微生物的遺傳與變異

第十一章微生物的遺傳與變異（一）轉(zhuǎn)化實驗①將無毒性的R型活細胞注射到小鼠體內(nèi)，結(jié)果小鼠不死亡；②將有毒性的S型活細胞注射到小鼠體內(nèi)，結(jié)果小鼠患敗血癥死亡；③將加熱殺死的S型細菌注射到小鼠體內(nèi)，結(jié)果小鼠不死亡；④將無毒性的R型活細菌與加熱殺死后的S型細菌混合后，注射到小鼠體內(nèi)，結(jié)果小鼠患敗血癥死亡。一、證明遺傳變異物質(zhì)基礎(chǔ)的三個經(jīng)典實驗（二）噬菌體感染實驗在噬菌體感染過程中，其蛋白質(zhì)外殼根本未進入宿主細胞，進入宿主細胞的只有噬菌體DNA，尚因釋放出的子代噬菌體粒子具有同親代一樣的蛋白質(zhì)外殼，故可以肯定，僅只有DNA攜帶有全部遺傳信息。（三）植物病毒的重建實驗

病毒的蛋白質(zhì)取決于相應(yīng)的RNA。為此證明該病毒的遺傳物質(zhì)為RNA，蛋白質(zhì)外殼對其僅起保護作用。遺傳與變異遺傳性：生物可通過無性繁殖或有性繁殖的方式繁衍后代，并使子代與親代相似。變異性：生物的子代與親代，以及子代不同個體之間在性狀上又存在某些差異。

由于細菌個體微小、遺傳物質(zhì)較為簡單，易于人工培養(yǎng)，繁殖速度快，突變型容易識別和檢出。因此，細菌一直被用做研究生物遺傳與變異規(guī)律的實驗材料。第一節(jié)微生物遺傳和變異的物質(zhì)基礎(chǔ)基因與基因組基因：是合成一種有功能的多肽鏈或RNA分子所必需的一段完整的DNA序列；基因組：是指存在于生物體遺傳物質(zhì)中全部基因的總稱。一、微生物的主要遺傳物質(zhì)（一）病毒的核酸除朊病毒沒有遺傳物質(zhì)外，所有病毒的遺傳物質(zhì)都是DNA或RNA。（二）原核細胞型微生物的染色體

原核細胞型微生物的遺傳物質(zhì)包括染色體和質(zhì)粒。

1、染色體為一段共價閉合環(huán)狀的雙鏈DNA：在細胞中緊密纏繞成較致密的不規(guī)則的小體，稱為擬核一、微生物的主要遺傳物質(zhì)2、基因組上遺傳信息具有連續(xù)性微生物基因組DNA絕大部分用來編碼蛋白質(zhì)、RNA；其余用作復(fù)制起點、啟動子、終止子和一些由調(diào)節(jié)蛋白識別和結(jié)合的位點等信號序列。除了個別細菌(鼠傷寒沙門氏菌和犬螺桿菌)和古生菌的rRNA和tRNA中也發(fā)現(xiàn)有內(nèi)含子或間隔序列外，原核微生物一般不含內(nèi)含子，遺傳信息是連續(xù)的而不是中斷的。（三）真核細胞型微生物的染色體1）真核細胞型微生物與高等動植物一樣，具有完整的細胞核結(jié)構(gòu)2）遺傳物質(zhì)以染色體的形式存在，其化學(xué)組成是線狀雙鏈DNA分子和蛋白質(zhì)；3）基因是不連續(xù)的，結(jié)構(gòu)基因內(nèi)部存在許多不編碼蛋白質(zhì)的間隔序列，稱為內(nèi)含子，編碼區(qū)則稱為外顯子。5）通常含有多種染色體，并且每條染色體中具有許多復(fù)制起點，可同時進行復(fù)制。一、微生物的主要遺傳物質(zhì)二、質(zhì)粒和轉(zhuǎn)座因子染色體質(zhì)粒（plasmid）：是一種染色體外DNA遺傳物質(zhì)，呈雙鏈、超螺旋、閉環(huán)狀，能進行自主復(fù)制，主要存在于各種微生物細胞中。（一）質(zhì)粒（一）質(zhì)?；咎匦裕?、絕大多是質(zhì)粒是共價閉合環(huán)狀雙鏈DNA；2、質(zhì)?？瑟毩⒂谒拗魅旧w外自主復(fù)制；3、質(zhì)?；虺Ｙx予宿主細胞某些特性，如合成抗生素、細菌素等；4、質(zhì)粒能從宿主細胞自發(fā)消除，其所攜帶的基因非細胞生存所必需，除去質(zhì)粒后，細胞可依然存活5、質(zhì)?？赏ㄟ^接合、轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)導(dǎo)等方式在細菌間轉(zhuǎn)移；6、細菌具有相容性或不相容性：兩類不同類型的質(zhì)粒，能/不能穩(wěn)定地共存于一個細胞內(nèi)。常見的質(zhì)粒類型F質(zhì)粒/致育因子R質(zhì)粒/耐藥質(zhì)粒/抗性因子Col質(zhì)粒代謝質(zhì)粒/降解質(zhì)粒1、F質(zhì)粒/致育因子

