1、1,Heritance and variations,微生物的遗传与变异,2,遗传与变异的概念及其物质基础,Synopsis,遗传物质在微生物中的存在方式,质粒和转座因子,基因突变及其分子机制,3,Inheritance and variance,遗传与变异,4,遗传性(heredity):子代与亲代相似的现象。,变异性(variation):子代与亲代，子代不同个体之间存在差异的现象。,种瓜得瓜，种豆得豆。,遗传与变异,龙生九子，不成龙，各有所好。,5,生物遗传的物质基础是？,6,证明核酸是遗传物质基础 的经典实验-1,Avery McCarty MacLeod1944,7,证明核酸是遗传物
2、质基础的 经典实验-2,Hershey & Chase噬菌体侵染实验1952,8,证明核酸是遗传物质基础 的经典实验-3,Fraenkel-Conrat & Singer，1956 病毒的拆分和重建实验,9,生物遗传的物质基础是核酸， 可分为DNA和RNA。,对一切有细胞结构的生物（原核生物和真核生物）而言，DNA是其进行遗传的物质基础；而对病毒和噬菌体而言，其遗传物质可以是DNA或RNA。,Inheritance fundamentals of organisms,生物遗传的物质基础,10,微生物的遗传物质以染色体和染色体外的遗传物质形式（包括质粒、转座因子等）存在。,Inheritance
3、 fundamentals of microbes,微生物遗传的物质基础,11,基因组(genome): 一个物种的单倍体细胞内的所有染色体及其所包含的遗传信息的总称。,表现型(phenotype): 具有特定基因型的个体，在一定环境条件下所表现出来的各种生物学性状特征的总和。,基因(gene): 为编码合成一条多肽链或RNA分子所必需的一段完整的核酸序列。,基因型(genotype): 生物的全部遗传因子及基因组成。,常用术语,Glossary,12,P=G+E,表现型 = 基因型 + 环境影响,Phenotype = Genotype + Environment,遗传与变异,Inherit
4、ance and variance,13,Inheritance materials in microbes,遗传物质在微生物中的存在方式,14,病毒：除了朊病毒，已知所有病毒的遗传物质都是DNA或RNA。,原核细胞型生物的遗传物质：原核细胞型生物的核比较原始，称为类核，也称染色体。染色体一般是一条裸露的共价闭合环状双链DNA分子，无组蛋白，但有核蛋白。为单倍体。,真核细胞型生物的遗传物质：真核细胞型生物的遗传物质是以细胞分裂间期的染色质和细胞分裂期的染色体的形式而存在的。它们的主要化学组成是线状双链DNA分子和组蛋白。染色质的结构蛋白叫核小体。,Inheritance materials o
5、f microbes,微生物的遗传物质,15,原核生物（细菌等）的基因组,1）染色体为双链环状的DNA分子（单倍体）；,2）基因组上遗传信息具有连续性；,基因数量基本接近由它的基因组大小所估计的基因数,（通常以1000bp1500bp为一个基因进行计算）,微生物基因组DNA绝大部分用来编码蛋白质、RNA；其余用作为复制起点、启动子、终止子和一些由调节蛋白识别和结合的位点等信号序列。,一般不含内含子，遗传信息是连续而不是中断的。,Characteristics of genome of microbes,微生物基因组结构的特点,16,3）功能相关的结构基因组成操纵子结构,操纵子（operon）
6、功能相关的几个基因前后相连，再加上一个共同 的调节基因和一组共同的控制位点（启动子、操 纵子等），在基因转录时协同动作。,4）基因组的重复序列少而短,Characteristics of genome of microbes,微生物基因组结构的特点,17,真核微生物（例如啤酒酵母）的基因组,1）典型的真核染色体结构（染色体由核小体组成）,2）没有明显的操纵子结构,啤酒酵母基因组大小为13.5106bp，分布在16条染色体中。,3）有间隔区（即非编码区）和内含子序列,4）重复序列多,Characteristics of genome of microbes,微生物基因组结构的特点,18,染色体,
