1、微生物的遗传与变异,橘生淮南则为橘，生于淮北则为枳。,晏子春秋杂下之十,遗传（heredity）和变异（variation）是 生命的三大基本特征之一。,遗传生物的亲代特性在子代中重现的现象。,变异子代较亲代在性状上的某些改变。,1 遗传的物质基础 一. 微生物的遗传物质核酸,原核细胞型微生物DNA 大多CCC(covalently closed circular) dsDNA 染色体、质粒、转座因子 真核细胞型微生物DNA 大多L(linear) dsDNA 染色体/质、转座因子 非细胞型微生物DNA/RNA 多种形式 基因组,遗传物质的复制,原核生物：复制（染色体） 真核生物：多个复制起点
2、 病毒： 复制，复制,进行独立自主复制的一个完整的核酸序列，构成一个复制单位，叫做复制子。 从复制起始点开始，同时向两个方向按半不连续、半保留方式进行。,大肠杆菌DNA半保留复制的中间产物型,滚环模型,单向复制的特殊方式。DNA的合成从一条链的起始位点专一性切割开始，形成的5端与一种特殊的蛋白质相连，而3端在DNA聚合酶的作用下，以另一条链为模板不断延伸，单链尾巴的延伸与双链DNA的绕轴旋转同步，好像一个环在不断滚动。,二. 质粒基本特性,大多CCC(covalently closed circular) dsDNA 自主复制 非细胞生长所必需，赋予细胞某些特性，如抗药性、致育性等 质粒可自行
3、消失或人工去除 转移性，分接合型和非接合型 具相容性和不相容性（干扰近缘质粒）,质粒DNA的三种构型,相对分子质量相同构型 不同的质粒DNA的琼脂糖凝胶电泳,代表性质粒,F质粒致育性 R质粒抗药性 Col质粒大肠杆菌素基因 Ti质粒对植物细胞诱癌 巨大质粒固氮 降解性质粒降解特殊碳源,三. 转座因子和转座,细胞基因组中能够从一个位置转移到另一个位置的一段DNA序列转座因子,2 基因突变 变异的产生,点突变 碱基对置换基因突变 移码突变 新遗传型 染色体畸变 的出现 转化基因重组 接合转导原生质体融合,一. 基因突变及其特性,概念 特性 1、自发性和不对应性 2、稀少性 3、诱变性 4、独立性
4、5、稳定可遗传性 6、可逆性,二. 基因突变分子机制,诱变机制 HNO2诱变机制 5-溴尿嘧啶（5-BU）诱变机制 移码突变 紫外线诱变机制,DNA的正常碱基对,HNO2诱 变 机 制,A,H,H,C,C,U,U,A,转换,转换,HNO2,HNO2,脱氨,脱氨,腺嘌呤经氧化脱氨后变成烯醇式次黄嘌呤（He），He通过互变异构效应形成酮式次黄嘌呤（HK） 。 DNA双链第一次复制，结果Hk在6位上含有酮基，故只能与6位上含有氨基的胞嘧啶C配对。 DNA双链第二次复制，其中胞嘧啶（C）正常与鸟嘌呤（G）配对，使A-T G-C ，从而实现转换。 当胞嘧啶被氧化成尿嘧啶（U）时，也可实现G-C A-T
5、。,5-BU诱变机制 5-BU（酮式）：T的类似物,移码突变,吖啶类染料、溴乙啶BE：DNA分子嵌入剂,UV诱变,T-T形成,60-70年代，一种降低妇女妊娠反应的药物“反应停” 十分流行。 但随后发现畸形儿的出生率明显增高，而且生产畸形儿的妇女大多曾服用“反应停”。采用Ames试验发现这种物质的确具有很强的致突变作用，因此这种药物被禁止使用。药品开发过程中，必须有“三致”实验的数据，才能够获得批准。,三. Ames试验,利用是否能引起鼠伤寒沙门氏菌组氨酸缺陷型（his）菌株的回复突变来快速判断化学物质是否是诱变剂和致癌剂。,Ames试验要点,1.用途：用于检测食品、饮料、药品等是否具有诱变作
6、用（“三致”） 2.菌株：鼠伤寒沙门氏菌组氨酸缺陷型（his） 3.原理：药物作用于实验菌，如有诱变作用，则回复突变，能在基本培养基上生长，超过正常几率即为阳性 4.诱变和致癌：Ames试验阳性和致癌之间有十分明显的相关性（95的致癌剂有诱变作用，90%非致癌剂无诱变作用） 5.优点：方法灵敏，检出率高，简便、易行，不需特殊器材，容易推广,注意,有的致癌物的诱变性是被哺乳动物肝细胞中的羟化酶系统活化的，而细菌却没有这种酶系统，故加入鼠肝匀浆的酶系统能增加检测的灵敏度。,Ames检测菌株特点,含有下列突变： 组氨酸基因突变（his），根据选择性培养基上出现his的回复突变率可测出诱变剂或致癌物的
