第一章 微生物遺傳學(xué)緒論

2023/10/24微生物遺傳與應(yīng)用2023/10/24遺傳（heredity）：是指生物繁殖過程中，親代與子代在各方面的相似現(xiàn)象。變異（variation）：是指子代個(gè)體發(fā)生了改變，在某些方面不同于親代。2023/10/24遺傳生育傳染病遺傳病易感性微生物2023/10/24微生物遺傳與育種微生物的遺傳規(guī)律微生物的育種方式H7N9爆發(fā)2023/10/24PB2PB1HANPNAMPNSPA6個(gè)內(nèi)部片段來源于H9N2RNA病毒-H7N92023/10/24在新H7N9甲型禽流感的8個(gè)基因中，表面血凝素haemagglutinin蛋白基因來自于H7亞型病毒，神經(jīng)氨酸酶neuraminidase基因來自H11N9，其余6個(gè)內(nèi)核基因都來自H9N2。也就是說新H7N9甲型禽流感是由這三個(gè)病毒的基因重組產(chǎn)生的一個(gè)全新的基因。政府應(yīng)對(duì)2023/10/24捕捉H7N9的30天上海郊區(qū)，金山，2004年上海市政府一號(hào)工程H7N9

新H7N9甲型禽流感自4月1日國際衛(wèi)生組織正式公布以來，截止到4月7日，中國已經(jīng)有18例確診。大部分確診的病例的病情嚴(yán)重，6人已確認(rèn)死亡。目前尚未發(fā)現(xiàn)人與人之間傳播，并且確診的案例彼此并無關(guān)聯(lián)。然而，我們對(duì)這個(gè)新的病毒的許多方面都不了解，包括它的傳播性，致病性和起源，因此，導(dǎo)致了我們?cè)谂袛噙@個(gè)病毒是否會(huì)造成瘟疫時(shí)存在不確定性，以及我們的公共健康管理部門應(yīng)該如何正確的應(yīng)對(duì)?？茖W(xué)界：一個(gè)全新的病毒在新H7N9甲型禽流感的8個(gè)基因中，表面血凝素haemagglutinin蛋白基因來自于H7亞型病毒，神經(jīng)氨酸酶neuraminidase基因來自H11N9，其余6個(gè)內(nèi)核基因都來自H9N2。也就是說新H7N9甲型禽流感是由這三個(gè)病毒的基因重組產(chǎn)生的一個(gè)全新的基因。中國杭州疾控中心和WHO中國流感中心共采集，分析了4個(gè)新H7N9甲型禽流感的基因組，并在GISAID數(shù)據(jù)庫上公布。我們用這4個(gè)基因組以及1193個(gè)已知的流感各亞型的基因組，做了一個(gè)全面的系統(tǒng)生成樹和進(jìn)化分析。病毒開始變異我們?cè)趆aemagglutinin全長560個(gè)氨基酸中，發(fā)現(xiàn)了A/Shanghai/1/2013病毒有9個(gè)變異。這說明新H7N9甲型禽流感有很強(qiáng)的變異能力。由于表面血凝素haemagglutinin蛋白是病毒用來吸附感染動(dòng)物細(xì)胞的，它的高變異能力可能導(dǎo)致它傳播感染能力和治病能力的變化，這需要引起我們的特別注意。新H7N9甲型禽流感不是由經(jīng)典的H7N9進(jìn)化而來基因重組的地點(diǎn)可能在江浙一帶CellHost&Microbe于9月19日在線發(fā)表第一次病毒重配事件產(chǎn)生了一個(gè)原初的H7N9病毒，它是由具有歐亞起源的禽流感病毒提供了HA和NA基因和中國野鳥攜帶的H9N2病毒提供內(nèi)部基因。隨后，這種原初的H7N9病毒從野鳥傳入家禽中，并與原來在華東地區(qū)家禽中流行的H9N2病毒發(fā)生第二次重配。這次重配發(fā)生在2012年早期，從而導(dǎo)致了家禽中爆發(fā)了這次能感染人的多樣的新型H7N9病毒。2023/10/242023/10/242023/10/24國內(nèi)知名機(jī)構(gòu)中科院微生物所（北京）中科院病毒所（武漢）上海交大山東大學(xué)南開大學(xué)2023/10/24楊勝利院士 （中科院上海生物工程研究中心）趙國屏院士 （中科院上海生命科學(xué)院）鄧子新院士 （上海交通大學(xué)）譚華榮 （中科院微生物研究所，中國遺傳學(xué)會(huì)微生物遺傳專業(yè)委員會(huì)主任委員）

