第6章 微生物遗传与变异

第六章

微生物的遗传和变异主要内容微生物的遗传微生物的变异基因重组突变体的检测与筛选分子遗传学技术在环境工程和环境保护中的应用

一.遗传与变异的物质基础——DNA第一节微生物的遗传证据1：1928年格里菲斯肺炎链球菌转化实验1941年艾弗里肺炎链球菌转化补充实验证据2：1952年赫西和蔡斯大肠杆菌T2噬菌体感染大肠杆菌实验

基本组成元素：C、H、O、N、P

基本单位：脱氧核苷酸

（一）DNA的结构二、DNA的结构与复制

DNA的分子组成:

DNA的平面结构：脱氧核苷酸长链

DNA的空间结构:双螺旋结构1、DNA的存在形式

真核微生物原核微生物DNA+组蛋白→染色体+核膜→真核DNA+少量蛋白→环状染色体→拟核2、基因—遗传因子基因—是具有固定的起点和终点的核苷酸或密码的线性序列。是编码多肽、tRNA或rRNA的多核苷酸序列。基因按功能可分为三种结构基因—编码蛋白质或酶的结构操纵区—“开关”，操纵结构基因的表达调节基因—编码调节蛋白，与操纵区结合，控制结构基因表达大肠杆菌乳糖操纵子的结构及调节RPO结构基因3个Z、Y、A：结构基因P：启动子O：操纵基因R：调节基因

Z

Y

Aβ-半乳糖苷酶

β-半乳糖苷酶透过酶

β-半乳糖苷酶乙酰氨基转移酶

RPOZ

Y

A阻遏蛋白阻抑蛋白封闭操纵区，结构基因不表达RPOZY

A阻遏蛋白诱导物与阻抑蛋白结合，阻抑蛋白不能封闭操纵区，结构基因得以表达诱导物

3、遗传信息的传递—中心法则（二）DNA的复制—半保留复制三、DNA的变性和复性（一）DNA的变性

概念—当天然双链DNA受热或其他因素的作用下，两条链之间的结合力被破坏而分开成单链DNA，即称为DNA变性。导致DNA变性的因素加热——80℃

~100℃，完全解链提高pH

——pH≥11.3，完全变性变性试剂——尿素和甲硫胺（G+C）%=（Tm-69.3）×2.44（二）DNA的复性（退火）概念—变性DNA在适当条件下，分开的两条单链分子按照碱基互补原则重新恢复天然的双螺旋构象的现象。复性的DNA是随机结合的，只能部分保持原有性状。四、RNA1、RNA和DNA组成的区别核糖代替脱氧核糖尿嘧啶（U）代替胸腺嘧啶（T）2、RNA的种类mRNA（信使RNA）tRNA（转运RNA）rRNA（核糖体RNA）反义RNA（调节DNA复制、转录和翻译）五、微生物的生长1.微生物的生长主要是蛋白质的合成平衡生长：当微生物的生长进入对数期，细胞中全部的生化组成都以相同的速率进行合成，这个过程称为平衡生长。2.蛋白质合成过程DNA复制DNA转录tRNA翻译蛋白质合成原核微生物的转录过程转录的酶——RNA聚合酶

RNA聚合酶组成：α2ββ’ω+σα亚基—解开前方DNA双螺旋、恢复后面的DNA双螺旋；β亚基—催化磷酸二酯键的形成；β’亚基—与DNA非模板链结合；σ亚基—识别DNA转录的起始部位，从而引导全酶结合上去。ω亚基：在全酶中存在，功能不清楚。核心酶全酶

转录起始转录延长阶段σ亚基脱落起始：RNA聚合酶与DNA模板的启动子(promoter)结合-35-10Pribnowbox(普里布诺盒)转录过程

延长：在RNA聚合酶催化下，以模板链为模板按5′→3′方向合成互补的RNA链。5′5′3′3′5′3′RNA聚合酶DNARNA终止：RNA聚合酶到达转录终止区，则停止转录。终止子—能够使RNA转录停止的DNA序列。

