微生物的遗传与变异Word格式.docx
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1903年W．S．Sutton，染色体的遗传行为与性状的遗传行为有着平行的关系。
1905年：
Wilson发现性染色体
1905-08年：
发现连锁基因。
1906年：
提出性染色体。
1909年：
丹麦生物学家W.L.Johannsen提出基因概念。
1910年：
摩尔根（Morgan）建立基因学说。
1913年：
减数分裂与孟德尔定律联系起来。
得到正确解释。
1910-27年：
连锁互换。
1935年：
电镜问世。
20世纪40、50年代，3个典型实验：
1944年：
肺炎双球菌转化。
遗传信息物质是DNA，核酸水平
1952年：
WatsonCrick提出DNA结构。
1953年：
Hershey和Chase同位素标记大肠杆菌噬菌体T2，证明遗传物质是DNA，而不是蛋白质。
Fraenkel—Conrat和Singer的烟草花叶病毒重组实验证实了RNA也是遗传物质。
1957年—58年：
DNA半保留复制。
分子遗传学和分于生物学。
1960年：
体细胞融合技术。
（二）遗传物质在细胞中的存在形式
除部分病毒的遗传物质是RNA外，其余生物体的遗传物质都是DNA。
分染色体DNA和染色体外DNA。
1、DNA在原核微生物中的存在方式
原核微生物细胞最大的特点：
无核膜与核仁的分化，染色体DNA处于核区，无组蛋白，近年来发现细菌染色体DNA也与类组蛋白的碱性蛋白相结合。
几种原核微生物染色体的物理特性见表8—1。
原核细胞的染色体外DNA主要指质粒。
2．DNA在真核微生物中的存在方式
真核微生物DNA分为核DNA和核外DNA。
核DNA即染色体DNA，与组蛋白结合构成具合染色体。
组蛋白已发现有4种：
H2A、H2B、H3、H4。
每种组蛋白各有2个分子与DNA形成核小体。
组蛋白有保护作用（DNA），影响DNA基因的表达。
核外DNA主要为线粒体DNA、质粒DNA等。
酵母菌DNA的主要存在方式见表8—2。
三、基因和性状
（一）基因的概念
基因是由丹麦生物学家W.L.Johannsen于1909年提出来的．他用“基因”这个术语来代替孟德尔的“遗传因子”。
到20世纪50年代以后，才有较明确的概念。
“基因”是一个具有遗传因子效应的DNA片段，它是遗传物质的最小功能单位。
（二）性状与基因表达
性状是构成一个生物个体的结构、形态、物质和功能等各方面特征的总称。
基因决定性状，性状是基因表达的结果。
基因：
分为调节基因、操纵基因和结构基因3大类。
结构基因：
是细胞结构、组成及完成细胞功能所需的蛋白质等编码的基因。
蛋白的表达不仅受结构基因控制，同时也受调节基因和操纵基冈的调控。
遗传信息通过“中心法则”传递。
第二节细菌的基因转移和重组
方式：
真核生物：
染色体的重新组合，即杂交（有性），准性生殖。
原核生物：
转化、传导、接合、溶原性转变等方式。
接合是通过细菌间的接触；
转化是通过裸露的DNA；
转导则需要噬菌体作媒介。
基因重组：
两个不同性状个体的遗传基因转移到一起，遗传分子重新组合，形成新的遗传型个体。
一、接合（细菌杂交）：
遗传物质通过供体菌和受体菌二个完整细胞间的直接接触，而进行的DNA转移和重组。
即：
供体和受体细胞直接接触，而传递遗传物质的现象。
（一）、大肠杆菌杂交实验