7、Chromosome,19,人类染色体,Human chromosome,20,Plasmids and transposon factors,质粒和转座因子,21,质粒（plasmid）：独立于染色体外，能进行自主复制的细胞质遗传因子，主要存在于各种微生物细胞中。,转座因子/跳跃基因：细胞基因组中能从一个位置转移到另一位置的一段DNA序列。转座因子从基因组的一个位置转移到另一个位置的过程叫做转座。,Plasmids and transposon factors,质粒和转座因子,22,质粒的三种构型,CCC（covalently closed circular）型：共价闭合环状,OC（open
8、 circular form）型：开链环状,L（linear form）型：线状,Conformation of plasmids,质粒的构型,23,高拷贝数(high copy number)质粒 （每个宿主细胞中可以有10-100个拷贝）松弛型质粒(relaxed plasmid),低拷贝数(low copy number)质粒 （每个宿主细胞中可以有1-4个拷贝）严谨型质粒(stringent plasmid),基因工程中的载体质粒,窄宿主范围质粒(narrow host range plasmid) （只能在一种特定的宿主细胞中复制）,广宿主范围质粒(broad host range
9、plasmid) （可以在许多种细菌中复制）,Auto-replication of plasmids,质粒的自主复制,24,质粒所含的基因对宿主细胞一般是非必需的。,除去质粒细菌依然生存！,在某些特定条件下，质粒能赋予宿主细胞以特殊的机能，从而使宿主得到生长优势。如：,致育性 对抗生的抗性 对重金属的抗性,Non-essentiality of plasmids,质粒的非必需性,合成抗生素 毒素 细菌素等等,25,人为应用某些理化因素可大大提高消除频率。如：,质粒能从宿主细胞自发消除，但频率很低。,吖啶橙溴化乙啶丝裂霉素C,Auto-elimination of plasmids,质粒的自发
10、消除,高温紫外线等,26,质粒可通过转化、接合或转导等方式在细菌间转移。根据质粒能否通过结合作用进行转移，可将其分为：,接合型质粒（conjugative plasmid）,能通过接合方式将质粒拷贝从一个细菌转移给另一个细菌如F质粒、R质粒。带有和接合有关的基因（如tra基因）,非接合型质粒（nonconjugative plasmid）,Transference of plasmids,质粒的转移性,27,两种不同类型的质粒如果能稳定地共存于一个宿主细胞内，经多次传代之后，每个子细胞仍同时含有这两类质粒，称为质粒的相容性。反之，则称为质粒的不相容性。,相容性（compatibility）：两
11、种不同类型的质粒能稳定地共存于一个宿主细胞内,不相容性（incompatibility）：两种质粒不能稳定的共存于一个细胞内,Compatibility of plasmids,质粒的相容性,28,F质粒（Fertility plasmid），致育质粒。,R质粒（drug-resistant ），抗药质粒。,Col质粒（colicin plasmid），细菌素质粒。,代谢质粒（metabolism plasmid）。,Common types of plasmids,常见的质粒类型,29,F的含义是致育，具有编码性菌毛、介导细菌之间发生结合的能力。其大小约为100kb，约为E. coli染色体
12、大小的1/40。,F因子能以游离状态(F+)和以与染色体相结合的状态(Hfr)存在于细胞中，所以又称之为附加体(episome)。,携带F质粒的菌株称为F+菌株（相当于雄性），无F质粒的菌株称为F-菌株（相当于雌性）。,Fertilized plasmids,F 质粒,30,R质粒即抗药质粒，根据其能否通过结合而转移，分为结合型和非结合型抗药质粒。,结合型抗药质粒由 抗药转移因子（resistance transfer factor，RTF）和抗药决定子（resistance terminant，r-det） 或称抗药基因组成。,非结合型抗药质粒简称为r质粒。它们没有RTF，只有r-det。因
