第五章細菌的遺傳與變異

1、,遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)微生物的遺傳物質(zhì)基因突變基因的轉(zhuǎn)移與重組菌種選育和保藏,Gene（基因）,基因（gene）— DNA分子中含有特定遺傳信息的一段核苷酸序列，是遺傳物質(zhì)的最小功能單位?；蚪M（genome）— 一個物種的單倍體的所有染色體及其所包含的遺傳信息的總稱。 基因型（genotype）— 生物的全部遺傳因子。 表型（phenotype）— 與基因型相對，是生物在特定條件下表現(xiàn)出來的全部性狀。表型是由基因型所

2、決定，但也和環(huán)境有關(guān)。,突變（mutation）— DNA或RNA中核苷酸序列發(fā)生了穩(wěn)定可遺傳的變化，導(dǎo)致生物的部分性狀發(fā)生可遺傳的變異。 基因突變：DNA鏈上一對或少數(shù)幾對堿基發(fā)生置換、缺失或插入引起的突變，涉及范圍小，又稱點突變（Point Mutations） 。 染色體畸變：大段染色體的缺失、重復(fù)、異位和倒位，即較大范圍內(nèi)遺傳物質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變。,The three major single chromosome mutat

3、ions 1.deletion； 2.duplication；3.inversion,基因突變 (gene mutation),表型飾變 (phenotypic modification),—不同環(huán)境下相同基因型的微生物表現(xiàn)出不同的表型，是暫時的，非遺傳性的改變。 eg.0.1%石炭酸抑制變形桿菌的鞭毛生長,普通瓊脂培養(yǎng)基,0.1%石炭酸培養(yǎng)基,粘質(zhì)沙雷菌,基因突變的基本特點,自發(fā)性和不對應(yīng)性稀少性 ( 突變率10-6-10-9

4、 )可誘發(fā)性獨立性穩(wěn)定可遺傳性可逆性 野生型菌株、突變株 (Wild type 、 mutant) 回復(fù)突變,基因突變的自發(fā)性和不對應(yīng)性,判斷下面表述是否正確：抗藥性突變是由于接觸了藥物所引起的。抗噬菌體的突變是由于接觸了噬菌體所引起的?？棺贤饩€的突變是由于接觸了紫外線所引起的。,突變的性狀與引起突變的原因間沒有直接的對應(yīng)關(guān)系!,如何證明基因突變的非對應(yīng)性？,三個經(jīng)典實驗,

5、變量實驗、涂布實驗、影印實驗,變量實驗Salvador Luria and Max Delbruck（1943）,Salvador Luria,Max Delbruck,The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1969,Newcombe的涂布實驗（1949）,影印實驗Joshua Lederberg and Esther Lederberg（1952）,J. Lederberg is awar

6、ded the Noble Prize in Medicine and Physiology in 1958,Joshua Lederberg,,以上實驗證明 基因突變的非對應(yīng)性即：突變的性狀與引起突變的原因間沒有直接的對應(yīng)關(guān)系！,,1）營養(yǎng)缺陷型（auxotroph）：微生物經(jīng)突變后失去對某種生長因子（維生素、氨基酸、核苷酸等）的合成能力，必須依靠外界供應(yīng)才能生長，這種突變株稱為營養(yǎng)缺陷型。表示方法：基因型：前三

7、個英文，小寫，斜體如：hisC 表示組氨酸缺陷型，其中的大寫字母C表示同一表型中不同基因的突變）表型：同上，但第一個字母大寫，且不用斜體：HisChisC-和hisC+ ，分別表示組氨酸缺陷型和野生型。,在選擇培養(yǎng)基（一般為基本培養(yǎng)基）上不生長,在完全培養(yǎng)基上可以生長，為負選擇標記。 微生物遺傳學(xué)研究中重要的選擇標記和育種的重要手段。,突變株的類型及實際應(yīng)用,Ames Test,美國加利福尼亞大學(xué)的Bruce Ames教授于1

