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1、微生物学第八章微生物遗传山东大学期末考试知识点复习第八章 微生物遗传一、要点提示 13个典型的微生物学实验证实了DNA和RNA是遗传物质。虽然由于朊病毒的发现，对“蛋白质不是遗传物质”的定论带来一些疑云，但进一步的研究证实，这种不含核酸的蛋白质传染颗粒并不是遗传信息的载体，而仍然是基因编码产生的一种正常蛋白质的异构体。 2基因组是指细胞中基因以及非基因的DNA序列组成的总称。微生物基因组一般比较小，最小的只含3个基因。真核生物、真细菌和古生菌基因组有明显的不同，但古生菌既具有前两者的某些特征，又具有自己独特的特征。 3质粒和转座因子都是细胞中除染色体以外的另外两类遗传因子，前者是一种独立于染色

2、体外，能进行自主复制的细胞质遗传因子，通常以共价闭合环状(CCC)的超螺旋双链DNA分子存在于细胞中。近年来也发现了线型双链DNA质粒和RNA质粒。质粒是进行基因克隆和表达的重要载体。后者是位于染色体和质粒上的一段能改变自身位置的DNA序列，一般不能进行自主复制。转座因子常用来获得插入突变。 4基因突变分自发突变和诱发突变，后者只提高突变频率，并不改变突变的本质。突变率与修复系统密切相关并有自身的规律性。细菌以接合、转导和转化3种主要的途径进行基因水平方向的转移和重组，并且是基因定位(或作图)的重要手段。近年来实验证明转化可以在自然环境中发生。 5用“全基因组鸟枪测序方法”获得了第一个独立生活

3、的生命体(流感嗜血杆菌)的全基因组序列，这对进一步认识和揭示生命的本质、相互关系、发现重要的基因并开发其功能等具有重要的划时代意义。 6酵母菌的单倍体具两种接合型a和，这是稳定的遗传学特征，但有时会发生互变。现已查明，这是受MAT启动子控制的。酵母菌含有2m质粒，是其进行基因克隆和分子生物学研究的重要载体。酵母菌的mtDNA利用率较低，但密码子的非通用性首先在此发现。丝状真菌的准性生殖是育种和进行遗传分析的重要手段。 7微生物育种可采用诱变、原生质体融合、杂交(含准性生殖)的体内育种技术，也可采用DNA重组、体外诱变的体外分子水平育种技术，还可采用DNA shuffling的体内、外相结合等育

4、种技术。二、重点、难点剖析 1证实DNA和RNA是遗传物质的微生物学实验剖析 (1)分析Griffith转化实验的结果，其可能的原因：注入小鼠体内的致病性SIII型菌可能没有被杀死，其“复活”现象是残存者所为，这一点可通过注入小鼠体内前的灭活实证，得到否定。注入小鼠体内的R型发生了回复突变所致，这里涉及到实验设计的严密性问题，Griffith的实验中所用的加热致死的S型菌株是SIII血清型；同时注入鼠体内的R型是由SII血清型突变而来，所以这种R型的回复突变应为SII型，即从死鼠中“复活”的应是SII型，但事实是从死鼠中分离得到的是SIII型，所以也不可能是因回复突变所致。遗传物质的转化，在小

5、鼠体内，加热杀死的SIII型菌的遗传物质通过转化进入到活的本无致病的R型细胞内，使后者获得了SIII型致病性因子而使其遗传表型发生改变，成为SIII型所具备的致病性和光滑型表型。Griffith称这种遗传物质为转化因子。虽然当时Griffith并不知道转化因子本质是什么，但他首次发现了细菌间的转化现象，为后来Avery等人确立DNA为遗传物质奠定了基础。 (2)Avery，等人的实验证据：通过分别选择性的降解SIII细胞抽提物中的DNA、RNA和蛋白质，并分别与无毒的R型细胞混合，观察转化现象的发生，结果发现只有DNA被酶解而遭到破坏的抽提物无转化作用，证实了Griffith的转化因子是DNA