具有編碼性菌毛的能力，可在染色體外游離存在，或整合入宿主菌染色體,成為染色體的一部分。攜帶F質(zhì)粒的菌株稱為F+菌株（相當(dāng)于雄性），無F質(zhì)粒的菌株稱為F-菌株（相當(dāng)于雌性）2、R質(zhì)粒/耐藥質(zhì)粒R質(zhì)粒在細菌間的傳遞是細菌產(chǎn)生抗藥性的重要原因之一。接合型耐藥質(zhì)粒：由耐藥轉(zhuǎn)移因子（RTF，類似于F質(zhì)粒，具有致育性）和耐藥決定子（決定該菌株的耐藥性)構(gòu)成。非接合型耐藥質(zhì)粒：只有耐藥決定子，只有耐藥性，不能接合轉(zhuǎn)移。R因子的結(jié)構(gòu)組成3、Col質(zhì)粒大腸桿菌產(chǎn)生的細菌素為大腸桿菌素，而產(chǎn)生這種細菌素的質(zhì)粒被稱為Col質(zhì)粒。質(zhì)粒本身編碼一種免疫蛋白，從而使某種類型大腸桿菌的菌株對自身產(chǎn)生的大腸桿菌有免疫力，但對其他類型的大腸桿菌仍是敏感的。4、代謝質(zhì)粒/降解質(zhì)粒含有這類質(zhì)粒的細菌，能將復(fù)雜的有機化合物降解成能被其作為碳源和能源利用的簡單形式，環(huán)境保護方面具有重要的意義。如假單胞菌：具有降解一些有毒化合物，如苯、辛烷和樟腦等的能力。轉(zhuǎn)座因子：是一個DNA片段，可在質(zhì)粒與質(zhì)粒之間或質(zhì)粒與染色體之間隨機轉(zhuǎn)移，故又稱為“跳躍基因”。轉(zhuǎn)座子不能自我復(fù)制。轉(zhuǎn)座與轉(zhuǎn)座因子轉(zhuǎn)座子質(zhì)粒轉(zhuǎn)座與轉(zhuǎn)座因子