8、966年發(fā)明，用于檢測某種新藥是否具有誘變和致癌作用。,“生物化學(xué)統(tǒng)一性”法則： 人和微生物在DNA的結(jié)構(gòu)及特性方面是一致的，能使微生物發(fā)生突變的誘變劑必然也會作用于人的DNA，使其發(fā)生突變，最后造成癌變或其他不良后果。,誘變劑的共性原則：化學(xué)藥劑對細菌的誘變率與其對動物的致癌性成正比。超過95%的致癌物質(zhì)對微生物有誘變作用，90%以上的非致癌物質(zhì)對微生物沒有誘變作用。,誘變劑與致癌物質(zhì),試驗菌株特征：具有不同的、經(jīng)遺傳學(xué)確證

9、的組氨酸營養(yǎng)缺陷；細胞壁組成（脂多糖）缺陷，對有機化合物有高度滲透性；DNA切除修復(fù)功能缺陷回復(fù)突變(reverse mutation/back mutation)：突變體失去的野生型性狀，可以通過第二次突變得到恢復(fù)，這種第二次突變稱為回復(fù)突變。,Ames Test,具體操作：檢測鼠傷寒沙門氏菌(Salmonella typhmurium)組氨酸營養(yǎng)缺陷型菌株(his-)的回復(fù)突變率,Ames test,證明Ames試驗重要性

10、的應(yīng)用實例：,國外曾開發(fā)了一種降低婦女妊娠反應(yīng)的藥物“反應(yīng)?！?，由于其藥效顯著，在20世紀60-70年代十分流行，但隨后人們就發(fā)現(xiàn)畸形兒的出生率明顯增高，而且生產(chǎn)畸形兒的婦女大多曾服用“反應(yīng)停”，后來采用Ames試驗發(fā)現(xiàn)這種物質(zhì)的確具有很強的致突變作用，因此這種藥物被禁止使用但如果能在這種藥物上市之前就進行Ames試驗檢測，那么這種大量出生畸形兒的悲劇完全可以避免。,3）抗性突變型（resistant mutant）,分為抗藥性、抗噬菌

11、體和抗紫外線等。抗藥性：細菌對某種抗菌藥物敏感性降低或產(chǎn)生耐藥性，是遺傳學(xué)研究中重要的選擇性標記。正選擇標記（突變株可直接從抗性平板上獲得）表示方法：所抗藥物的前三個小寫、斜體、英文字母加上“r” strr 和 strs 分別表示對鏈霉素的抗性和敏感性,2） 高產(chǎn)突變株正變株：產(chǎn)量提高 負變株：產(chǎn)量降低,4）條件致死突變型（conditional lethal mutant）,在某一條件下具有致死效

12、應(yīng)，而在另一條件下沒有致死效應(yīng)的突變型。負選擇標記如溫度敏感突變型（Ts，temperature sensitive mutant ）, 在高溫下(如42℃)是致死的，可以在低溫(如25-30℃)下得到這種突變。 常被用來分離生長繁殖必需的突變基因。,5）形態(tài)、結(jié)構(gòu)、毒力的變異,膽汁、甘油、馬鈴薯培養(yǎng)基牛型結(jié)核桿菌 卡介苗  &#

13、160;                13年 ( 230代 ) (BCG) Calmette-Guerin 疫苗 生物武器,,自發(fā)突變（spotaneous mutation） 沒有人

14、工參與下生物體自然發(fā)生的突變，一般頻率較低，通常為10-6-10-9 。機制：環(huán)境因素的誘變堿基結(jié)構(gòu)的變化：如T和G酮式和烯醇式構(gòu)型的互變, C與A氨基式和亞氨式構(gòu)型的互變,導(dǎo)致AT→GC或GC→AT的置換。環(huán)出效應(yīng)轉(zhuǎn)座效應(yīng),基因突變的分子機制,誘變 (mutagenesis) 人為用理化因素誘導(dǎo)生物體遺傳物質(zhì)發(fā)生變異，突變以較高的頻率產(chǎn)生。 誘變劑（mutagen）：能提高突變率的任何理化因子。誘變機制：堿基