6、，并且其转化效果随着DNA纯度和浓度增加而提高，这是证实遗传物质是DNA而不是蛋白质的第一个实验证据。 (3)Alfred等人的T2噬菌体感染实验：用35S和32P分别标记T2噬菌体的蛋白质外壳和DNA，并分别感染宿主细胞，结果发现只有DNA进入细胞，蛋白质外壳留在胞外，但获得的子代噬菌体却具有同样的蛋白质外壳和亲代的全部遗传学特征。证实DNA携带有T2的全部遗传信息。 (4)对只由RNA和蛋白质组成的生物(如烟草花叶病毒)的研究也证实遗传物质不是蛋白质而是RNA，因此核酸(DNA或RNA)是遗传物质的基础在20世纪50年代已成了定论。 2朊病毒(Prion)不是遗传信息载体。20世纪80年代

7、证实朊病毒是一种不含DNA或RNA但具有传染性的致病因子，可以在受感染的宿主的细胞内产生与自身相同的分子(复制?)，因此“蛋白质不是遗传物质”的定论似乎蒙上一些阴影。但进一步研究证实：(1)朊病毒仍然是由基因编码产生的一种正常蛋白质(PrP)的两种异构体PrPc和PrPsc。(2)PrPsc存在于病变组织中，在细胞内并不能自我复制，而是将细胞内基因编码产生的PrPc转变为PrPsc，产生更多的PrPsc。 3基因组(genome)是指存在于细胞或病毒中的所有基因。细菌在一般情况下是一套基因，即单倍体(hoploid)；真核微生物通常是有二套基因又称二倍体(diploid)。基因组通常是指全部一

8、套基因。由于现在发现许多非编码序列具有重要的功能，因此，目前基因组的含义实际上是指细胞中基因以及非基因的DNA序列组成的总称，包括编码蛋白质的结构基因、调控序列以及目前功能还尚不清楚的DNA序列。 4大肠杆菌的基因组为双链环状的DNA分子，全序列测定于1997年由Wisconsin大学的Blattner等人完成，其基因组结构特点如下：遗传信息的连续性，功能祖关的结构基因组成操纵子结构，结构基因的单拷贝及rRNA基因的多拷贝，基因组的重复序列少而短。 5啤酒酵母的基因组。1996年，由欧洲、美国、加拿大和日本共96个实验室的633位科学家的艰苦努力完成了全基因组的测序工作，这是第一个完成测序的真

9、核生物基因组。该基因大小为135106bp，分布在16个不连续的染色体中。酵母菌基因组最显著的特点是高度重复，称之为遗传丰余(genetic redundancy)。 6詹氏甲烷球菌的基因组。1996年由美国基因组研究所(The Institute for Genomic Research，简称TIGR)和其他5个单位共40人联合完成了该菌的基因组全测序工作。这是完成的第一个古生菌和自养型生物的基因组序列。基因组在结构上类似于细菌。但是负责信息传递功能的基因(复制、转录和翻译)则类似于真核生物。 7质粒和转座因子都是细胞中除染色体以外的另外两类遗传因子。前者是一种独立于染色体外，能进行自主复制

10、的细胞质遗传因子，主要存在于各种微生物细胞中，是DNA重组技术的主要载体，通常以共价闭合环状(covalently closed circle，简称CCC)的超螺旋双链DNA分子存在于细胞中，但从细胞中分离的质粒大多是3种构型，即CCC型、OC型(open circular form)和L型(linear form)；后者是位于染色体或质粒上的一段能改变自身位置的DNA序列，广泛分布于原核和真核细胞中。原核生物中的转座因子有3种类型：插入顺序(insertion sequence，IS)、转座子(transposon，Tn)和某些特殊病毒(如Mu、D108)。转座因子广泛用于产生插入突变，并具

11、有生物进化上的重要意义。 8基因突变。是指一个基因内部遗传结构或DNA序列的任何改变，包括一对或少数几对碱基的缺失、插入或置换，而导致的遗传变化称为基因突变(gene mutation)，其发生变化的范围很小，所以又称点突变(point mutation)或狭义的突变。基因突变是重要的生物学现象，它是一切生物变化的根源，连同基因转移、重组一起提供了推动生物进化的遗传多变性。也是我们用来获得优良菌株的重要途径之一。 9DNA损伤的修复和基因突变有着密切的关系，当DNA的某一位置的结构发生改变(称为前突)时，并不意味着一定会产生突变，因为细胞内存在一系列的修复系统，能清除或纠正不正常的DNA分子结

