微生物的遗传和变异

nullnull第六章 微生物的遗传和变异第一节 微生物的遗传 第二节 微生物的变异 第三节 基因重组 第四节 遗传工程技术在环境保护中的应用null遗传和变异是一切生物最本质的属性 微生物遗传：在一定的环境条件下，微生物的形态、结构、代谢、繁殖、毒力和对药物的敏感等性状相对稳定，并能代代相传，子代与亲代之间现出相似性，这种现象称为遗传。遗传可以使微生物的性状保持相对稳定，而且能够代代相传，使它的种属得以保存。 变异：子代与亲代之间出现了不同程度的变化与差异，这种现象称为变异。 null第一节 微生物的遗传一、遗传和变异的物质基础——DNA 微生物的遗传物质的化学本质是DNA，DNA构成微生物特定的基因组从而传递遗传信息。微生物的基因组是指微生物的染色体和染色体以外的遗传物质所携带的基因（也就是我们说的质粒）的总称。所以说微生物的遗传和变异的物质基础是染色体和核外的质粒。null证明DNA为遗传物质的三个经典实验1、转化实验null2、噬菌体感染实验null3 病毒的拆开和重组实验null二、DNA的结构与复制（一） DNA的结构 1952年，奥地利裔美国生物化学家查伽夫测定了DNA中4种碱基的含量，发现其中腺膘呤与胸腺嘧啶的数量相等，鸟膘呤与胞嘧啶的数量相等。这使沃森、克里克立即想到4种碱基之间存在着两两对应的关系，形成了腺膘呤与胸腺嘧啶配对、鸟膘呤与胞嘧啶配对的概念。 1953年2月，沃森、克里克通过维尔金斯看到了富兰克琳在1951年11月拍摄的一张十分漂亮的DNA晶体X射线衍射照片，这一下激发了他们的灵感。他们不仅确认了DNA一定是螺旋结构，而且分析得出了螺旋参数。他们采用了富兰克琳和威尔金斯的判断，并加以补充：磷酸根在螺旋的外侧构成两条多核苷酸链的骨架，方向相反；碱基在螺旋内侧，两两对应。 null核酸是由很多单核苷酸聚合形成的多聚核苷酸。 DNA的一级结构即是指四种核苷酸（dAMP、dCMP、dGMP、dTMP）按照一定的排列顺序，通过磷酸二酯键连接形成的多核苷酸，由于核苷酸之间的差异仅仅是碱基的不同，故又可称为碱基顺序。 核苷酸之间的连接方式是：一个核苷酸的5′位磷酸与下一位核苷酸的3′-OH形成3′，5′磷酸二酯键，构成不分支的线性大分子，其中磷酸基和戊糖基构成DNA链的骨架，可变部分是碱基排列顺序。null①DNA分子是由两条平行的脱氧核苷酸长链盘旋而成的； ②DNA分子中的脱氧核糖和磷酸交替连结，排列在外侧； ③碱基排列在内侧，两条链上的碱基通过氢键连结起来，形成碱基对，讲清A与T之间以双键相连，C与G之间以叁键相连。（1）规则的双螺旋结构：（2）碱基互补配对原则：A-T；C-G。彼此互补配对。由氢键连接的碱基组合。null（3）根据DNA双链中碱基之间的关系，相关的公式或结论，如： 　 ①在双链中A=T，C=G；A+G=T+C，即嘌呤数=嘧啶数。（A+G）/（T+C）=1，从而得出在所有双链DNA中，它们的比值都是相等的，即（A+G）/（T+C）在双链中的比值是定值。 　 ②（A+G）/（T+C）在DNA的两条单链中的比值互为倒数。 　 ③（A+T）/（G+C）在两条单链和双链中的比值相等。null（4）基因——遗传因子 基因（Gene,Mendelian factor）是指携带有遗传信息的DNA或RNA序列，也称为遗传因子，是控制性状的基本遗传单位。基因通过指导蛋白质的合成来表达自己所携带的遗传信息，从而控制生物个体的性状表现。