微生物的遗传与变异 Microbial heredity and variation Microbial Genetics

林志颖

变异(variation)：子代与亲代的差异 遗传(heredity)：子代与亲代的相似性 变异(variation)：子代与亲代的差异

遗传学的应用 菌种的选育和保藏 转基因食品 法医学鉴定 基因工程 疾病的诊断 基因治疗

遗传学的应用 青霉菌-青霉素 菌种的选育和保藏 袁隆平与水稻育种

√ √ 转基因食品 transgenic food 遗传学的应用 世纪大讲堂：饶毅演讲《转基因是什么》 抗番木瓜环斑病毒的转基因木瓜; 圣女果不是转基因的。 世纪大讲堂：饶毅演讲《转基因是什么》 http://news.ifeng.com/mainland/detail_2013_10/07/30095558_0.shtml PNAS：甘薯—天然的转基因作物 http://news.bioon.com/article/6668488.html

遗传学的应用 法医学鉴定 器官移植 骨髓移植的配型 犯罪现场采样与犯罪嫌疑人样本检测对比；亲子鉴定，血缘关系的鉴定

遗传学的应用 基因工程 gene engineering genetic engineering 胰岛素、干扰素、细胞因子、蛋白酶等

疾病的诊断 BRCA 基因突变与乳腺癌和卵巢癌 遗传学的应用 疾病的诊断 安吉丽娜·朱莉 Angelina Jolie BRCA 基因突变与乳腺癌和卵巢癌 http://health.sohu.com/20141016/n405177937.shtml

遗传学的应用

本章内容 遗传变异的物质基础 微生物的遗传物质 基因突变 基因的转移与重组 菌种选育和保藏

遗传的物质基础？

History of Genetics 孟德尔揭示出遗传学的两个基本定律——分离定律和自由组合定律。 Gregor Johann Mendel (1822-1884） 孟德尔揭示出遗传学的两个基本定律——分离定律和自由组合定律。

History of Genetics Thomas Hunt Morgan (1866 –1945) 摩尔根提出：① “性状连锁遗传规律”；② 染色体遗传理论 ⇒ 细胞遗传学；③ “基因论”：认为基因在染色体上直线排列，创立基因学说。

微生物是遗传学研究的最好材料和对象 结构简单 营养体一般是单倍体 繁殖速度快 对环境敏感，易变异

History of Genetics Avery Franklin McClintock Watson & Crick

第一节 遗传变异的物质基础 遗传的物质基础是什么？ 转化实验 噬菌体感染实验 植物病毒的重建实验 三个经典实验

一、转化实验（transformation） 1928，F.Griffith 实验材料：肺炎双球菌 Streptococcus pneumoniae 光滑型（S） 粗糙型（R） 有 荚 膜 菌落光滑 分泌毒素 致 病 无 荚 膜 菌落粗糙 无 毒 不 致 病 SⅠSⅡSⅢ三个血清型 RⅠRⅡRⅢ三个血清型

结论 加热杀死的S型细菌细胞内可能存在一种转化物质，它能通过某种方式进入R型细菌并使R型细菌获得稳定的遗传性状，转变为S型细菌。 转化物质？

转化因子是DNA !

二、噬菌体感染实验 原理: DNA只含P不含S; Pr 只含S不含P 步骤: 1：分别用含同位素Ｓ35, P32的培养基培养大肠杆菌 2：让T2感染上述大肠杆菌使其带上S35 / P32标记

T2噬菌体感染实验（1952年）

噬菌体中，遗传的物质基础也是核酸。

三、植物病毒的重建实验 生化提取分别获得含RNA的霍氏车前花叶病毒蛋白质外壳（病毒1）和烟草花叶病毒核酸（病毒2） 抗血清处理，证明杂种病毒的蛋 白质外壳来自病毒1，而非病毒2 杂种病毒的后代的蛋白质外壳表现 为病毒2，而非病毒1 遗传物质是核酸（RNA）而非蛋白质 在RNA病毒中，遗传的物质基础也是核酸（RNA）。

三个经典实验证明—— 只有核酸才是遗传信息的物质基础！

The Watson and Crick DNA Double helix The correct structure of DNA was first deduced by J.D. Watson and F.H.C.Crick in 1953.