12、构和损伤，从而阻止突变的发生，因此，前突可以通过DNA复制而成为真正的突变，也可以重新变为原来的结构，这取决于修复作用和其他多种因素。 10不经诱变剂处理而自然发生的突变称自发突变。有如下特性：(1)非对应性，突变的发生与环境因子无对应性。不过近年来也有人提出突变具有对应性，即定向或适应性突变的例子。(2)稀有性，突变率很低，一般在10-610-10。(3)规律性。(4)独立性。(5)遗传和回复性。(6)可诱变性。 11通过各种化学、物理和生物因子处理而获得的突变称为诱发突变。诱变只是提高突变率，并非产生新的突变。 12能使突变率提高到自发突变率水平以上的物理、化学和生物因子称为诱变剂。现已发

13、现许多化学诱变剂能够引起动物和人的癌症，因此，利用细菌突变来检测环境中存在的致癌物质是一种简便、快速、灵敏的方法。该方法是由美国加利福尼亚大学的Ames教授首先发明，因此又称Ames试验。 13细胞在DNA复制过程中会出现差错，细菌细胞具有校正和修复功能，除了DNA聚合酶的纠错功能外，还有比较复杂的修复系统，主要有：光复活作用，切除修复，重组修复，SOS修复。 14自然界的微生物可通过多种途径进行水平方向的基因转移，并通过基因的重新组合以适应随时改变的环境以求生存，这种转移不仅发生在不同的微生物细胞之间，而且也发生在微生物与高等动、植物之间，因此基因的转移和交换是普遍存在的，是生物进化的重要动

14、力之一。 151946年由Joshua Lederberg和Edward LTaturm通过使用细菌的多重营养缺陷型(避免回复突变的干扰)，进行的杂交实验证实了两菌株之间可发生遗传交换和重组。Davis的“U”型管实验证实了Lederberg等观察到的重组现象是需要细胞的直接接触的，故又称之为接合作用。但用两株具不同的多重营养缺陷型的鼠伤寒沙门氏菌进行类似的实验的时候，他们虽然又一次成功地证实了该菌中存在的重组现象，但当他们沿着发现接合作用的思路继续用“U”型管进行同样的实验时，惊奇地发现：在给体和受体细胞不接触的情况下，同样出现原养型细菌。这一“反常”的结果使他们发现了普遍性转导这一重要的基

15、因转移途径。这是一个表面看起来的常规研究却导致一个惊奇和十分重要发现的重要例证之一。 16在F+F-的接合作用中，是F因子向F-细胞转移，含F因子的宿主细胞的染色体DNA一般不被转移。杂交的结果是给体细胞和受体细胞均成为F+细胞。HfrF-杂交中，F因子的先导区结合着染色体DNA向受体细胞转移，F因子除先导区以外，其余绝大部分是处于转移染色体的末端，由于转移过程常被中断，因此F因子不易转入受体细胞中，故HfrF-杂交后的受体细胞(或接合子)仍然是F-。FF-的杂交与F+F-不同的是给体的部分染色体基因随F一起转入受体细胞，并且不需要整合就可以表达，实际上是形成一种部分二倍体，此时的受体细胞也就

16、变成了F。细胞基因的这种转移过程又常称为性导(sexduction)。 17遗传转化。根据感受态建立方式，可以分为自然遗传转化和人工转化，前者感受态的出现是细胞一定生长阶段的生理特性；后者则是通过人为诱导的方法，使细胞具有摄取DNA的能力，或人为地将DNA导入细胞内。 18自然转化的第一步是受体细胞要处于感受态，即能从周围环境中吸取DNA的一种生理状态，然后是DNA在细胞表面的结合和进入，进入细胞内的DNA分子一般以单链形式整合进染色体DNA，并获得遗传特性的表达。这一系列过程涉及到细菌染色体上10多个基因编码的功能。自然转化广泛存在于自然界，可能是自然界进行基因交换的重要途径，如图8-1所示