轉(zhuǎn)座：是指轉(zhuǎn)座因子從染色體的一個位置轉(zhuǎn)移到另一位置，或者在質(zhì)粒與染色體之間轉(zhuǎn)移的過程，即轉(zhuǎn)座因子改變其在DNA分子上位置的過程。由于轉(zhuǎn)座因子的轉(zhuǎn)座行為，將使DNA分子發(fā)生插入突變和廣泛的基因重排，在促使生物變異及進化上具有重大意義?！癖Ｊ匦娃D(zhuǎn)座轉(zhuǎn)座子插入到DNA上新的位點，首先交錯切開靶DNA，再將轉(zhuǎn)座子連接到靶DNA的凸出單鏈上，最后填補空缺完成轉(zhuǎn)座。轉(zhuǎn)座機制轉(zhuǎn)座機制●復(fù)制型轉(zhuǎn)座①在轉(zhuǎn)座子和靶位點兩端分別交錯切割產(chǎn)生切口;②形成一種交換結(jié)構(gòu)；③產(chǎn)生一個包含兩個正向重復(fù)的轉(zhuǎn)座子拷貝的復(fù)合物，稱為共合體；④在解離酶的作用下進行，釋放兩個復(fù)制子。轉(zhuǎn)座機制轉(zhuǎn)座的遺傳學(xué)效應(yīng)1、引起插入突變：插入在宿主染色體的某一結(jié)構(gòu)基因內(nèi)，造成該基因功能的喪失。2、產(chǎn)生新的基因,引起生物進化：如插入抗藥性基因3、產(chǎn)生染色體畸變4、基因的移動和重排5、轉(zhuǎn)座因子可以從插入位置上消失，可導(dǎo)致回復(fù)突變。第二節(jié)噬菌體及其對細菌遺傳性的影響噬菌體是感染細菌、螺旋體或真菌等微生物的病毒，因為噬菌體能引起宿主菌的裂解，故稱為噬菌體。蝌蚪形、球形、桿狀噬菌體的特性只有一種核酸類型，DNA或RNA；能通過細菌濾器；必須在活的宿主細胞內(nèi)才能生長、增殖；宿主細胞是細菌等微生物細胞，且具有嚴格的宿主特異性。噬菌體的結(jié)構(gòu)頭部核心：DNA或RNA衣殼：蛋白質(zhì)尾部蛋白質(zhì)與吸附宿主有關(guān)噬菌體與宿主菌的關(guān)系烈性/毒性噬菌體：在宿主菌細胞內(nèi)復(fù)制增殖，產(chǎn)生許多子代噬菌體，并最終使宿主菌細胞裂解；溫和噬菌體/溶原性噬菌體：感染宿主菌后不立即增殖，而是將其核酸整合到宿主菌核酸中，隨宿主菌核酸的復(fù)制而復(fù)制，并隨細菌的分裂而傳代。噬菌體的復(fù)制毒性噬菌體吸附；穿入；生物合成；成熟與釋放毒性噬菌體噬菌體感染細菌的結(jié)果溶菌周期毒性噬菌體溶原周期前噬菌體溶原性細菌

溫和噬菌體噬菌體的應(yīng)用用于細菌的鑒定和分型：噬菌體的溶菌具有高度的特異性；耐藥性細菌感染的治療作為分子生物學(xué)研究工具：結(jié)構(gòu)簡單、基因數(shù)少，易獲得大量突變體；遺傳工程：作為載體將需要轉(zhuǎn)移的基因帶入菌細胞第三節(jié)微生物變異的常見類型1、高產(chǎn)突變株：經(jīng)不斷的自然選育或人工誘變處理，選出高突變株，如青霉素產(chǎn)生菌通過誘變，產(chǎn)量提高；2、抗性突變株：基因突變使菌株對噬菌體或藥物，特別是抗生素，產(chǎn)生抗性。3、條件致死突變型在某一條件下具有致死效應(yīng)，而在另一條件下沒有致死效應(yīng)的突變型。以溫度敏感突變株為例，某些腸道菌在高溫下（如42℃）是致死的，但可以在低溫（如25-30℃）卻能夠生長。4、營養(yǎng)缺陷型突變株一種缺乏合成其生存所必須的營養(yǎng)物(包括氨基酸、維生素、堿基等)的突變型,只有從周圍環(huán)境或培養(yǎng)基中獲得這些營養(yǎng)或才能生長.5、毒力變異株長期培養(yǎng)于加有特殊化學(xué)成分的培養(yǎng)基或長期通過不同動物傳代，其毒力能夠降低，可用于弱毒活疫苗的制備。如卡介苗（結(jié)核分枝桿菌在特殊培養(yǎng)基）、狂犬疫苗（病毒注射到兔腦中）的制備。第四節(jié)微生物變異的機制及其修復(fù)一、基因突變突變：是指生物體遺傳物質(zhì)的核苷酸序列發(fā)生了穩(wěn)定而可遺傳的變化?；蛲蛔儯菏侵敢粋€基因內(nèi)部由于一對或少數(shù)幾對堿基的置換、缺失或插入而引起的突變，其涉及的變化范圍很小，所以又叫做點突變；染色體畸變：是指大段染色體的缺失、重復(fù)、易位和倒位。二、基因的轉(zhuǎn)移和重組●轉(zhuǎn)化●接合●