1946年，莱德伯格（J.Lederberg）和塔图姆（E.L.Tatum）发现。
遗传物质：
一个基因，或质粒，或染色体，或质粒和染色体均可以。
结合实验：
E.colik12二个缺陷型菌株。
亲本Ⅰ（PⅠ）：
Bio-，Met-，thr+，Leu+（A-B-C+D+）
亲本Ⅱ（PⅡ）：
Bio+，Met+，thr-，Leu-（A+B+C-D-）
PⅠ，PⅡ分别在基本培养基上均不能生长，但将PⅠ，PⅡ混合后。
在基本培养基上，却可以生长，出现频率为10-6—10-7。
即找到了Bio+，Met+，thr+，Leu+的菌株。
U型管实验：
排除由转化引起的，是由二个细胞接触引起的。
加
在U型管中部放一个滤使细胞不能通过，而培养基和DNA片段可以通过，然后在U型管的两端分别接入菌种PⅠ和PⅡ，在一端压入无菌空气，使培养基流动，培养一段时间以后，取出菌种涂平板，结果二边均不能在基本培养基上生长，没有找到Lio+，Met+，thr+，Leu+。
证明：
细菌细胞间没有直接接触就不能进行遗传物质交换，细胞间不接触，遗传物质就无法转移。
（二）接合菌株与F因子：
E.coli：
有性别分化，决定性别的因子，F因子。
1、F因子：
一种质粒，又叫致育因子，性因子。
是染色体外的环状DNA分子（为大肠杆菌染色体的2%），分子量5*107D，6*104bp,可编码40—60种蛋白质。
P170（T8-1）
P170T8-1F因子存在和转移方式
基因组有3个主要区段，第一段：
是控制自主复制区段；
第二段：
是控制细胞间传递的基因群区段，第二段：
是控制重组区段。
2、F+菌株：
含游离F因子菌株为雄性菌株，还可使细胞产生1—4条性伞毛。
游离F因子，可以独立于细胞核进行复制。
3、Hfr菌株：
:
F因子整合到DNA的特定位置上的菌株，为高频重组菌株（Hfr），与宿主染色体同步复制。
重组频率高。
4、Fˊ菌株和Fˊ因子：
F因子从细菌DNA上脱落下来，而带有细菌DNA的F因子。
Fˊ因子：
带有细菌DNA的F因子。
Fˊ菌株：
带有Fˊ因子细菌。
5、F-菌株：
不含F因子的菌株为F-
6、附加体：
F因子能与DNA整合又能脱离，形成质粒，这类质粒叫附加体。
F+因子的菌株F+不含F因子的为F-。
（三）几种杂交的结果（细菌杂交）：
1、F+×
F-——F++F+
F+与F-接合时，F+的F因子复制后单链DNA通过性伞毛进入F-，然后再形成双链环状DNA，即F与F-变成F+，另一个不变。
Fˊ×
F-——Fˊ+Fˊ
Fˊ与F-接合时，F菌株即获得F因子，也获得了Fˊ因子的若干性状，使F-变成Fˊ。
Fˊ因子复制后进入F-使F-变成F‘。
2、Hfr×
F-——Hfr+F-
Hfr×
F----------Hfr+Hfr（P170）
Hfr与F-接合时，Hfr染色体在F因子处发生断裂，由环状变成线状，以单链进入F-菌株，进入时染色体先转移，F因子最后进入F-，由于整个转移完约100分钟才能完成，但由于环境的种种因素的变化。
很容易使Hfr断裂而中断杂交，使F因子不能进入F-。
F因子保留在Hfr中。
未使F-变成Hfr。
只有在极少数情况下才可使F因子进入F-，是F-变成Hfr。
3．Fˊ×
F-及Hfr×
Hfr杂交
仅少数个体（0.1％---1％）可进行。
因为携带F因子菌体表面的抗原性及表面电荷均不同于F—菌，其表面成分阻碍了携带F因子的两菌之间形成接合对，故不能杂交。
但F+菌在饥饿状态下，会失去表面阻碍性组分而获得F—菌的性质，能与雄性菌接合。