13、此只具有抗药性但不能进行结合转移。,R质粒可使宿主菌具有抗药性。,Resistance plasmids,R质粒,31,Col质粒是编码大肠菌素（Colicin）的质粒。大肠菌素是某些大肠埃希菌产生的，仅对近缘细菌具有杀灭作用的蛋白类抗菌物质。,每种Col质粒同时赋予宿主菌对这种大肠菌素的免疫力，但对其他类型的大肠菌素依然是敏感的。据此，可将肠道细菌分成不同的细菌素型，有利于流行病学的调查。,Colicin plasmids,Col质粒,32,代谢质粒携带有能降解某些基质的酶的基因。含有这类质粒的细菌，能降复杂的有机化合物降解成能被其作为碳源和能源利用的简单形式。,代谢质粒可对有毒化合物，如芳
14、香族化合物（苯），农药（2,4-二氯苯氧基乙酸）、辛烷和樟脑等进行降解。,环保作用。代谢质粒也称为降解质粒。,Metablism plasmids,代谢质粒,33,插入序列（insertion sequence，IS）,转座子（transposon）,转座噬菌体,转座因子又称跳跃基因，是指细胞基因组中能够从一个位置转移到另一位置的一段DNA序列。,Common types of transposon factors,常见的转座因子类型,34,插入序列（IS）是最简单的转座因子。通常是比较短的一段DNA序列，大小约为0.72.7kb，现已发现的最大插入序列是E.coli的，约5.7kb。,插入序
15、列除了带有和它的转座功能相关的基因外，不含有其他任何已知基因。,插入序列两端常有反向重复序列。,插入序列可独立存在于DNA中，也可以是转座子的一部分。,Insertion sequences,插入序列,35,转座子（Transposon，Tn）是一类分子量比较大的转座因子，一般大小为约225kb。Tn除了含有转座功能相关的基因外，还含有其他已知基因的DNA序列，如抗生素/重金属抗性基因等。,有的Tn两端接一个短的反向重复序列；而有的Tn两端接的就是IS。两个IS可构成顺向重复序列或反向重复序列。,当Tn的双链DNA解离成单链时，Tn两端的反向重复序列可形成具有特征性的茎-环结构。,Transp
16、oson,转座子,36,Genetic mutation,基因突变,37,突变（mutation）：生物体遗传物质的核苷酸序列发生了稳定而可遗传的变化。,广义的突变包括基因突变和染色体畸变。,狭义的突变就是指基因突变。,基因突变是指基因内部由于一对或少数几对碱基的置换、缺失或插入而引起的突变，其涉及的变化范围很小，又称为点突变。,染色体畸变是指大段染色体的缺失、重复、易位和倒位，即较大范围内遗传物质的改变。,Genetic mutation,基因突变,38,一个基因内部遗传结构或DNA序列的任何改变。,基因突变：,基因突变是重要的生物学现象，它是一切生物变化的根源，连同 基因转移、重组一起提供
17、了推动生物进化的遗传多变性。,基因突变,DNA损伤修复机制,突变,自发突变,诱变,环境因素的影响，DNA复制过程的偶然错误等 而导致，一般频率较低，通常为10-6-10-9 。,某些物理、化学因素对生物体的DNA进行直接 作用，突变以较高的频率产生。,Genetic mutation,基因突变,39,基因突变,Genetic mutation,40,表(现)型改变：,在不同的环境条件下，相同基因型的微生物表现出不 同的表型称为表型改变。 表型的差异只与环境有关 特点：暂时性、不可遗传性、表现为全部个体的行为,橘生淮南则为橘，生于淮北则为枳。,遗传(基因)型变异（基因变异、基因突变）：,遗传物质
18、改变，导致表型改变，也称基因型突变。 特点：遗传性、群体中极少数个体的行为（自发突变频率通常为10-6-10-9）,表现型与基因型,Phenotype and genotype,41,1.自发性自发突变,2.不对应性,3.稀少性突变率,4.诱发性诱变,5.独立性,6.稳定可遗传性,7.可逆性回复突变,突变的性状与引起突变的原因无直接对应的关系,诱变剂（mutagen）能显著提高突变率的理化因素。,第一次突变 野生型菌株 突变株第二次突变,Characteristics of gene mutation,基因突变的特性,42,低剂量诱变因素的长期综合效应。外源/内源。,环出效应。在DNA复制时，