2023/10/24參考教材：現(xiàn)代微生物遺傳學(xué)陳三鳳編，化工出版社2002盛祖嘉，《微生物遺傳學(xué)》，2007（第三版），科學(xué)出版社2023/10/24大綱第一章緒論(1.5)第二章經(jīng)典遺傳學(xué)概論(6)第三章遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)(2)第四章細(xì)菌遺傳學(xué)(4)第五章放線菌遺傳學(xué)(1)第六章真菌的遺傳學(xué)(4)第七章基因突變與誘變育種(6)第八章轉(zhuǎn)座因子（1.5）第九章代謝控制育種（2）2023/10/24緒論第一節(jié)微生物遺傳學(xué)的發(fā)展簡史第二節(jié)微生物作為遺傳學(xué)研究材料的優(yōu)越性第三節(jié)微生物遺傳學(xué)方法在高等動(dòng)植物的遺傳與育種研究中的應(yīng)用2023/10/24第一節(jié)微生物遺傳學(xué)的發(fā)展簡史1.成為一門獨(dú)立的學(xué)科前2.發(fā)展成為一門獨(dú)立的學(xué)科3.分子遺傳學(xué)的發(fā)展2023/10/24什么是科學(xué)庫恩的“范式”概念《科學(xué)革命的結(jié)構(gòu)》范式是由理論要素、心理要素以及聯(lián)結(jié)這兩個(gè)要素的本體論和方法論要素組成的。理論要素包括概念、原理、定律、公式、實(shí)驗(yàn)技術(shù)和設(shè)備等；心理要素包括科學(xué)家團(tuán)體從事科學(xué)活動(dòng)的共同心理功能，諸如信念、直覺、審美、靈感、頓悟、價(jià)值判斷等；本體論、方法論要素起著世界觀、思維方式、研究綱領(lǐng)的作用，以此指導(dǎo)科學(xué)共同體的工作2023/10/241.成為一門獨(dú)立的學(xué)科前微生物學(xué)發(fā)展的早期，微生物的遺傳變異現(xiàn)象已為許多人注意。如巴斯德觀察到炭疽桿菌在高溫培養(yǎng)后毒性大減而抗原性不變；科赫法則。由于20世紀(jì)40年代前遺傳學(xué)的研究只限于高等動(dòng)物和植物，對(duì)在動(dòng)物和植物中發(fā)現(xiàn)的遺傳學(xué)規(guī)律能否用于微生物持懷疑態(tài)度。認(rèn)為細(xì)菌的核是分散的，細(xì)菌的變異不同于植物和動(dòng)物的突變。2023/10/24法國化學(xué)家和生物學(xué)家巴斯德是微生物學(xué)的偉大創(chuàng)立者。巴斯德（1822-1895）(1)徹底否定了"自然發(fā)生"學(xué)說(2)免疫學(xué)--預(yù)防接種(3)證實(shí)發(fā)酵是由微生物引起的(4)巴斯德消毒法2023/10/24巴斯德與炭疽病炭疽病，馬、牛、羊很快死去，血液里發(fā)現(xiàn)了絲狀體。巴斯德得到比較純粹的炭疽病菌。。巴斯德提議，將那些患病的牲口令部殺掉，并燒掉尸體．深埋地下．以制止疾病蔓延。2023/10/24接種預(yù)防巴斯德根據(jù)人類種牛痘可預(yù)防天花的現(xiàn)象，總結(jié)出接種免疫原理：接種什么病菌，就可以防治該病菌所引起的疾病。巴斯德重新回到炭疽病的防治研究上來。他將自己提純出來的炭疽病菌放在溫?zé)岬碾u湯里培養(yǎng)，這樣可以使病菌的毒性更快地減弱。在最終培養(yǎng)出毒性極弱的疫苗。2023/10/24Koch證明了炭疽病由炭疽桿菌引起1882，發(fā)現(xiàn)結(jié)核桿菌1883，首次發(fā)表Koch法則。2023/10/24其他重要研究1928年肺炎雙球菌中的轉(zhuǎn)化現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)。30年代中酵母菌、脈孢菌是進(jìn)行系統(tǒng)的遺傳學(xué)研究的僅有的微生物，研究的內(nèi)容基本只限于基因重組和定位?？傊?，40年代以前的微生物遺傳學(xué)的研究是不系統(tǒng)的、局限的。