本章内容 遗传变异的物质基础 微生物的遗传物质 基因突变 基因的转移与重组 菌种选育和保藏

真核微生物的遗传物质 染色体 （Chromosome） 叶绿体（ chloroplast ）DNA Microbial genetic material 真核微生物的遗传物质 染色体 （Chromosome） 叶绿体（ chloroplast ）DNA 线粒体（ mitochondrion ）DNA 其它细胞器 DNA 质粒 （plasmid）

DNA → 核小体 → 螺旋管 → 超螺旋体 → 染色体 真核生物的遗传物质 DNA → 核小体 → 螺旋管 → 超螺旋体 → 染色体 chromosome 1）真核细胞的染色体在细胞生活周期中，大部分时间是以染色质的形式存在。 染色质（chromatin）—纤维状结构，由核小体成串排列而成。 2）核小体（nucleosome）构成： 核心DNA 组蛋白8聚体（H2A，H2B，H3和H4各二分子） 连接DNA H1（组蛋白）—在核心颗粒上，将DNA进出颗粒处连接起来。

Yeast’ chromosomes Yeast have 16 chromosomes and 6,702 genes. Microbial genetic material Yeast’ chromosomes Yeast have 16 chromosomes and 6,702 genes.

Like Saccharomyces cerevisiae （啤酒酵母） 真核微生物的基因组特性 Like Saccharomyces cerevisiae （啤酒酵母） 1.单倍体或双倍体，多条染色体； 2.没有明显的操纵子结构； 3.重复序列多，存在非编码区，含外显子和内含子； 4.半保留复制，多个复制起始位点

原核微生物的遗传物质 类核/拟核/核质/染色体 ——裸露的共价、闭合、环状的ds-DNA

原核微生物基因组特性 E.coli ’s genome 4.6×106bp ，about 4000 genes 1、单倍体，一般只有一条染色体 2、功能相关的结构基因组成操纵子 3、基因的重复序列少，遗传信息的连续性 4、“θ”复制或“σ”复制（“滚环复制”），一个复制起始点 E.coli ’s genome 4.6×106bp ，about 4000 genes 操纵子（operon）：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、操作子等）在基因转录时协同动作。

复制方式 “θ”复制 滚环复制

病毒基因组结构特点 1、一般单倍体，所含核酸类型多样 核酸类型 2、不同病毒基因组大小相差较大 ss DNA 3、病毒基因组的编码序列占多 4、基因可以是连续的也可以分节段 5、基因重叠 6、复制方式：“θ”复制或“滚环复制”（“σ”复制） 核酸类型 ss DNA ds DNA （+）ss RNA （- ）ss RNA ds RNA ssRNA-RT  dsDNA-RT

其他形式的遗传物质 质粒 转座因子 转座噬菌体

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。

质粒的基本特性 大多为共价闭合环状双链DNA ( ccc-dsDNA ),大小范围从1kb左右到1000kb 自我复制能力 相容性或不相容性（incompatibility） 携带基因非细胞生长所必需 质粒能自宿主细胞自发消除，但消除频率很低 可以从一个细菌转移至另一个细菌 covalently closed circular，简称CCC

质粒的主要类型 F 质粒/F因子（Fertility factor） R质粒（Resistance plasmid），抗性质粒 Col 质粒（Col plasmid ，bacteriocin production plasmid） 毒性质粒（virulence plasmid） 代谢质粒/降解质粒（Metabolic plasmid/Degradative plasmid ）

其大小约100kb，是最早发现的与大肠杆菌的有性生殖现象（接合作用）有关的一种质粒。 1、F质粒—致育因子 其大小约100kb，是最早发现的与大肠杆菌的有性生殖现象（接合作用）有关的一种质粒。 F+菌株 (male） F-菌株（female） F plasmid 转移区：tra区,oriT; 复制和不相容区：rep and inc区; 插入区：ins 区，含转座因子

