微生物遺傳學(xué)

遺傳學(xué)分支學(xué)科微生物遺傳學(xué)01研究背景基礎(chǔ)研究學(xué)科關(guān)系發(fā)展簡史研究方法意義目錄0305020406基本信息微生物遺傳學(xué)是以病毒、細菌、小型真菌以及單細胞動植物等微生物為研究對象的遺傳學(xué)分支學(xué)科。微生物有微生物遺傳學(xué)個體小、生活周期短、常能在簡單的合成培養(yǎng)基上迅速繁殖等特點，并且可以在相同條件下處理大量個體，所以是進行遺傳學(xué)研究的良好材料。微生物遺傳學(xué)在20世紀40～50年代的發(fā)展，促進了遺傳學(xué)中一些基本理論的闡明；50～60年代推動了分子遺傳學(xué)的發(fā)展。研究背景研究背景微生物遺傳學(xué)分子遺傳學(xué)是在微生物遺傳學(xué)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一個遺傳學(xué)分支。遺傳密碼、轉(zhuǎn)錄、翻譯、信使核糖核酸（mRNA）、轉(zhuǎn)移核糖核酸（tRNA）等都是在微生物中被發(fā)現(xiàn)或證實的。微生物遺傳學(xué)推動生產(chǎn)的發(fā)展。通過消除阻遏作用而提高最終產(chǎn)物的原理被應(yīng)用于氨基酸和核苷酸的發(fā)酵生產(chǎn)中并取得了顯著的增產(chǎn)效果。重組DNA技術(shù)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)和醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用前景更難以估量，而重組DNA技術(shù)也是微生物遺傳學(xué)研究的產(chǎn)物。微生物遺傳學(xué)研究對于醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)也作出了重要的貢獻，在致癌物質(zhì)的檢測方面尤為突出。微生物遺傳學(xué)是以病毒、細菌、小型真菌以及單細胞動植物等微生物為研究對象的遺傳學(xué)分支學(xué)科。微生物有個體小、生活周期短、能在簡單的合成培養(yǎng)基上迅速繁殖等特點，并且可以在相同條件下處理大量個體，所以是進行遺傳學(xué)研究的良好材料。發(fā)展簡史發(fā)展簡史微生物遺傳學(xué)30年代中已經(jīng)開始對酵母菌、脈孢菌和草履蟲的遺傳學(xué)研究，不過那時研究的對象限于能進行有性生殖的微生物，研究的課題大多限于基因的分離、連鎖和重組等。開始認識和利用微生物的優(yōu)越性進行遺傳學(xué)研究的是美國遺傳學(xué)家G.W.比德爾和生物化學(xué)家E.L.塔特姆。他們原來企圖通過果蠅復(fù)眼色素遺傳的研究來闡明基因的原初功能，雖然取得了一些進展，但并不理想，于是便改用脈孢菌作為研究材料，另行研究基因在氨基酸等的生物合成中所起的作用。這樣做的原因是：①果蠅復(fù)眼色素的分子結(jié)構(gòu)和生物合成途徑比較復(fù)雜，要取得大量色素也比較困難；②氨基酸等的分子結(jié)構(gòu)或生物合成都比色素簡單；③脈孢菌便于通過大量培養(yǎng)而取得它的代謝產(chǎn)物；④正像在果蠅的復(fù)眼色素的研究中必須獲得不能合成色素的突變型一樣，要研究基因在氨基酸合成中的作用，必須獲得不能合成氨基酸的突變型。要做到這一點，所研究的生物必須本身能合成全部氨基酸，脈孢菌正是這樣一種生物；⑤脈孢菌的基因分離、連鎖、重組等研究已經(jīng)有一定的基礎(chǔ)；⑥在微生物中利用射線誘發(fā)基因突變已有報道。