2023/10/2440年代前大量的微生物遺傳變異現(xiàn)象的觀察，及酵母菌和脈孢菌中的經(jīng)典遺傳學(xué)研究都為以后的發(fā)展打下基礎(chǔ)。在高等動(dòng)物和植物的遺傳學(xué)研究中也逐漸認(rèn)識(shí)到研究基因的作用機(jī)制這一類問題時(shí)有必要采用微生物作為研究材料。40年代初期抗生素工業(yè)的興起給微生物遺傳學(xué)研究以很大的推動(dòng)力。2023/10/242發(fā)展成為一門獨(dú)立的學(xué)科40年代主要有5個(gè)方面的工作促使微生物遺傳學(xué)發(fā)展成為一門獨(dú)立的學(xué)科。（1）脈孢菌中營養(yǎng)缺陷型的發(fā)現(xiàn)（2）細(xì)菌的抗性突變的證實(shí)（3）細(xì)菌基因重組的發(fā)現(xiàn)（4）轉(zhuǎn)化因子的化學(xué)本質(zhì)的鑒定（5）噬菌體遺傳學(xué)研究的開展2023/10/24（1）脈孢菌中營養(yǎng)缺陷型的發(fā)現(xiàn)40年代前已發(fā)現(xiàn)X射線能誘發(fā)霉菌細(xì)胞的突變。研究果蠅基因作用機(jī)制的遺傳學(xué)家比德爾（G.W.Beadle）和生物化學(xué)家塔特姆（E.L.Tatum）用X射線處理脈孢菌的分生孢子，得到預(yù)期的營養(yǎng)缺陷型。營養(yǎng)缺陷型——因突變而喪失產(chǎn)生某種生物合成酶的能力，并因而成為必須在培養(yǎng)基中添加某種物質(zhì)才能生長的突變類型。2023/10/24研究營養(yǎng)缺陷型的重要意義①為生物合成代謝途徑的研究提供了有效的手段;lys-②提出了一個(gè)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(gè)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;⑤應(yīng)用營養(yǎng)缺陷作為標(biāo)記,發(fā)現(xiàn)了細(xì)菌接合。2023/10/24（2）細(xì)菌的抗性突變的證實(shí)1943年以前對(duì)于細(xì)菌的抗性是否來源于基因突變已有許多討論，但缺乏嚴(yán)密的實(shí)驗(yàn)論證。1943年盧里亞（S.E.Luria）和物理學(xué)家德爾布呂克（M.Delbruck）用嚴(yán)密的實(shí)驗(yàn)證實(shí)細(xì)菌的抗性是基因突變的結(jié)果。使人們認(rèn)識(shí)到可能所有的生物都有著基本相同的遺傳變異規(guī)律。嚴(yán)密的實(shí)驗(yàn)方法開始被應(yīng)用到微生物遺傳學(xué)領(lǐng)域?？剐酝蛔冃汀蛲蛔兌a(chǎn)生了對(duì)某種化學(xué)藥物或致死物理因子的抗性2023/10/24抗性突變的爭論一種觀點(diǎn)認(rèn)為，突變是通過適應(yīng)而發(fā)生的，即各種抗性是由其環(huán)境（指其中所含的抵抗對(duì)象）誘發(fā)出來的，突變的原因和突變的性狀間是相對(duì)應(yīng)的，并認(rèn)為這就是“定向變異”，也有人稱它為“馴化”或“馴養(yǎng)”。另一種看法則認(rèn)為，基因突變是自發(fā)的，且與環(huán)境是不相對(duì)的。由于其中有自發(fā)突變、誘發(fā)突變、誘變劑與選擇條件等多種因素錯(cuò)綜在一起，所以難以探究問題的實(shí)質(zhì)。從1943年起，經(jīng)過幾個(gè)嚴(yán)密而巧妙的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，主要攻克了檢出在接觸抗性因子前已產(chǎn)生的自發(fā)突變株的難題，終于解決了這場紛爭。2023/10/24基因突變的自發(fā)性和不對(duì)應(yīng)性的證明變量試驗(yàn)涂布試驗(yàn)平板影印培養(yǎng)試驗(yàn)2023/10/24大腸桿菌稀釋培養(yǎng)物10ml10ml(培養(yǎng)前先分成50小管)(在同一個(gè)大管中作整體培養(yǎng))3714435