17、。 19人工转化是在实验室中用多种不同的技术完成的转化，包括用CaCl2处理细胞，电穿孔等。为许多不具有自然转化能力的细菌(如大肠杆菌)提供了一条获取外源DNA的途径，也是基因工程的基础技术之一。 20细菌基因转移的3种方式(接合、转导、转化)都可以用来进行作图。因用接合作用(中断杂交)作图缺乏高度的分辨力，不能用于相隔很近的基因的定位，所以完整的遗传图谱是用几种作图技术绘制的。通常是将中断杂交数据和共转导、共转化研究结合起来，后者可对十分邻近的基因进行更精确的定位。目前对大肠杆菌的染色体已定位了1 000多个基因。 21虽然我们可以从绘制的遗传图谱中获得某些信息，但大量认识还必须通过用其基因

18、组的实际的核苷酸序列来与微生物的遗传图谱进行比较而获得。主要采用一种称之为“全基因组鸟枪测序”(whole-genome shotgun sequencing)的方法来进行，简述如下：(1)用超声波将基因组随机打断成相当小的片段(大约一个基因大小或更小)，这些片段与质粒载体结合，产生质粒克隆文库。(2)制备这些克隆和提纯DNA以后，数千个细菌DNA片段被自动测序，通常是用特殊的染料标记引物。这个程序的特点是几乎基因组的所有片段都被测序几次，以增加最后结果的精确性。(3)用专门的计算机程序将已测序的DNA片段通过片段之间核苷酸序列重叠的比较，将其装配成比较长的DNA序列。如果这些序列在其末端重叠

19、(或有相同的末端)，那么两个片段连在一起形成更长的一段DNA。这种重叠比较过程导致一系列大的相邻核苷酸序列或重叠群(contig)。(4)最后，将这些重叠群按合适的顺序排队，填补两个重叠群之间可能留下的缺口(gap)，从而形成完整的基因组序列。 22酿酒酵母是以单倍体或二倍体状态存在，单倍体分别是两种接合型，称之为和a，和a细胞的融合便产生了二倍体细胞(a)。大多数酵母菌株含有一种称之为2m的质粒，这是目前研究得比较深入且具有广泛应用价值的质粒。 23在生物进化过程中，微生物形成了愈来愈完善的代谢调节机制，使细胞内复杂的生物化学反应能高度有序地进行和对外界环境条件的改变迅速作出反应。因此，处于

20、平衡生长，进行正常代谢的微生物不会有代谢产物的积累。而微生物育种的目的就是要人为地使某种代谢产物过量积累，把生物合成的代谢途径朝人们所希望的方向加以引导，或者促使细胞内发生基因的重新组合优化遗传性状，实现人为控制微生物，获得我们所需要的高产、优质和低耗的菌种。为了实现这一目的必须设法解除或突破微生物的代谢调节控制，进行优良性状的组合，或者利用基因工程的方法人为改造或构建我们所需要的菌株。 24虽然微生物可产生大量十分有价值的产物，但是它们完善的调节机制限制细胞只产生够它们自身需要的少量产物，它们是十分“节约”的。微生物学家必须设法使它们变成“浪费型”，才能从它们那儿得到我们所需要的代谢产物。长

21、期实践的结果表明，通过选育各种突变株是达到这一目的的重要策略。包括营养缺陷型突变株，抗阻遏和抗反馈突变型，抗性突变型等。 25体内基因重组是指重组过程发生在细胞内。体内基因重组育种是指采用接合、转化、转导和原生质体融合等遗传学方法和技术使微生物细胞内发生基因重组，以增加优良性状的组合，或者导致多倍体的出现，从而获得优良菌株的一种育种方法。三、术语或名词 1基因组(genome) 指存在于细胞或病毒中的所有基因。由于现在发现许多非编码序列具有重要的功能，因此，目前基因组的含义实际上是指细胞中基因以及非基因的DNA序列组成的总称，包括编码蛋白质的结构基因、调控序列以及目前功能还尚不清楚的DNA序列