15、置換、移碼突變、插入或缺失,基因突變的分子機制,,1、堿基置換（Base-pair substitution ）DNA復(fù)制中，一對堿基被另一對堿基取代，造成配對錯誤。包括轉(zhuǎn)換（transition）和顛換（transversion）,5-溴尿嘧啶(5-BU)引起的突變,5-BU是胸腺嘧啶的代謝類似物,亞硝酸(HNO2) 引起的突變,腺嘌呤脫氨成次黃嘌呤,2、移碼突變（Frame Shift Mutation）：DNA分子中一對或少

16、數(shù)幾對核苷酸的增加或缺失而造成的基因突變。,紫外線的誘變機制,UV導(dǎo)致DNA分子鏈上氫鍵的斷裂、磷酸-戊糖骨架斷裂、嘧啶的水合作用、胸腺嘧啶二聚體的形成(包括鏈間或鏈內(nèi))。,DNA損傷的修復(fù),光復(fù)活作用（photoreactivation）　 將經(jīng)紫外線照射后的細胞立即暴露在可見光下時，可明顯降低其死亡率，稱光復(fù)活作用。 光復(fù)活酶在黑暗中專一地識別嘧啶二聚體并與之結(jié)合，形成酶-DNA復(fù)合物，該酶可利用可見光能將二聚體解體，使

17、DNA損傷得到修復(fù)。,遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)微生物的遺傳物質(zhì)基因突變基因的轉(zhuǎn)移與重組菌種選育和保藏,基因的轉(zhuǎn)移和重組,基因重組（genetic recombination）： 兩個不同個體內(nèi)的遺傳基因通過重新組合，形成新遺傳型個體的方法。重組子（recombinant）：經(jīng)基因重組后形成的有新遺傳特性的細胞。,基因重組的主要方式轉(zhuǎn)化接合轉(zhuǎn)導(dǎo)原生質(zhì)體融合,轉(zhuǎn)化（transformation）- 受體菌接受供體菌裸

18、露的DNA片段，從而獲得供體菌部分遺傳性狀的過程。轉(zhuǎn)化子（ transformant ）：轉(zhuǎn)化后能穩(wěn)定表達供體菌部分遺傳性狀的重組子。,? 1928年Griffith首先進行了細菌轉(zhuǎn)化試驗。? 1944年Avery利用轉(zhuǎn)化試驗證實了DNA是遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)。,轉(zhuǎn)化的條件（1）外源DNA片段 雙鏈DNA，大?。∕W為106~108） 同源性（一般30%以上即認為同源性較高） DNA純度（2）受體菌的生理

19、狀態(tài) 感受態(tài)(competence)： 受體菌能夠從周圍環(huán)境中吸收外源 DNA 分子進行轉(zhuǎn)化的生理狀態(tài)。感受態(tài)細胞: 具有攝取外源DNA能力的細胞與菌的特異性，生長期及培養(yǎng)條件有關(guān)； Ca2+、Mg2+；,自然轉(zhuǎn)化；人工誘導(dǎo)（CaCl2）；原生質(zhì)體轉(zhuǎn)化(PEG)；電轉(zhuǎn)化,轉(zhuǎn)化過程,主要通過 3 個步驟完成。  1、感受態(tài)細胞 ：CaCl2 處理 2、DNA 的結(jié)合和攝取 供體雙鏈 DNA 與受體細

20、胞壁上的接受位點相結(jié)合，隨后其中一條鏈被內(nèi)切核酸酶降解，降解產(chǎn)生的能量把另一條鏈推進受體細胞。 3、 轉(zhuǎn)化因子與染色體重組 當(dāng)單鏈DNA進入受體細胞后，與受體染色體 DNA 同源片段發(fā)生交換重組，形成供體 DNA-- 受體 DNA 復(fù)合物，再通過錯配修復(fù)或DNA 復(fù)制和細胞分裂形成轉(zhuǎn)化子。,基因重組的主要方式轉(zhuǎn)化接合轉(zhuǎn)導(dǎo)原生質(zhì)體融合,接合(conjugation),供體菌和受體菌通過細胞與細胞的直接接觸，遺傳物質(zhì)自