7、诱变效率。 脂多糖屏障丢失（rfa），该菌株的细胞壁基因有缺陷，使待测物容易进入细胞内。 紫外线切除修复系统缺失（uvrB）,同时其附近的硝基还原酶和生物素基因缺失（bio），使致癌物引起的遗传损伤的修复降低到最小的程度。 抗药性标记R，表示某些菌株具有抗氨苄青霉素（ampicillin）的质粒，从而提高了检出灵敏性。,3 基因转移与重组,转化 接合 转导 原生质体融合,一.转化(transformation),形成转化子,特定位点结合,一条链降解一条链吸收 or dsDNA吸收后降解一条链,同源配对,重组整合,转化的前提条件,供体菌DNA片段应为dsDNA，且大小合适：分子量在106108时
8、转化率高供体菌与受体菌有一定的亲缘关系：同源性受体菌必须处于感受态：对数生长期后期或人工诱导,二. 接合(conjugation),F、 F、 Hfr、 F菌株间的关系,F因子存在方式及相互关系,F因子的四种细胞形式,根据细胞中是否存在F因子以及其存在方式的不 同，把E.coli分成四种菌株。 F菌株：不含F因子，没有性菌毛，但可以通过接合作用接收F因子而变成雄性菌株（F+）； F菌株： F因子独立存在，细胞表面有性菌毛。 Hfr（高频重组）菌株：F因子插入到染色体DNA上，细胞表面有性菌毛。 F菌株：Hfr菌株内的F因子因不正常切割而脱离染色体时，形成游离的但携带一小段染色体基因的F因子，称
9、为F因子。细胞表面同样有性菌毛。,F+F-,性菌毛收缩搭桥,从otiT开始滚环复制,接合对分离,FF FF,Hfr F FF-,HfrF杂交后的受体细胞（或接合子）大多数仍然是F。,F质粒结构简图,* 中断杂交实验及染色体图的绘制,携带F因子的菌株称初生F菌株。FF与FF的不同：供体的部分染色体基因随F一起转入受体细胞。, 与染色体发生重组；, 继续存在于F因子上，形成部分二倍体 （次生F菌株）；,（3） FF杂交,理化因子的处理可将F因子消除而使F菌株变成F菌株,三. 转导（transduction）,普遍性转导 完全转导 流产转导 局限性转导 低频转导 高频转导,普遍性转导( genera
10、lized transduction),装配，误包,侵染,复制,裂解释放,侵染新宿主菌,形成转导子,准备过程,真正转导,完全转导,流产转导,局限转导( restric-ted transdu-ction),供体菌 溶源菌UV等诱导正常切离 不正常切离(10-6)正常噬菌体 () 部分缺陷噬菌体（dgal/ dbio）LFT裂解物侵染受体菌高感染复数 低感染复数（m.o.i.）双重溶源菌(、dgal) 局限转导子诱导切离 帮助dgal复制 HFT裂解物（等量、dgal ）低感染复数下侵染受体菌局限转导子,温和噬菌体侵染,（大量）,（极少量）,准备过程,真正转导,高频转导,低频转导,低频转导裂解物
11、,转导和溶源转变区别,四. 原生质体融合 (protoplast fusion),优点：扩大了基因重组的范围，如光合细菌与酵母菌的融合 方法：加入融合诱导剂（如聚乙二醇 PEG）或施加特殊的物理刺激(如高压直流电脉冲),基因工程主要流程,菌种保藏法,生活态 传代培养保藏法 连续在培养基上（内）移种连续在活宿主上（内）移种封在玻璃管内 菌液直接真空干燥法干法 冷冻真空干燥法吸附在载体上 细粒状载体：土壤/砂粒/土壤+砂粒球块状载体：硅胶/瓷球 休眠态 薄片状载体： 滤纸片/明胶小片有机基质：曲料/麦粒/棉纤维固体斜面湿法 半固体琼脂柱液体介质： 蒸馏水/液状石蜡/甘油/糖液/其他悬液,几种常用菌种保藏方法的比较,多歧管冷冻干燥机,液氮罐,中国微生物菌种保藏管理委员会(CCCCM) 美国的典型菌种保藏中心(ATCC)英国国家典型菌种保藏所（NCTC）法国里昂巴斯德研究所（IPL）,国内外菌种保藏机构：,
