝在转座时，通过转座因子的复制，可将新形成的拷贝以非同源重组的方式转移到染色体的新部位上；以非同源重组的方式转移到染色体的新部位上

50、； (3) 根据分子结构和遗传性质，原核生物转座因子可分为根据分子结构和遗传性质，原核生物转座因子可分为3类：类：插入序列（插入序列（Insertion sequence, IS）仅含有编码转座所必需的转座酶的基因，两端存在仅含有编码转座所必需的转座酶的基因，两端存在941bp的反的反向重复序列向重复序列 。但其插入可干扰基因的正常读码序列，导致基因失。但其插入可干扰基因的正常读码序列，导致基因失活或引起突变。活或引起突变。Transposase is an enzyme that binds to the ends of a transposing and catalyzes the mov

51、ement of the transposon to another part of the genome by a cut and paste mechanism or a replicative transposition mechanism Genes encoding transposases are widespread in the genomes of most organisms and are the most abundant genes known. 转座子（转座子（Transposon, Tn）除转座基因外，还有抗药性基因。分为除转座基因外，还有抗药性基因。分为复合转座

52、子复合转座子和和复杂转座子复杂转座子复合转座子复合转座子 compound transposonkanr: 卡那霉素抗性基因bler: 博来霉素抗性基因strr: 链霉素抗性基因转座子（转座子（Transposon, Tn）除转座基因外，还有抗药性基因。分为除转座基因外，还有抗药性基因。分为复合转座子复合转座子和和复杂转座子复杂转座子复杂转座子复杂转座子 complex transposonTn3, 4.957 bptnp Ablatnp Rtnp A: tnp A: 转座酶转座酶tnp R: tnp R: 解离酶解离酶blabla：-内酰胺酶内酰胺酶反向重复序列反向重复序列反向重复序列反向重

53、复序列Mu噬菌体噬菌体是以大肠杆菌为宿主的温和性噬菌体。它在几方面不同于另一是以大肠杆菌为宿主的温和性噬菌体。它在几方面不同于另一种温和噬菌体种温和噬菌体：第一、：第一、Mu DNA几乎可以插入到宿主染色体的几乎可以插入到宿主染色体的任何一个位点上；第二、任何一个位点上；第二、 DNA 两端没有粘性末端；第三、会引两端没有粘性末端；第三、会引起宿主的被插入基因的基因突变。起宿主的被插入基因的基因突变。 (4) 转座的过程：转座的过程： 插入突变插入突变 基因失活基因失活 新基因标记新基因标记 染色体畸变染色体畸变 基因的缺失、重复和倒位基因的缺失、重复和倒位基因的转移和重排基因的转移和重排 (

54、5) 转座的遗传学效应：转座的遗传学效应：二、诱变及化学致癌物质的检测二、诱变及化学致癌物质的检测Ames试验试验“生物化学统一性生物化学统一性”法则：法则： 人和细菌在人和细菌在DNA的结构及特性方面是一致的，能使微生的结构及特性方面是一致的，能使微生物发生突变的诱变剂必然也会作用于人的物发生突变的诱变剂必然也会作用于人的DNA，使其发生使其发生突变，最后造成癌变或其他不良的后果。突变，最后造成癌变或其他不良的后果。Ames试验的依据试验的依据诱变剂的共性原则：诱变剂的共性原则： 化学药剂对细菌的诱变率与其对动物的致癌性成正比。化学药剂对细菌的诱变率与其对动物的致癌性成正比。回复突变回复突变

55、(reverse mutation或或back mutation)： 突变体失去的野生型性状，可以通过第二次突变突变体失去的野生型性状，可以通过第二次突变得到恢复，这种第二次突变称为回复突变。得到恢复，这种第二次突变称为回复突变。美国加利福尼亚大学的美国加利福尼亚大学的Bruce Ames教授于教授于1966年发明，年发明，因此称为因此称为Ames试验试验标准菌株要求：标准菌株要求： 检测鼠伤寒沙门氏菌检测鼠伤寒沙门氏菌(Salmonella typhmurium) 组氨酸营养缺组氨酸营养缺陷型菌株陷型菌株(his-)的回复突变率（为了增加试验的敏感性，该菌株的回复突变率（为了增加试验的敏感性

56、，该菌株还应包括另外两个突变，一个是造成细胞表面透性增加的深度还应包括另外两个突变，一个是造成细胞表面透性增加的深度粗糙突变型，另一个是丧失切除修复能力的缺失型）。粗糙突变型，另一个是丧失切除修复能力的缺失型）。Ames试验斑点试验和平板掺入试验斑点试验和平板掺入试验 用途：广泛用于检测用途：广泛用于检测环境和食品中是否存环境和食品中是否存在化学致癌物。在化学致癌物。 特点：快速、准确、特点：快速、准确、费用廉价费用廉价三、三、DNA损伤的修复损伤的修复 除了除了DNA聚合酶进行校正外，还通过几种不同的机聚合酶进行校正外，还通过几种不同的机制进行制进行DNA的修复：的修复：(1) 光复活作用光

57、复活作用(2) 切除修复切除修复(3) 重组修复重组修复(4) SOS修复修复 紫外线诱变时必须在暗室、红光下紫外线诱变时必须在暗室、红光下进行进行（1）光复活作用（）光复活作用（photoreactivation）可见光可大大降低经紫外线照射后微生物死亡率的现象。可见光可大大降低经紫外线照射后微生物死亡率的现象。机理：机理： 经经UV照射后带有嘧啶二聚体的照射后带有嘧啶二聚体的DNA分子，在黑暗中会和一种光激分子，在黑暗中会和一种光激活酶活酶光解酶结合，形成酶光解酶结合，形成酶 DNA复合物，该复合物暴露在可复合物，该复合物暴露在可见光下时，光解酶会因获得光能而被见光下时，光解酶会因获得光能

58、而被激活，并使二聚体重新分解成单体，激活，并使二聚体重新分解成单体，光解酶也从复合物中释放出来，再结光解酶也从复合物中释放出来，再结合到其它二聚体上。合到其它二聚体上。 （2）切除修复（）切除修复（excision repair，又称暗修复）又称暗修复）一种普遍的修复系统。能移去胸腺嘧啶二聚体和修复大多数引一种普遍的修复系统。能移去胸腺嘧啶二聚体和修复大多数引起的起的DNA扭曲损伤。该修复系统不需要可见光，通过酶切作扭曲损伤。该修复系统不需要可见光，通过酶切作用移去损伤的碱基（包括损伤位点附近的一些碱基），随后合用移去损伤的碱基（包括损伤位点附近的一些碱基），随后合成一段正常成一段正常DNA链

59、。链。 内切核酸酶内切核酸酶 4种酶参与种酶参与 外切核酸酶外切核酸酶 DNA聚合酶聚合酶 DNA连接酶连接酶8.5 细菌基因转移和重组细菌基因转移和重组Horizontal gene transfer (HGT) refers to the transfer of genes between organisms in a manner other than traditional reproduction. Also termed lateral gene transfer, it contrasts with vertical transfer, the transmission of g

60、enes from the parental generation to offspring via sexual or asexual reproduction. 基因重组基因重组（gene recombination）：）： 将两个不同性状个体的基因通过一定的方式转移到一将两个不同性状个体的基因通过一定的方式转移到一起，并发生重新组合，产生新的遗传性状的过程，称起，并发生重新组合，产生新的遗传性状的过程，称为基因重组为基因重组(gene recombination)或遗传重组。或遗传重组。 重组重组：遗传物质在分子水平上发生的交换；：遗传物质在分子水平上发生的交换；杂交杂交：在细胞水平上遗