21、供體菌轉(zhuǎn)移入受體菌，使后者獲得前者的部分遺傳性狀，這種基因轉(zhuǎn)移方式稱為接合。,F質(zhì)粒結(jié)構(gòu)復(fù)制和不相容區(qū)轉(zhuǎn)移區(qū)插入?yún)^(qū)（重組區(qū)）,F plasmid,,F因子的存在方式及E.coli的四種接合型菌株,×,F+,F+,F+,+,,,×,F+,F+,F+,+,,×,Hfr,F-,Hfr,+,,,×,F’,F’,F’,+,,,Hfr菌株與F-菌株接合時，能帶動細菌染色體轉(zhuǎn)移入F-菌株，并以很高頻率與

22、受體菌染色體重組，由此而得名為高頻重組菌株（high frequency of recombination strain ，Hfr strain）。Hfr菌株內(nèi)的F因子因不正常切割而脫離染色體時，形成游離的但攜帶一小段染色體基因的F因子，特稱為F′因子。通過F′因子的轉(zhuǎn)移而使受體菌改變遺傳性狀的現(xiàn)象稱為F’因子轉(zhuǎn)導(dǎo)（F-duction）或性導(dǎo)（sexduction）。,基因重組的主要方式轉(zhuǎn)化接合轉(zhuǎn)導(dǎo)原生質(zhì)體融合,以噬菌

23、體為媒介，將供體菌的DNA片段攜帶到受體細胞，通過交換與整合，使受體菌獲得供體菌的部分遺傳性狀的基因轉(zhuǎn)移方式。,轉(zhuǎn)導(dǎo)(transduction),能將一個細菌宿主的部分染色體或質(zhì)粒DNA帶到另一個細菌的噬菌體稱為轉(zhuǎn)導(dǎo)噬菌體（Transducing phage）.通過轉(zhuǎn)導(dǎo)而獲得新遺傳性狀的受體菌叫轉(zhuǎn)導(dǎo)子（transductant）。轉(zhuǎn)導(dǎo)分為：普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)和局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)。,普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)(generalized transduction)

24、 完全缺陷噬菌體將供體菌任意DNA片段轉(zhuǎn)移到受體菌的轉(zhuǎn)導(dǎo)現(xiàn)象。媒介—烈性或溫和噬菌體。,普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo),完全轉(zhuǎn)導(dǎo)（complete transduction）－外源DNA通過與受體細胞染色體的基因重組而形成穩(wěn)定的轉(zhuǎn)導(dǎo)子,,流產(chǎn)轉(zhuǎn)導(dǎo)（abortive transduction）,,轉(zhuǎn)導(dǎo)DNA不能進行重組和復(fù)制，但其攜帶的基因可經(jīng)過轉(zhuǎn)錄而得到表達。,,特點：在選擇培養(yǎng)基平板上形成微小菌落,外源DNA被降解，轉(zhuǎn)導(dǎo)失敗。,,舉例：E.co

25、li 的λ噬菌體，插入位點兩側(cè)為gal和bio基因，不正常切割時可包裝入噬菌體外殼，形成缺陷噬菌體，再感染時形成局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)。,局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)(restricted /specialized transduction)——通過部分缺陷的溫和噬菌體把供體菌的少數(shù)特定基因攜帶到受體菌并表達。,普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)與局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)的區(qū)別,溶源轉(zhuǎn)變與轉(zhuǎn)導(dǎo)的不同？,基因重組的主要方式轉(zhuǎn)化接合轉(zhuǎn)導(dǎo)原生質(zhì)體融合,原生質(zhì)體融合(protoplast fusio

26、n)—兩種細胞經(jīng)溶菌酶或青霉素等處理，失去細胞壁成為原生質(zhì)體后相互融合的過程。,,遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)微生物的遺傳物質(zhì)基因突變基因的轉(zhuǎn)移與重組菌種選育和保藏,菌種保藏,影響因素：低溫、干燥、隔絕空氣 傳代培養(yǎng)保藏法斜面培養(yǎng)、穿刺培養(yǎng)、皰肉培養(yǎng)基培養(yǎng)等（保藏厭氧細菌）液體石蠟保藏法沙土保藏法液氮保藏法 寄主保藏法冷凍干燥保藏法,,斜面,液氮罐,超低溫冰箱,凍干管,菌懸液/甘油管,液體石蠟,Review,遺傳、變異、基