但在新鲜培养基中，又恢复了F+菌的正常表面性质，这种在遗传特性上的变化称为拟表型变化。
接合的普遍性：
E.colik12为最初实验菌株。
细菌，放线菌均可以接合，以G-菌中的环门氏菌，志贺氏菌。
赛氏杆菌，弧菌，固氮菌，克氏杆菌等较常见。
放线菌中链霉菌属和诺氏菌属。
二、转化：
转化因子DNA的证实，是现代生命科学发展的重要起点。
发现：
1928年，英国格里非斯（Griffith）。
肺炎链球菌对小鼠的感染实验，首次发现。
肺炎双（链）球菌转化实验：
（SⅠ、SⅡ、SⅢ、RⅠ、RⅡ、RⅢ为血清型）
S型：
光滑型、有毒。
R型：
粗糙型，无毒。
肺炎双球菌可使人患肺炎，小鼠患败血症，死亡。
1、SⅢ型——鼠体——死亡
2、RⅡ型——鼠体——生活正常
3、SⅢ型—△—杀死——鼠体——正常生活
分离
4、SⅢ型+RⅡ型——鼠体——死亡——SⅢ型菌。
（一）几个概念
1．什么是转化
受体细胞从外界直接吸收来自供体细胞的DNA片段，并与其染色体同源片段进行遗传物质交换（整合到受体细胞基因组中），从而使受体细胞获得新的遗传特性的现象称为转化。
2．转化子：
经转化后出现了供体性状的受体细胞称转化子
3．转化因子：
有转化活性的外来DNA片段。
4．感受态：
细菌能够从周围环境中吸收DNA分子进行转化的生理状态称感受态
（二）转化的条件
包括受体菌与外源DNA的条件P171（表8—3）
（三）转化过程主要通过3个步骤完成。
1．感受态细胞的建立
受体细胞必须处于感受态，最易接受外来的DNA片段。
2．DNA的结合和摄取
（1）供体双链DNA与受体细胞壁上的受体位点相结合。
此步最初可逆，随着与细胞膜蛋白的作用，与细胞壁的结合则变得稳定后，而不可逆。
（2）过核酸酶降解核酸。
已知有二种核酸酶
细胞壁上的核酸酶：
把结合的DNA随机切割；
细胞膜上的核酸酶：
后者将双链中的单链降解。
过程：
一条链被核酸酶降解，另一条链进入受体细胞。
也有完整的双链被摄取的。
3．转化子与染色体重组过程复杂
（1）单链DNA进入受体细胞后，与受体细胞双链DNA同源片段发生交换重组。
（2）双链DNA进入受体细胞后，由DNA结合蛋白或胞内小泡包裹，转运到受体染色体区，—条链被降解，另一条链则与受体菌DNA整合，形成供体DNA—受体DNA复合物，通过DNA复制和细胞分裂而表现出转化性状P172（图8—3）。
（四）感受态的机理机理
只有处于感受态的细胞才能吸收外源DNA实现转化。
感受态本质的解释：
（1）局部原生质体化假说：
认为处于感受态的受体菌局部失去了细胞壁，使外源DNA能顺利通过膜进入菌体。
（2）酶受体假说：
认为是受体细胞表面出现了—种能结合DNA并使之进人细胞的酶。
（3）转化模型：
感受态因子与细胞表面受体相互作用，诱导感受态特异蛋白（如自溶素、部分核酸酶）等表达，与外源DNA结合，降解DNA为单链DNA，单链DNA与感受态特异蛋白结合而进入细胞。
转化微生物：
除肺炎双球菌，还有：
E.coli，嗜血杆菌属，奈氏菌属，葡萄球菌属，假单细胞杆菌属。
酵母菌粗糙链的链孢霉等真菌也可转化。
转化率为：
0.1---1%。
转染：
用病毒的核酸感染受体细胞，能产生大量病毒。
与转化不同。
自然遗传转化：
是某些细菌的一种生理特性，自然发生的。
人工转化：
是用人工方法诱导而产生的转化。
转化作用的条件：
①双链DNA转化能力强，纯度越高，转化能力越强。
单链DNA转化能力弱，或无转化能力。