根据原初功能（即基因的产物）基因可分为： ①编码蛋白质的基因 ②操纵区 ③调节基因null3、遗传信息的传递 DNA通过转录作用，将其所携带的遗传信息（基因）传递给 mRNA, 在三种 RNA（mRNA、tRNA和rRNA）的共同作用下，完成蛋白质的合成。 生物的遗传信息从 DNA传递给 mRNA的过程称为转录。根据 mRNA链上的遗传信息合成蛋 白质的过程，被称为翻译和 表达。1958年Crick将生物遗传信息的这种传递方式称为中心法则。null① DNA序列是遗传信息的贮存者，通过自主复制得到永存； ② DNA通过转录生成RNA; ③ 含遗传信息的mRNA通过翻译生成蛋白质来控制生命现象； ④同时某些RNA可以通过逆转录将遗传信息传到DNA； ⑤ 某些RNA自身还可进行复制使其遗传信息得以永存。中心法则 (central dogma)null（二）DNA的复制（1） 半保留复制（1） 半保留复制 DNA在复制时，两条链解开分别作为，在DNA聚合酶的催化下按碱基互补的原则合成两条与模板链互补的新链，以组成新的DNA分子。这样新形成的两个DNA分子与亲代DNA分子的碱基顺序完全一样。由于子代DNA分子中一条链来自亲代，另一条链是新合成的，这种复制方式称为半保留复制 (semiconsertive replication)。（2）半保留复制实验证据（Meselson-Stahl）（2）半保留复制实验证据（Meselson-Stahl） 1958年Meselson & stahl用同位素（15N）示踪标记加密度梯度离心技术实验,该实验跟踪了生长了三代的大肠杆菌，证明了DNA是采取半保留的方式进行复制。null三、DNA的变性和复性 DNA变性是指双螺旋之间氢键断裂，双螺旋解开，形成单链无规则线团，因而发生性质改变（如粘度下降，沉降速度增加，浮力上升，紫外吸收增加等），称为DNA变性。 加热、改变DNA溶液的pH、或受有机溶剂（如乙醇、尿素、甲酰胺及丙酰胺等）等理化因素的影响，均可使DNA变性。（一）DNA的变性null如果升高温度使DNA变性，以温度对紫外吸收作图，可得到一条曲线，称为溶解曲线，当温度升高到一定范围时，DNA溶液在260nm处的吸光度突然明显上升至最高值。由此说明 DNA变性是在一个很窄的温度范围内发生，增色效应是爆发式的。从而也说明当达到一定温度时，DNA双螺旋几乎是同时解开的。通常人们把50%DNA分子发生变性的温度称为变性温度（即熔解曲线中点对应的温度），由于这一现象和结晶的融解相类似，故又称融点或融解温度（melting temperature, Tm）。因此Tm是指消光值上升到最大消光值一半时的温度。null（二）DNA的复性 变性DNA只要消除变性条件，二条互补链还可以重新结合，恢复原来的双螺旋结构，这一过程称为复性。通常DNA热变性后，将温度缓慢冷却，并维持在比Tm低25～30℃左右时，变性后的单链DNA即可恢复双螺旋结构，因此，这一过程又叫做退火。复性后的DNA，理化性质都能得到恢复。倘若DNA热变后快速冷却，则不能复性。 null四、RNA 由至少几十个核糖核苷酸通过磷酸二酯键连接而成的一类核酸，因含核糖而得名,简称RNA。RNA普遍存在于动物、植物、微生物及某些病毒和噬菌体内。RNA和蛋白质生物合成有密切的关系。在RNA病毒和噬菌体内，RNA是遗传信息的载体。RNA一般是单链线形分子；也有双链的如呼肠孤病毒RNA；环状单链的如类病毒RNA；1983年还发现了有支链的RNA分子。 