基礎(chǔ)研究營養(yǎng)缺陷型基因重組化學(xué)鑒定藥性突變遺傳學(xué)研究12345基礎(chǔ)研究營養(yǎng)缺陷型微生物遺傳學(xué)40年代初比德爾和塔特姆用射線處理脈孢菌得到了多種營養(yǎng)缺陷型，這些突變型只有在培養(yǎng)基中添加了它們所不能合成的物質(zhì)才能生長。研究營養(yǎng)缺陷型的重要意義是：①為生物合成代謝途徑的研究提供了有效的手段；②提出了一個基因一種酶的假設(shè)；③利用營養(yǎng)缺陷型探索代謝途徑的原理在遺傳學(xué)各個領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用；④除研究基因的原初功能外，還被應(yīng)用于研究基因結(jié)構(gòu)和基因突變，從這些研究所得到的許多原理以后又被應(yīng)用于人類體細胞的遺傳學(xué)研究（見體細胞遺傳學(xué)），從而推動了人類遺傳學(xué)的發(fā)展；⑤應(yīng)用營養(yǎng)缺陷作為標記,發(fā)現(xiàn)了細菌接合。基因重組早在30年代就有人提出細菌是否有基因重組的問題，并且試圖進行驗證,但因所用的檢測遺傳重組的形態(tài)和糖發(fā)酵性狀不很穩(wěn)定，并且沒有采用排除親本而選擇重組體的方法，所以沒有取得可信的結(jié)果。1946年美國微生物遺傳學(xué)家J.萊德伯格和塔特姆在大腸桿菌中以營養(yǎng)缺陷型為選擇標記，發(fā)現(xiàn)了細菌的基因重組現(xiàn)象。這一發(fā)現(xiàn)既說明了生物界遺傳規(guī)律的普遍性；又開辟了應(yīng)用大腸桿菌等為材料的遺傳學(xué)研究的廣闊領(lǐng)域。大腸桿菌已是遺傳學(xué)方面研究得最為詳盡的生物，通過大腸桿菌和它的噬菌體的遺傳學(xué)研究又開創(chuàng)了分子遺傳學(xué)。大腸桿菌基因重組的發(fā)現(xiàn)還導(dǎo)致了大腸桿菌的轉(zhuǎn)導(dǎo)、真菌的準性生殖和放線菌的基因重組等現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，并為微生物遺傳學(xué)理論應(yīng)用于生產(chǎn)實踐開辟了前景?；瘜W(xué)鑒定肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化現(xiàn)象在1928年就已發(fā)現(xiàn)，可是轉(zhuǎn)化因子的化學(xué)本質(zhì)直到1944年才為美國化學(xué)家O.T.埃弗里鑒定為DNA。此后DNA的重要意義才逐漸被認識，分子遺傳學(xué)的發(fā)展才有可能。藥性突變微生物遺傳學(xué)書籍細菌的抗藥性來自基因突變還是對環(huán)境的適應(yīng)性變異是個長期爭論不休的問題。1943年原來當醫(yī)生的S.盧里亞和由物理學(xué)轉(zhuǎn)向噬菌體遺傳學(xué)研究的遺傳學(xué)家M.德爾布呂克用波動實驗證明了抗藥性的出現(xiàn)可以在細菌接觸藥物以前發(fā)生，表明抗藥性是基因突變的結(jié)果。關(guān)于細菌的變異在19世紀就已經(jīng)有許多報道，可是通過嚴密的實驗設(shè)計和結(jié)果分析而得出關(guān)于變異的實質(zhì)方面的明確結(jié)論是從這一實驗開始的。這一工作在方法論方面給微生物遺傳學(xué)帶來深遠的影響，它的結(jié)論加深了人們對于生物變異規(guī)律的普遍性的認識。遺傳學(xué)研究這方面的研究在20世紀30年代末已由德爾布呂克等系統(tǒng)地開展，40年代進入全盛時期。噬菌體干重的90%以上由蛋白質(zhì)和核酸構(gòu)成，噬菌體感染細菌時只有核酸進入細菌細胞，蛋白質(zhì)外殼則留在細胞外面，在感染后短短20～30分鐘便有上百個噬菌體被釋放出來。這樣一種簡單的體系很有利于研究遺傳物質(zhì)的本質(zhì)。正是噬菌體的遺傳學(xué)研究為DNA是遺傳物質(zhì)和三聯(lián)體是遺傳密碼的基本單位提供了重要的證據(jù)，并闡明了基因是一個不容分割的功能單位而不是突變和重組的單位（見互補作用），而且在噬菌體的研究中發(fā)現(xiàn)了基因突變的熱點，以后又揭示了基因的重疊性現(xiàn)象。同時噬菌體遺傳學(xué)研究也是基因調(diào)控概念的實驗根據(jù)之一。研究方法研究方法除了一般的微生物學(xué)研究方法以外，在微生物遺傳研究中最突出的方法是突變型的篩選和選擇性培養(yǎng)方法的應(yīng)用。突變型一方面可作為染色體的標記，另一方面可用來剖析各種生命活動的遺傳控制。為了后一目的，必須獲得特定類型的突變型。在高等動植物中，雖然也有一些篩選特定類型的突變型的例子，但是多數(shù)突變型是由于偶然出現(xiàn)而長期積累起來的。