抗噬菌體菌落數(shù)抗噬菌體菌落數(shù)變量試驗(yàn)

甲管乙管噬菌體起淘汰原始未突變株和鑒別抗噬菌體突變株的作用。（10mL）（10mL）1943年，S.E.Luria和M.Delbrück根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理設(shè)計(jì)。加入噬菌體2023/10/24（3）細(xì)菌基因重組的發(fā)現(xiàn)細(xì)菌能否通過有性生殖而導(dǎo)致基因重組這一問題早在20年代便曾有人提出并企圖用實(shí)驗(yàn)解答。可是由于方法的局限而得不到應(yīng)有的結(jié)果。應(yīng)用細(xì)菌的營養(yǎng)缺陷型為材料，在1946-1947年萊德伯格（J.Lederberg）和泰特姆報(bào)道了大腸桿菌中的基因重組。2023/10/241946年，J.Lederberg的大腸桿菌

雜交試驗(yàn)：材料：大腸桿菌(Escherichiacoli)K12菌株的兩個(gè)營養(yǎng)缺陷型品系：菌株A—甲硫氨酸缺陷型met-和生物素缺陷型bio-；菌株B—蘇氨酸缺陷型thr-和亮氨酸缺陷型leu-。方法：將A、B兩菌株混和，在基本培養(yǎng)基(固體)上涂布培養(yǎng)。結(jié)果：平板上長出原養(yǎng)型菌落(++++)。2023/10/24

A品系：met－

bio－

leu＋thr＋

B品系：met＋bio＋leu－thr－

AA+BB

基本培養(yǎng)基

met

＋bio

＋

leu＋

thr＋2023/10/24使人們更為明確地認(rèn)識(shí)到微生物和高等動(dòng)植物在遺傳規(guī)律上的一致性。通過基本相同的方法，以后陸續(xù)在霉菌、放線菌等各種生物中發(fā)現(xiàn)基因重組，從此遺傳學(xué)研究遍及任何一種生物。探索基因重組促使在50年代發(fā)現(xiàn)了轉(zhuǎn)導(dǎo)，遺傳學(xué)研究的手段得以擴(kuò)充。2023/10/24（4）轉(zhuǎn)化因子的化學(xué)本質(zhì)的鑒定1928年格里菲斯（F.Griffith）在肺炎雙球菌中發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化現(xiàn)象（非致病的R型肺炎球菌可以轉(zhuǎn)變?yōu)橹虏〉腟型肺炎球菌）后，直到1944年轉(zhuǎn)化因子的本質(zhì)才被艾弗里(O.T.Avery)所鑒定。這是說明遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)是DNA的第一個(gè)明確的實(shí)驗(yàn)根據(jù)。是1953年DNA分子雙螺旋模型的提出和分子遺傳學(xué)發(fā)展的前奏。2023/10/24①加S菌DNA②加S菌DNA及DNA酶以外的酶③加S菌的DNA和DNA酶④加S菌的RNA⑤加S菌的蛋白質(zhì)⑥加S菌的莢膜多糖活R菌長出S菌只有R菌1944