RNA有四种：tRNA、rRNA、mRNA和反义RNA，它们都是由DNA转录而成。nullmRNA 生物的遗传信息主要贮存于DNA的碱基序列中，但DNA并不直接决定蛋白质的合成。而在真核细胞中，DNA主要贮存于细胞核中的染色体上，而蛋白质的合成场所存在于细胞质中的核糖体上，因此需要有一种中介物质，才能把DNA 上控制蛋白质合成的遗传信息传递给核糖体。现已证明，这种中介物质是一种特殊的RNA。这种RNA起着传递遗传信息的作用，因而称为信使RNA（message RNA，mRNA）。 tRNA 合成蛋白质的原材料——20种氨基酸与mRNA的碱基之间缺乏特殊的亲和力。因此，必须用一种特殊的RNA——转移RNA（transfer RNA，tRNA）把氨基酸搬运到核糖体上，tRNA能根据mRNA的遗传密码依次准确地将它携带的氨基酸连结起来形成多肽链。每种氨基酸可与1-4种tRNA相结合，现在已知的tRNA的种类在40 种以上。 nullrRNA 核糖体RNA（ribosomal RNA，rRNA）是组成核糖体的主要成分。核糖体是合成蛋白质的工厂。在大肠杆菌中，rRNA量占细胞总RNA量的75%-85%，而tRNA占15%，mRNA仅占3-5%。 RNA由核糖核苷酸经磷酯键缩合而成长链状分子。一个核糖核苷酸分子由磷酸，核糖和碱基构成。RNA的碱基主要有4种，即A腺嘌呤，G鸟嘌呤，C胞嘧啶，U尿嘧啶。其中，U（尿嘧啶）取代了DNA中的T胸腺嘧啶而成为RNA的特征碱基。 null五、微生物生长与蛋白质合成蛋白质合成的过程： （1）DNA的复制，决定某种蛋白质分子结构的相应一段DNA链的自我复制。 （2）转录mRNA，DNA除转录mRNA外，DNA分子的某些部分核苷酸碱基顺序还转录成反义RNA、tRNA和rRNA。转录后， mRNA的顺序又通过三联密码子的方式由tRNA翻译成相应的氨基酸排列顺序，产生具有不同生理特性的功能蛋白。 （3）翻译，翻译由tRNA完成， tRNA链上有反密码子与mRNA链上对氨基酸顺序编码的核苷酸碱基顺序互补。 （4）蛋白质合成，通过两端识别作用，把特定氨基酸转送到核糖体上，使不同的氨基酸按照mRNA上的碱基顺序连接起来，在多肽合成酶作用下合成多肽链。null第二节 微生物的变异一、变异的实质——基因突变 基因突变（点突变）：是由于DNA链上的一对或少数几对碱基发生改变（置换、增加或缺失），从而引起的遗传基因的突变。突变的具体表现突变的具体表现1、碱基对的置换（substitution） 转换（Transition）： 最普通的一种点突变，指一种嘧啶被另一种嘧啶代替，一种嘌呤被另一种嘌呤代替。使GC对被AT对替换，或者相反。 颠换（Transversion）： 另一种不常见的点突变，嘌呤被嘧啶代替或者相反，因此AT对变成了TA、GC对。 2、移码突变（frameshift mutation） 由碱基的缺失或插入造成。 DNA突变的类型 DNA突变的类型野生型基因碱基对的置换移码突变null二、突变的类型自发突变（spontaneous mutation)：由于正常的细胞活动，或细胞与环境的随机相互作用，这些过程所引起的生物DNA序列的改变。 诱发突变（induced mutation): 特定的化学或物理因素引起的DNA序列改变。 所有突变都包含DNA序列的改变；null诱发突变 紫外线的高能量可以使相邻嘧啶之间双键打开形成二聚体，包括产生环丁烷结构和6-4光产物。