微生物遺傳學(xué)研究則不同，一般工作常從篩選特定的突變型開始，例如篩選不能合成某一種氨基酸的突變型（營養(yǎng)缺陷型）、對于某一種藥物或噬菌體具有抗性的突變型、在較高溫度中不能進行DNA復(fù)制的突變型、轉(zhuǎn)化過程中發(fā)生遺傳性障礙的突變型、某一特定的酶發(fā)生缺陷的突變型以及導(dǎo)致某一種蛋白質(zhì)的某一功能區(qū)發(fā)生變化的突變型等。微生物遺傳學(xué)的迅速發(fā)展和便于取得所需要的突變型有著密切的關(guān)系。特定類型的突變型的篩選之所以能夠成功，主要是應(yīng)用選擇性培養(yǎng)基的結(jié)果。例如把大量對某種藥物敏感的細菌接種在含有該種藥物的培養(yǎng)基上，在這上面能形成菌落的細菌便是發(fā)生了抗藥性突變的細菌。這一原理也應(yīng)用于突變的研究、細菌接合的研究、轉(zhuǎn)導(dǎo)的研究、基因精細結(jié)構(gòu)分析的研究(見基因定位)和基因調(diào)控的研究等。選擇性培養(yǎng)方法的應(yīng)用大大提高了工作效率，在基因重組的分析中一般需要測定雜交子代中親本組合和重組類型的比率；兩個基因的距離愈近，則發(fā)現(xiàn)重組類型所須分析的子代個體愈多。同一基因內(nèi)部的兩個突變位點的距離必然更近，因此在高等動植物中較難發(fā)現(xiàn)它們之間的重組。在微生物中應(yīng)用選擇性培養(yǎng)方法，可以檢出距離十分接近的兩個突變位點之間的重組，因為特定的選擇條件能淘汰絕大多數(shù)非重組個體，而只使為數(shù)有限的重組體存活。例如大腸桿菌T4噬菌體的快速溶菌突變型rⅡ能感染寄主細菌大腸桿菌B而形成噬菌斑，但在大腸桿菌K上則不能形成噬菌斑。學(xué)科關(guān)系學(xué)科關(guān)系用遺傳學(xué)方法揭示了沙門氏菌(Salmonella)中鞭毛抗原相轉(zhuǎn)變的分子機制；對于一些致病菌的致病因素進行分析等。微生物遺傳學(xué)的研究一方面要依靠生物化學(xué)的知識和方法，另一方面也對生物化學(xué)有許多貢獻。而且常用微生物遺傳學(xué)方法。分子遺傳學(xué)是在微生物遺傳學(xué)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一個遺傳學(xué)分支。遺傳密碼、轉(zhuǎn)錄、翻譯、信使核糖核酸(mRNA)、轉(zhuǎn)移核糖核酸(tRNA)等都是在微生物中被發(fā)現(xiàn)或證實的。由于不能用人作為實驗材料，人類遺傳學(xué)的研究進展很緩慢。60年代以來:①離體培養(yǎng)細胞的集落生長;②合成培養(yǎng)基的應(yīng)用；③突變型細胞株的建立；④細胞融合。微生物遺傳學(xué)還推動了生產(chǎn)的發(fā)展。40年代微生物育種工作僅限于誘變處理。在致癌物質(zhì)的檢測方面尤為突出（見毒理遺傳學(xué)）。意義意義某些微生物的一些生物學(xué)特性對于遺傳學(xué)中的特殊問題的研究具有重要意義。例如子囊菌中一次減數(shù)分裂所產(chǎn)生的四分體分布在一個子囊里面，這一特性有助于對基因轉(zhuǎn)變現(xiàn)象的研究。微生物遺傳學(xué)除推進了人們對遺傳規(guī)律的認識以外，也推進了對微生物的代謝、生長發(fā)育、免疫機制以及致病性等方面的認識。例如通過營養(yǎng)缺陷型和糖發(fā)酵缺陷型的研究，闡明了某些微生物的氨基酸、核苷酸等物質(zhì)的合成途徑以及一些糖的代謝機制等；用不能形成成熟芽孢的突變型進行細菌芽孢形成機制的研究；用遺傳學(xué)方法揭示了沙門氏菌中鞭毛抗原相轉(zhuǎn)變的分子機制；對于一些致病菌的致病因素進行分析等。微生物遺傳學(xué)的研究一方面要依靠生物化學(xué)的知識和方法，另一方面也對生物化學(xué)有許多貢獻。氨基酸、核苷酸及蛋白質(zhì)和核酸等大分子的生物合成的研究多采用微生物為材料，而且常用微生物遺傳學(xué)方法。分子遺傳學(xué)是在微生物遺傳學(xué)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一個遺傳學(xué)分支。遺傳密碼、