（因为难于吸附在细胞膜表面）
②受体细胞必须处于感受态。
感受态细胞：
能吸收DNA而被转化的细菌细胞。
③受体染色体与转化因子近似程度。
转化作用过程机理：
受体细胞处于感受态细胞膜有一种感受因子（蛋白质，5000-10000），外来DNA片段，先以双链形式吸附在感受因子上，细胞膜上二种酶将DNA切成107D长的片段。
另一种酶使DNA解旋，水解一条链，而使另一条链进入受体细胞。
进入受体菌的单链DNA，与受体菌染色体组同源配对，受体细胞染色体组，相应片段切除，并将外来的DNA片段连接在相映位置。
在子代有一半个体为纯合的转化子。
感受态细胞特点：
1感受态细胞比非感受态细胞转化率高100倍。
2cAMP和Ca2+能促进转化作用。
3转化DNA片段为107D。
4一个感受态细胞可以接受10个转化因子。
三、转导：
先利用某一溶源性细菌释放出温和噬菌体为媒介，把供体细胞的DNA片段带到受体细胞中，从而使受体细胞获得了供体细胞的部分遗传性状，发生遗传变异的过程。
转导子：
获得供体细胞遗传性状的重组受体细胞。
转导噬菌体（转导颗粒）：
携带供体菌DNA片段的噬菌体。
完全缺陷噬菌体：
仅含有供体DNA片段的噬菌体。
部分缺陷噬菌体：
同时含有供体DNA和噬菌体DNA的噬菌体。
转导类型：
普遍性转导和局限性转导。
（一）普遍性转导：
是可以把供体细菌中的任何一个基团（DNA片段）带给受体菌的转导。
1、转导的发现：
1952年辛德（N.Zinder）和莱德伯格（J.Ledesleesg）发现的。
在研究鼠伤寒沙门氏菌接合时发现的转导。
（1）菌种：
P22噬菌体
色氨酸（Trp）营养缺陷型：
LT—22（trp-,his+）溶源性细菌，
组氨基酸（His）营养缺陷型：
LT—2A（trp+,his-）敏感菌株。
（2）实验：
取LT—22和LT—2A放入U型管两端，U中部放有滤板只允许比细菌小的粒子通过。
使细菌不能直接接触。
用真空泵抽气使液体流动。
（3）结果：
在LT—22端发现原养型个体。
Trp+,his+。
发现细菌未接触但有遗传物质的转移和重组。
P173（T8-4）
（4）原理：
少数LA—22菌株自发裂解释放出噬菌体P22。
P22通过滤板感染LA—2后，裂解，少数P22带有LA—2的DNA片段含有trp+基团。
然后再通过滤器回LA—22，重新感染LA—22使少数LA—22获得了新的性状即trp+，而使LA—22变为营养基型（trp+,his+）。
2、普遍性转导的机制：
-----“包裹选择模型”P173（图8—5）
普遍性转导噬菌体：
噬菌体在细菌内增殖时，也把寄主DNA降解为许多小的片段，装配时，正常情况下，将本身的DNA包裹在衣壳中，也有10-6---10-8错误地包装了宿主的DNA片段（可包裹寄主细胞DNA的任一片段），形成“噬菌体”，为完全缺陷噬菌体。
裂解后，普遍性转导噬菌体也被释放。
当转导噬菌体侵染受体菌时，寄主DNA片段带入受体菌发生重组，又称完全普遍性转导。
装配时，包裹DNA是随机的（包括质粒DNA）虽然包裹寄主细胞的频率低，但每次释放噬菌体数量多（10—100万）转导机会也很高。
3、P22噬菌体的转导机制（略）
末端冗余：
P22DNA分子末端有少数相同的核苷酸重复序列（2％）。
DNA分子成环状排列结构，其DNA分子中的核苷酸序列是不变的，但复制的起始位点是可变的。