终止的方式：

（1）依赖于（Rho）因子的终止（2）不依赖于（Rho）因子的终止（1）依赖于

因子的终止RNARNA聚合酶（2）不依赖于

因子的终止茎环/发夹结构细菌mRNA多数不用加工，转录与翻译是偶联的。少数多顺反子信使RNA（一种能作为两种或多种多肽链翻译模板的信使RNA

）必须由内切酶切成较小的单位，然后翻译。如核糖体大亚基蛋白与RNA聚合酶的β亚基基因组成混合操纵子，转录后需经RNA酶III切开，各自翻译。因为RNA聚合酶的合成水平低得多，切开有利于各自的翻译调控。转录后加工真核微生物的转录过程转录的酶——3种RNA聚合酶

酶位置产物相对活性RNA聚合酶Ⅰ核仁rRNA(5.8S、18S、28S)50%~70%RNA聚合酶Ⅱ核质mRNA20%~40%RNA聚合酶Ⅲ核质tRNA,5SrRNA~10%转录过程起始RNA聚合酶Ⅱ接合在起始位点附近，由转录因子（TFⅡ）协助识别启动子。目前已知RNA聚合酶Ⅱ至少有六种不同的蛋白因子参与转录复合体的形成。这些蛋白因子被称为转录因子（trans-criptionalfactor,TF)。包括TFⅡA，TFⅡB，TFⅡD，TFⅡE，TFⅡF，TFⅡ-I。

延长终止

真核生物转录终止的机制，目前了解尚不多，而且3种RNA聚合酶的转录终止不完全相同。RNA聚合酶Ⅰ催化的转录有18bp的终止子序列，可被辅助因子识别。RNA聚合酶II和III催化转录的终止子，可能有与原核生物不依赖ρ因子的终止子相似的结构和终止机制，即有富含GC的茎-环结构(stem-loopstructure)和连续的U。由于成熟的mRNA3’端已被切除了一段并加入了polyA尾，具体的转录终止点目前尚未认识。转录后加工加帽：转录合成前体RNA（hnRNA）在磷酸酶的作用下，将5'-端的磷酸基水解，然后再加上鸟苷三磷酸，形成GpppN的结构，再对G进行甲基化;加尾：这一过程也是细胞核内完成，首先由核酸外切酶切去3‘-端一些过剩的核苷酸，然后再加入polyA。剪接：核内小RNA（snRNA）与蛋白质结合形成小核核糖核蛋白颗粒（snRNP

），可识别内含子和外显子的交接位点，从而将内含子切割下来，并准确地将各外显子拼接好，成为完好的具有功能的mRNA。外显子原核微生物和真核微生物转录过程的区别

真核微生物RNA的转录是在细胞核内进行的，而蛋白质的合成则是在细胞质内进行的。所以，RNA转录后首先必须从核内运输到细胞质内，才能指导蛋白质的合成。

真核微生物一个mRNA分子一般只含有一个基因，编码一条多肽链；原核微生物的一个mRNA分子通常含有多个基因。在原核微生物中只有一种RNA聚合酶，催化所有RNA的合成；而在真核微生物中则有RNA聚合酶Ⅰ、RNA聚合酶Ⅱ和RNA聚合酶Ⅲ三种不同酶，分别催化不同种类型RNA的合成。原核生物中RNA聚合酶可以直接起始转录合成RNA，真核生物则不能独立转录RNA。在真核生物中，三种RNA聚合酶都必须在蛋白质转录因子的协助下才能进行RNA的转录。另外，RNA聚合酶对转录启动子的识别，也比原核生物更加复杂。六、微生物的细胞分裂DNA复制蛋白质合成核物质蛋白质均匀分配形成横隔膜子细胞子细胞第二节微生物的变异一、变异的实质—基因突变

生物DNA碱基系列的任何改变，包括一对或少数几对碱基的