2、 R质粒—抗药性或抗重金属 根据R质粒能否通过接合而转移，分为接合型和非接合型抗药质粒。 接合型R质粒由抗药转移因子（resistance transfer factor,RTF）和抗药决定因子（resistance determinant,r-det）。

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。 R100质粒(89kb)可使宿主对下列药物及重金属具有抗性： 汞（mercuric ion ，mer） 四环素（tetracycline，tet ） 链霉素(Streptomycin, Str)、 磺胺(Sulfonamide, Su)、 氯霉素(Chlorampenicol, Cm) 夫西地酸（fusidic acid，fus） 负责这些抗性的基因是成簇地存在于抗性质粒上。

3、Col质粒—编码大肠菌素colicin 大肠菌素可以杀死同种或近缘但不携带该质粒的菌株，有利于维持肠道正常菌群的平衡。

4、毒性质粒（virulence plasmid） 许多致病菌的致病性是由其所携带的质粒引起的。比如： 产毒素大肠杆菌（引起腹泻）：含编码肠毒素的质粒。 苏云金杆菌：含编码δ内毒素(伴孢晶体中)的质粒 5、代谢质粒（Metabolic plasmid） 质粒上携带能降解某些物质的基因，比如降解酶，进行共生固氮，或产生抗生素等。有利于微生物生存。 如，假单胞菌：具有降解一些有毒化合物，如芳香簇化合物(苯)、农药(2,4dichlorophenoxyacetic acid)、辛烷和樟脑等的能力。 dichlorophenoxyacetic acid 二氯苯氧基乙酸

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)

质粒-基因工程常用载体 plasmid—use as vector for molecular cloning E.coli plasmid

其他形式的遗传物质 质粒 转座因子 转座噬菌体

转座因子 （transposable element） Barbara McClintock‘s discovery of jumping genes early in her career earned her a Nobel prize in 1983。 转座因子又称跳跃基因（jumping gene）,位于染色体或质粒上的能改变自身位置的一段DNA序列，广泛分布于原核和真核细胞中。

转座（transposition）—— 转座因子从染色体的一个位置转移到另一位置，或者在质粒与染色体之间转移的过程。 The mechanism of transposition ： "copy and paste" or "cut and paste". -First observed in Maize (玉米) in the 1940s by Barbara McClintock.

转座因子的类型 1、插入序列 (insertion sequence，IS) 2、转座子 (transposon，Tn)

插入序列 insertion sequence, IS 特征： a）两端有反向重复序列（inverted repeat ，IR） b）具有编码转座酶（transposase）的基因

Integration of IS element in chromosomal DNA

转座子 （transposon，Tn） Tn3 结构特点：两侧有重复序列, 有的重复序列就是IS。 表示法：Tn+数字，如Tn3，Tn1681等。 Tn3 具有IR、转座酶基因、 调节基因（解离酶）、 抗性基因 Tn3 IR TnpA TnpR AmpR IR 38bp 38bp 转座酶 regulator β- 内酰胺酶

其他形式的遗传物质 质粒 转座因子 转座噬菌体

转座噬菌体 Bacteriophage Mu ：以E.coli为寄主的温和噬菌体 att L C A B S U att R gin P 150bp 1.5kb gin P G 倒位区 38kb C repressor for A, B B 与转座有关 A 转座酶 U, S 毒性蛋白 attL, attR 与寄主同源，反向重复，转座必需 Gin G区倒位酶 repressor:阻遏物、抑制剂

转座的遗传学效应 ①引起基因突变：在结构基因内-基因功能丧失；在操纵子的前端-极性突变(polar mutation) ②插入位点出现新基因 ③出现重复序列 ④引起染色体畸变 ⑤ 转座因子可以切离（excision）,导致回复突变。