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

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

2 流感嗜血杆菌 T4噬菌体 酿酒酵母 产黄青霉 林志颖；流感嗜血杆菌（第一种完成全基因组测序，于1995年完成并刊登于《科学》杂志上。）
酵母（1996年完成全基因组测序）；大肠杆菌K-12的基因组的测序工作已于1997年完成 流感嗜血杆菌 T4噬菌体 酿酒酵母 产黄青霉

3 遗传&变异——对立统一 遗传（heredity）：指生物的亲代特性在子代中重现的现象。（相似——存在延续,种瓜得瓜，种豆得豆）；
变异（variation）：亲代与子代之间、子代不同个体之间生物学特性的差异性。 （差异——进化发展，龙生九子，各有不同）

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5 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

6 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

7 √ 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》

8 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

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

10 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

11 遗传学的应用 基因治疗 重度联合免疫缺陷症（ADA-SCID）

12 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

13 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 ( ） 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。

14 History of Genetics Thomas Hunt Morgan (1866 –1945)
1909年丹麦植物学家Johannsen W将Mendel 的遗传因子改称为基因，并提出基因型（genotype）和表型( phenotype)的概念。 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。

15 证明核酸是遗传变异物质基础的三大经典实验
Griffith的转化实验 T2噬菌体的感染实验 TMV病毒拆分重建实验

16 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

17 I.转化实验（transformation）
1928年，英国科学家F.Griffith的转化实验 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

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19 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？

20 1944年，美国科学家Avery对Griffith的研究做进一步的分析。
O. Avery, 1877～1955 转化因子是DNA !

21 II.T2噬菌体的感染实验 1952年，A.D.Herskey和 M.Chase； T2噬菌体蛋白质标记35S，DNA标记 32P ；
T2噬菌体侵染无标记E.coli，再对其搅拌，离心； 结果：沉 淀：细菌32P； 上清液：35S； 对沉淀分离到的细菌继续培养，噬菌体大量繁殖后，上清液测到32P 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

22 噬菌体中，遗传的物质基础也是核酸。

23 Ⅲ. TMV病毒拆分重建实验 1956年，F.Conrat进行的RNA病毒的拆分重建实验。 车前草花叶病毒 烟草花叶病毒

24 核酸是遗传信息的物质基础！ 三个经典实验证明——
DNA Double helix The correct structure of DNA was first deduced by J.D. Watson and F.H.C.Crick in 1953.

25 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

26 微生物的遗传物质——核酸 原核细胞型微生物——DNA 真核细胞型微生物——DNA 非细胞型微生物——DNA/RNA
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、细胞器DNA、质粒、转座因子 非细胞型微生物——DNA/RNA 多种形式（单链、双链、环状、节段） 基因组 特殊情况：阮粒(prion)

27 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

28 原核微生物基因组特性 E.coli ’s genome 4.6×106 bp ，about 4000 genes
1、单倍体，一般只有一条染色体 2、重复序列少，结构基因大多是连续的 3、功能相关的结构基因组成操纵子 4、“θ”复制或“σ”复制（“滚环复制”），一个复制起始点 E.coli ’s genome 4.6×106 bp ，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。

29 复制方式 “θ”复制 滚环复制

30 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）

31 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.重复序列多，存在非编码区，含外显子和内含子； 3.没有明显的操纵子结构； 4.半保留复制，多个复制起始位点 染色体倍性是指细胞内同源染色体的数目。

32 Saccharomyces cerevisiae (baker's yeast)’ chromosomes
1.2×107 bp，16 chromosomes and 6,702 genes. Homo sapiens (human)：23对染色体，3.0×109bp（三十亿个碱基对） 基因组的大小和基因的数量在生命进化上可能不具有特别重大的意义。

33 病毒基因组结构特点 非细胞型微生物的遗传物质 1、只含一种类型的核酸，DNA或RNA， 大小、结构差异较大
2、可以是连续的也可以分节段（如流感病毒） 3、基因重叠，编码序列占多 4、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 重叠基因（overlapping gene）是指两个或两个以上的基因共有一段DNA序列。

34 其他形式的遗传物质 质粒 转座因子

35 质粒（plasmid） 质粒：独立于染色体外并能自主复制的遗传物质。 基本特性：
大多CCC(covalently closed circular) dsDNA； 自主复制（可游离也可整合入染色体）； 具相容性或不相容性（干扰近缘质粒）； 非细胞生长所必需，赋予细胞某些特性，如抗药性、致育性、重金属抗性等； 质粒可自行消失或人工去除； 转移性，分接合型和非接合型。

36 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 ）

37 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

38 2、 R质粒—抗药质粒 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质粒由抗药决定因子（resistance determinant, r-det）和抗药转移因子（resistance transfer factor, RTF）。

39 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。

40 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。

41 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； 苏云金芽孢杆菌含有编码δ内毒素(伴孢晶体中)的质粒。 5、代谢质粒（Metabolic plasmid） 假单胞菌具有降解一些有机物的能力，如芳香簇化合物(苯)、农药、辛烷和樟脑等，与其所携带降解酶基因有关。

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

43 其他形式的遗传物质 质粒 转座因子

44 转座因子（transposable element）
又称跳跃基因（jumping gene）,是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。 The mechanism of transposition ： "copy and paste" or "cut and paste". Barbara McClintock‘s discovery of jumping genes early in her career earned her a Nobel prize in 1983。 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。

45 转座因子的类型 1、插入序列 (insertion sequence，IS) 2、转座子 (transposon，Tn) 3、转座噬菌体（Mu phage）

46 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

47 Integration of IS element in chromosomal DNA

48 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 Tn IR TnpA TnpR AmpR IR 38bp bp 转座酶 regulator β- 内酰胺酶

49 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 kb 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

50 转座的遗传学效应（自学） 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。