当P22感染敏感菌时，DNA分子借助于其冗余末端而形成环状，此环状分子以滚环复制万式产生一个长的、含多个基因组拷贝的DNA分子，在形成噬菌体外壳的同时，DNA分子也从其特殊位点并始被切割包装。
在噬菌体基因调节下，按其特定长度进行切割并包装进入P22噬菌体外壳。
形成新的P22噬菌体颗粒。
与此同时。
P22宿主中的环状DNA也能成为P22包装的基质，噬菌体基因编码的酶同样可识别染色体DNA上类似pac的位点并进行切割和包装。
形成新的噬菌体。
但宿主上的pac位点很少，如：
沙门氏菌染色体上只有约10—15个类似于pac的位点，并且其位点上的序列与噬菌体上的pac位点序列不完全相同，因此宿主染色体被包装的概率很少（10-8—10-6）。
4．其他转导噬菌体
多种噬菌体具有普通性转导特性，例如，大肠杆菌的P1噬菌体、T4噬菌体、大肠杆菌λ、Mu噬菌体、枯草杆菌PBSl噬菌体等。
5．流产转导-----另一种普通性转导方式
（1）完全转导（稳定转导）：
供体菌DNA进入受体细胞后与受体菌发生重组。
然后遗传给后代。
（2）流产转导：
进入受体菌的DNA片段不与受体菌的染色体整合。
也不复制，当细胞分裂时细胞有一个细胞获得DNA，形成小的菌落。
是单线遗传。
发生率是完全传导10倍。
在普遍性转导过程中，有时转导DNA不能通过重织整合到宿主DNA上，而是以游离和稳定的状态存在于细胞质中，DNA不能复制，
故在细胞分裂时只能传递给一个细胞，随着细菌分裂的增多便渐渐被淘汰。
称为流产转导P174（图8—6）。
但DNA携带的遗传特性仍能在数代细胞中表达，放在基本培养基平板上表现为极小的菌落。
（二）局限性转导：
是指噬菌体只能把少数一定的基因转给受体菌细胞。
这种转导，只能转导一种或少数几种基团。
如：
大肠杆菌λ噬菌体侵染E.colik12.λ噬菌体整合在细菌染色体的生物素基因（bio）和半乳糖（gal）基团之间使细菌溶原化并遗传给后代。
缺陷噬菌体：
丢失自身一部分基因，并被同等长度的宿主基因所取代而形成的噬菌体。
转导后获得了供体部分遗传特性的重组受体细胞，此时的受体菌称为缺陷溶源菌。
1．局限性转导的机制--------“杂种形成模型”
λ噬菌体的线状双链DNA分子的两端为12个核昔酸单链（即粘性末端cos位点），在溶源状态下，以前噬菌体状态存在于细菌染色体上。
细菌裂解时，以粘性末端形成的环状分子，通过滚环复制形成一个含多个基因组的DNA多联体，以2个cos位点之间的距离决定其包装片段的大小而进行切割、包装，最终形成转导噬菌体。
在极少数情况下（约10-6），在前噬菌体两端邻近位点上与细菌染色体发生错误的切割，使噬菌体DNA失去了前噬菌体的部分DNA，增加了相应长度的细菌宿主染色体DNA，这样形成的杂合DNA可正常包装、复制。
形成的新转导噬菌体称为部分缺陷噬菌体。
λ前噬菌体位点两端是细菌染色体的gal+和bio+，形成的转导噬菌体通常带有gal+或bio+基因，缺陷噬菌体表示为λdg（缺陷性半乳糖转导噬菌体）或λdb（缺陷性生物素转导噬菌体）。
这些转导噬菌体侵入受体菌，通过插入而整合到受体菌的染色体组上，使受体菌获得了供体的这部分遗传特性，而形成转导子（缺陷溶源菌）。
当细菌细胞裂解时（自发或诱发），噬菌体与细菌发生基因交换，噬菌体DNA留下一段在染色体上，而带走细菌染色体上的一个或几个基团（bio或gal）基因。
带有bio或gal基团的噬菌体若侵入bio-或gal-受体菌时，则使受体菌获得新性状，即可以合成bio或gal.