轉(zhuǎn)導(dǎo)●

噬菌體轉(zhuǎn)變●原生質(zhì)體融合●

重組受體菌從周圍環(huán)境中直接攝取供體菌游離的DNA片段，并整合入受體菌基因組中，從而獲得供體菌部分遺傳性狀的過程。

被轉(zhuǎn)化的DNA片段稱為轉(zhuǎn)化因子。

轉(zhuǎn)化有莢膜的活菌？

活的無莢膜肺炎鏈球菌從死的有莢膜肺炎鏈球菌中獲得莢膜（毒力決定因子）編碼基因，即為轉(zhuǎn)化接合：供體菌通過性菌毛與受體菌直接接觸，并將遺傳物質(zhì)（主要是質(zhì)粒DNA）轉(zhuǎn)移給受體菌，使受體菌獲得新的遺傳性狀。接合質(zhì)粒質(zhì)粒接合轉(zhuǎn)移示意圖染色體性菌毛受體菌供體菌F+F-F+F-F+F+F+F+DonorRecipient以噬菌體為媒介，將供體菌DNA片段（染色體DNA、非接合性質(zhì)粒DNA）轉(zhuǎn)移到受體菌內(nèi)，通過基因重組而使受體菌獲得新的遺傳性狀。轉(zhuǎn)導(dǎo)1、普遍轉(zhuǎn)導(dǎo)

前噬菌體從染色體上脫離進行增殖，裝配成新的子代噬菌體。大約在105～107次裝配中發(fā)生一次錯誤，誤將大小合適的供體菌DNA片段裝入噬菌體頭部，成為轉(zhuǎn)導(dǎo)噬菌體/“假噬菌體”。

轉(zhuǎn)導(dǎo)噬菌體供體菌當(dāng)轉(zhuǎn)導(dǎo)噬菌體再度感染受體菌時，將供體菌DNA帶入受體菌內(nèi)。普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)、局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)轉(zhuǎn)導(dǎo)噬菌體受體菌供體菌DNA完全轉(zhuǎn)導(dǎo)和流產(chǎn)轉(zhuǎn)導(dǎo)

普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)模式圖2、局限轉(zhuǎn)導(dǎo)溶原期時，噬菌體DNA整合在細菌染色體特定部位，噬菌體DNA發(fā)生偏差分離，將自身的一段DNA留在細菌染色體上，而帶走了細菌DNA上兩側(cè)的基因。當(dāng)其轉(zhuǎn)導(dǎo)并整合到受體菌中，使受體菌獲得供體菌的某些遺傳性狀。所轉(zhuǎn)導(dǎo)的只限于供體菌上個別的基因。噬菌體轉(zhuǎn)變

噬菌體轉(zhuǎn)變是由于溫和噬菌體的感染，前噬菌體整合入宿主的染色體使其溶原化的同時，使得宿主菌的表型也發(fā)生改變。當(dāng)宿主喪失這一噬菌體時，通過噬菌體轉(zhuǎn)變而獲得的