19、模板链的某一核苷酸偶尔会向外突出成环，则在新合成的DNA继续复制时就会越过该环部位，导致缺失突变。,互变异构效应。,5-甲基胞嘧啶自发脱氨作用。,碱基结构的变化。,Auto-mutation,自发突变,43,碱基对置换。在DNA复制中，一对碱基为另一对所取代或一对碱基的位置互换。 转换/颠换。,紫外线诱变机制。其可以引起DNA链糖-磷酸骨架断裂、嘧啶的水合作用以及胸腺嘧啶二聚体的形成等。,移码突变。由DNA分子中的一对或少数几对核苷酸的增加或缺失造成的。,缺失或插入突变。较大范围的核苷酸序列的缺失或插入导致的突变。,Mutagenesis,诱变,44,碱基配对,Base pairing,45,
20、化学诱变剂改变了DNA中原有碱基的化学本质或碱基类似物掺入DNA，取代了原有的正常碱基；,由于电子转移，DNA中的碱基发生互变异构的不稳定构型，导致碱基错配。,如亚硝酸的作用是使碱基脱氨。A-H（次黄嘌呤），C-U。在复制中形成H-C或U-A配对，再次复制即可产生碱基转换，A-T-G-C，或G-C-A-T。,Mechanisms of mutagenesis,诱变的机制-碱基置换,46,5BU 碱基T的类似物,碱基类似物,Base analog,47,亚硝酸（HNO2）的诱变机制,碱基脱氨,亚硝酸脱氨,Deamination of nitrous acid,48,由于DNA分子中一对或少数几对
21、核苷酸的增加或缺失而造成,Frameshift mutation,移码突变,49,较大范围的核苷酸序列的缺失或插入所导致的突变。,缺失突变常导致缺失位点的整个基因及裂缝两端的基因活性受损；,生物诱变剂（转座因子）以及理化诱变剂，如电离辐射、烷化剂等能诱发缺失或插入突变。,插入突变导致掺入位点整个基因的失活，甚至产生极性突变。,Deletion mutation & insertion mutation,缺失突变和插入突变,50,紫外线是一种多功能诱变剂。,紫外线能够引起DNA链糖-磷酸骨架断裂、嘧啶的水合作用以及胸腺嘧啶二聚体的形成等。其中胸腺嘧啶二聚体（TT）的形成是紫外线诱变的主要机制。T
22、T大多发生在同一条链附近的胸腺嘧啶之间，也可以在两条链间形成，使局部的氢键断裂，DNA的构型扭曲变形，影响DNA复制时双链解开及碱基的正常配对。紫外线照射造成的DNA损伤常诱导产生一种应急修复（SOS修复）反应，结果大大地提高了细胞的存活力。,Mechanisms of UV mutagenesis,紫外线的诱变机制,51,1）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、 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（precursor）才能生长。,表型判断的标准：,在基本培养基上能否生长,特点：,在选择培养基（一般为基本培养基）
23、上不生长,负选择标记,突变株不能通过选择平板直接获得,Common mutant types,常见的微生物突变类型,52,2) 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。,特点：,正选择标记 （突变株可直接从抗性平板上获得-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。）,表示方法：,所抗药物的前三个小写斜体英文字母加上“r”表示 strr 和 strs 分别表示对链霉素的抗性和敏感性,Common mutant types,常见的微生物突变类型,53,3）条件致死突变型（conditional letha
24、l mutant）,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。,常用的条件致死突变是温度敏感突变，用ts（temperature sensitive）表示，这类突变在高温下（如42）是致死的，但可以在低温（如25-30）下得到这种突变。,特点：,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,Common mutant types,常见的微生物突变类型,54,55,本次内容回顾,SUMMARY,56,基因组(genome): 一个物种的单倍体细胞内的所有染色体及其所包含的遗传信息的总称。,表现型(phenotype): 具有特定基因型的个体，在一定环境条件下所表现