2．局限性转导个的低频转导与高频转导
低频转导（LFT）：
形成转导子的频率很低，只合l0-6（P175图8-7）。
高频转导（HFT）：
形成转导子的频率很高，理论上可达50％。
原因：
供体菌为双重溶源菌，同时有两种噬菌体整合在染色体上。
如，大肠杆菌K12株，其双重活源的为E．coliK12（λ/λdg）F，即其前噬菌体有λ和λdg。
λdg为缺陷噬菌体,带有供体gal+基因，但丢失了部分本身的DNA；
而λ噬菌体为正常噬菌体，不带gal+基因，起辅助作用，称为辅助噬菌体，可弥补λdg的不足，使λdg也能成为“完整噬菌体”而释放。
这样，一个细菌可同时等量地释放出λdg和λ两种噬菌体，侵入受体菌后使出现两种不同的结果。
同时产生转导子菌落和噬菌斑。
表示为：
P175
（三）普遍性转导和局限性转导的比较
不同的转导方式具有不同的特性，产生的转导子也不同（表8—4）。
（四）转导的普遍性：
细菌转导在自然很普遍。
种类：
沙门氏菌，埃希氏菌，假单胞菌，变形杆菌，志贺菌等均可转导。
意义：
低等生物进化过程中，转导现象可能是产生新的基因组合的一种方式。
溶原转变（溶原性转、噬菌体转变）：
温和性噬菌体感染寄主细胞使之发生溶原化时，原噬菌体基因整合到寄主细胞的基因组中，使寄主细胞死亡获得新形状的现象。
原噬菌体使寄主细胞溶原化，使细胞遗传性发生改变是现象。
与局限转导不同：
1噬菌体离开寄主染色体时，不携带寄主细胞任何基因。
局限性转导则携带基因。
2溶原转变中噬菌体都是正常的温和性噬菌体，而局限性转导中有转导能力的却是缺陷型噬菌体。
溶原转变：
例如：
白喉杆菌，被β噬菌体侵染发生溶原化时，成为有毒力菌株，噬菌体离开则毒力丧失。
细菌基因转移方式的比较：
基因转移的本质：
是遗传物质从供体菌向受体菌转移，使受体菌发生变异。
转化
转导
接合
DNA转移方式
通过受体菌细胞膜
通过噬菌体外壳Pr的包裹
细胞结合后通过性伞毛
参与的细菌
G+和G-
G+G-
都为G-
移供体菌DNA的量
约20个基因
20个列整个核DNA
受体转移
+
对DNA酸的抗性
-
单向转移
四、染色体外遗传因子的转移与重组
（—）细菌质粒
是细菌细胞内染色体外的复制子。
随宿主染色体的复制传给子代。
使宿主细胞获得新性状。
是共价闭环的脱氧核糖核酸分子（cccDNA）。
在链霉菌和酵母面中发现了线形双链DNA质粒和RNA质粒。
类型：
根据其复制特点分为：
严紧型：
如F因子、Colγ2、R100等,只有1—2个（拷贝数）。
松弛型：
如ColE1、ColE2、ColE3、R6K等，可有10个以上。
根据质粒在细胞间转移的差异性，分为：
转移性质粒：
可在细胞间转移，并能带动染色体发生转移；
非转移性质粒：
。
不能在细胞间转移。
常见的质粒类型：
1．F因子致育性因子或F质粒。
2．R因子又称抗药性因子或R质粒
细菌对抗生素、金属及其他药物（磺胺）产生抗性的因子，属转移性质粒。
结构：
R因子分为两部分。
（1）抗性转移因子（RTF）：
包括质粒的复制和转移基因。
（2）抗性决定子：
有多种抗生素的抗性基因，共本身不能移动，只有在RTF推动下才能转移。
用途：
R因子对多种抗生素有抗性，可作基因载体，作为菌株筛选酌标记。
3Col因子大肠杆菌素质粒
编码产生大肠杆菌素的质粒，是除F因子外研究历史最长的质粒。
根据是否具有转移能力可分为两类：
非接合型：
相对分子质量约5×
106的多拷贝因子，缺乏自身传递的遗传结构．如ColE1、ColE2、ColE3等，广泛应用基因工程；
接合型：
分子量约5×
107--8×
l07，只有1--2个拷贝的可转移因子。
与F因子相似，有使宿主产生性丝的基因，如Co1B、ColV等。
4．降解质粒
具有分解多种特殊有机化合物能力的因子。
例如，能降解二甲苯、己烷、苯酚、樟脑等。
假单胞菌的两种质粒：
TOL质粒：
含有分解甲苯的基因；
CAM—OCT质粒：
均为转移性质粒。
能分解樟脑辛烷，含有alk基因。
恶臭假单胞菌的CAM—OCT质粒至少有6个基因。
5．毒性质粒
携带编码产生毒素基因的质粒。
苏云金杆菌编码δ内毒素的质粒；
产毒素大肠杆菌中编码肠毒素的质物；
编码因氮功能的质粒。
隐秘型质粒：
不授予宿主任何功能。
可用作基因工程载体的Ti质料、Ri质粒等。
质粒的发现，对分子遗传学、分子生物学、基因工程学的建立发挥了重要作用。
质粒作为基因工程的载体已被广泛利用。
用人工方法改造天然质粒，构建出
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