电离辐辐射的作用比较复杂。（2）化学诱变① 碱基类似物（base analog） 如5-溴尿嘧啶（BU）是T碱基的类似物，通常情况下它以酮式结构存在，能与A配对；但它有时以烯醇式结构存在，与G配对。 2-氨基嘌呤（AP）是A的类似物，正常状态下与T配对，但以罕见的亚氨基状态存在时却与C配对。 （1）物理诱变null② 碱基修饰剂(base modifier) 又如亚硝酸能脱去碱基上的氨基。可使C氧化脱氨变成U；G脱氨后成为黄嘌呤（X），但它仍与C配对；A脱氨后成为次黄嘌呤（I），I与C配对，而不能和原来的T配对。③ 嵌入染料（intercalation dye） 一些扁平的稠环分子，例如吖啶橙（acridine)、原黄素（proflavine)、溴化乙锭（ethidium bromide, EB)等染料，可以插入到DNA的碱基对之间，引起新合成链碱基的插入或缺失。三、DNA的损伤修复三、DNA的损伤修复（一） DNA损伤的原因及部位损伤原因： 复制错误 DNA重组 物理化学因子 损伤部位：碱基、糖或是磷酸二酯键四、DNA损伤修复的类型四、DNA损伤修复的类型（一）错配修复 （二）切除修复 （三）DNA直接修复 （四）重组修复 （五）SOS反应诱导的修复（一）错配修复（一）错配修复 原核细胞内存在Dam甲基化酶，能使位于5`GATC序列中腺苷酸的N6位甲基化。 复制后DNA在短期内（数分钟）为半甲基化的GATC序列，一旦发现错配碱基，即将未甲基化链切除一段包含错误碱基的序列，并以甲基化的链为模板进行修复。null（二）切除修复①碱基切除修复糖苷水解酶： 细胞中的各种，能特异切除受损核苷酸上的N-β- 糖苷键，在DNA链上形成AP位点(去嘌呤或去嘧啶位点)。 AP核酸内切酶：在AP位点附近（5`或3`位置）将DNA链切开； 核酸外切酶：移去包括AP位点核苷酸在内的小片段DNA； DNA聚合酶I： 合成新片段； DNA连接酶： 连接切口而修复。②核苷酸切除修复 当DNA链上相应位置的核苷酸发生损伤，导致双链之间无法形成氢键，在一系列酶的作用下，将DNA分子中受损伤部分切除掉，并以完整的那一条链为模板，合成出切去的部分，然后使DNA恢复正常结构的过程。 DNA的损伤和切除修复DNA的损伤和切除修复碱基丢失碱基缺陷或错配结构缺陷切开核酸内切酶核酸外切酶切除DNA聚合酶DNA连接酶AP核酸内切酶核酸外切酶切开切除修复连接糖苷酶null（三）DNA直接修复 生物体内存在多种DNA损伤以后而并不需要切除碱基或核苷酸的机制，这种修复方式称为DNA的直接修复。 DNA紫外线损伤的光复合酶修复DNA紫外线损伤的光复合酶修复1、形成嘧啶二聚体2、光复合酶结合于 损伤部位3、酶被可见光激活4、修复后酶被释放null 遗传信息有缺损的子代DNA分子通过遗传重组的方式加以弥补，即从同源DNA的母链上将相应核苷酸序列片段移至子链缺口处，然后用再合成的序列来补上母链的空缺。（四）重组修复（五）SOS反应诱导的修复 SOS反应：是细胞DNA受到损伤或复制系统受到抑制的紧急情况下，为求得生存而出现的应急效应。 SOS反应诱导的修复系统包括避免差错修复（error free repair）和易产生差错修复（error-prone repair）null五、定向培养和驯化 定向培育是人为用某一特定环境条件长期处理某一微生物群体，同时不断的将它们进行移种传代，以达到累积和选择合适的自发突变体的一种古老的育种方法。营养物质、水环境、pH、温度