25、出来的各种生物学性状特征的总和。,基因(gene): 为编码合成一条多肽链或RNA分子所必需的一段完整的核酸序列。,基因型(genotype): 生物的全部遗传因子及基因组成。,常用术语,Glossary,57,生物遗传的物质基础是核酸， 可分为DNA和RNA。,对一切有细胞结构的生物（原核生物和真核生物）而言，DNA是其进行遗传的物质基础；而对病毒和噬菌体而言，其遗传物质可以是DNA或RNA。,Inheritance fundamentals of organisms,生物遗传的物质基础,58,微生物的遗传物质以染色体和染色体外的遗传物质形式（包括质粒、转座因子等）存在。,Inheritan
26、ce fundamentals of microbes,微生物遗传的物质基础,59,质粒（plasmid）：独立于染色体外，能进行自主复制的细胞质遗传因子，主要存在于各种微生物细胞中。,转座因子/跳跃基因：细胞基因组中能从一个位置转移到另一位置的一段DNA序列。转座因子从基因组的一个位置转移到另一个位置的过程叫做转座。,Plasmids and transposon factors,质粒和转座因子,60,F质粒（Fertility plasmid），致育质粒。,R质粒（drug-resistant ），抗药质粒。,Col质粒（colicin plasmid），细菌素质粒。,代谢质粒（metab
27、olism plasmid）。,Common types of plasmids,常见的质粒类型,61,插入序列（IS）是最简单的转座因子。通常是比较短的一段DNA序列，大小约为0.72.7kb，现已发现的最大插入序列是E.coli的，约5.7kb。,插入序列除了带有和它的转座功能相关的基因外，不含有其他任何已知基因。,插入序列两端常有反向重复序列。,插入序列可独立存在于DNA中，也可以是转座子的一部分。,Insertion sequences,插入序列,62,转座子（Transposon，Tn）是一类分子量比较大的转座因子，一般大小为约225kb。Tn除了含有转座功能相关的基因外，还含有其他
28、已知基因的DNA序列，如抗生素/重金属抗性基因等。,有的Tn两端接一个短的反向重复序列；而有的Tn两端接的就是IS。两个IS可构成顺向重复序列或反向重复序列。,当Tn的双链DNA解离成单链时，Tn两端的反向重复序列可形成具有特征性的茎-环结构。,Transposon,转座子,63,突变（mutation）：生物体遗传物质的核苷酸序列发生了稳定而可遗传的变化。,广义的突变包括基因突变和染色体畸变。,狭义的突变就是指基因突变。,基因突变是指基因内部由于一对或少数几对碱基的置换、缺失或插入而引起的突变，其涉及的变化范围很小，又称为点突变。,染色体畸变是指大段染色体的缺失、重复、易位和倒位，即较大范围
29、内遗传物质的改变。,Genetic mutation,基因突变,64,化学诱变剂改变了DNA中原有碱基的化学本质或碱基类似物掺入DNA，取代了原有的正常碱基；,由于电子转移，DNA中的碱基发生互变异构的不稳定构型，导致碱基错配。,如亚硝酸的作用是使碱基脱氨。A-H（次黄嘌呤），C-U。在复制中形成H-C或U-A配对，再次复制即可产生碱基转换，A-T-G-C，或G-C-A-T。,Mechanisms of mutagenesis,诱变的机制-碱基置换,65,紫外线是一种多功能诱变剂。,紫外线能够引起DNA链糖-磷酸骨架断裂、嘧啶的水合作用以及胸腺嘧啶二聚体的形成等。其中胸腺嘧啶二聚体（TT）的形成是紫外线诱变的主要机制。TT大多发生在同一条链附近的胸腺嘧啶之间，也可以在两条链间形成，使局部的氢键断裂，DNA的构型扭曲变形，影响DNA复制时双链解开及碱基的正常配对。紫外线照射造成的DNA损伤常诱导产生一种应急修复（SOS修复）反应，结果大大地提高了细胞的存活力。,Mechanisms of UV mutagenesis,紫外线的诱变机制,66,预习内容,细菌基因的转移和重组,