22、。 2拟核(nucliod) 大肠杆菌基因组为双链环状的DNA分子，在细胞中以紧密缠绕成的较致密的不规则小体形式存在于细胞中，该小体称为拟核。 3遗传丰余(genetic redundancy) 酵母基因组全序列测定完成后，在其基因组上还发现了许多较高同源性的DNA重复序列，称之为遗传丰余。 4质粒(plsmid) 细胞中除染色体以外的一类遗传因子，一种独立于染色体外，能进行自主复制的细胞质遗传因子，主要存在于各种微生物细胞中。 5转座因子(transposable element) 也是细胞中除染色体以外的一类遗传因子，位于染色体或质粒上的一段能改变自身位置的DNA序列，广泛分布于原核和真核

23、细胞中。 6质粒的不亲和性(incompatibility) 如果将一种类型的质粒通过接合或其他方式(如转化)导入某一合适的但已含另一种质粒的宿主细胞，只经少数几代后，大多数子细胞只含有其中一种质粒，那么这两种质粒便是不亲和的(incompatible)，它们不能共存于同一细胞中。质粒的这种特性称为不亲和性(incompatibility)。 7消除(curing) 所谓消除是指细胞中由于质粒的复制受到抑制而染色体的复制并未明显受到影响，细胞可继续分裂的情况下发生的质粒丢失。质粒消除可自发产生，也可通过人工处理提高消除率。 8插入突变(insertion mutation) 当各种IS、Tn等

24、转座因子插入到某一基因中后，此基因的功能丧失，发生的突变。 9基因突变(gene mutation) 一个基因内部遗传结构或DNA序列的任何改变，包括一对或少数几对碱基的缺失、插入或置换，而导致的遗传变化称为基因突变(gene mutation)，其发生变化的范围很小，所以又称点突变(point mutation)或狭义的突变 10同义突变(same-sense mutation) 这是指某个碱基的变化没有改变产物氨基酸序列的密码子变化，显然，这是与密码子的简并性相关的。 11错义突变(mis-sense mutation) 是指碱基序列的改变引起了产物氨基酸的改变。有些错义突变严重影响到蛋白

25、质活性甚至使之完全无活性，从而影响了表型。如果该基因是必需基因，则该突变为致死突变(lethal mutation)。 12无义突变(nonsense mutation)是指某个碱基的改变，使代表某种氨基酸的密码子变为蛋白质合成的终止密码子(UAA，UAG，UGA)。蛋白质的合成提前终止，产生截短的蛋白质。 13移码突变(frameshift mutation) 由于DNA序列中发生12个核苷酸的缺失式插入，使翻译的阅读框发生改变，从而导致从改变位置以后的氨基序列的完全变化。 14表型(phenotype) 是指可观察或可检测到的个体性状或特征，是特定的基因型在一定环境条件下的表现。 15基因

26、型(genotype) 是指贮存在遗传物质中的信息，也就是它的DNA碱基顺序。上述4种类型的突变，除了同义突变外，其他3种类型都可能导致表型的变化。 16营养缺陷型(auxotroph) 一种缺乏合成其生存所必须的营养物的突变型，只有从周围环境或培养基中获得这些营养或其前体物(precursor)才能生长。 17抗药性突变型(resistant mutant) 由于基因突变使菌株对某种或某几种药物，特别是抗生素，产生抗性的一种突变，普遍存在于各类细菌中，也是用来筛选重组子和进行其他遗传学研究的重要正选择标记。这类突变类型常用所抗药物的前3个小写斜体英文字母加上“r”表示。 18条件致死突变型(

27、conditional lethal mutant) 是指在某一条件下具有致死效应，而在另一条件下没有致死效应的突变型。这类突变型常被用来分离生长繁殖必需的突变基因。因为这类基因一旦发生突变是致死的(例如，为DNA复制所必需的基因)，因而也就不可能得到这些基因的突变。 19形态突变型(morphological mutant) 是指造成形态改变的突变型，包括影响细胞和菌落形态、颜色以及影响噬菌体的噬菌斑形态的突变型。 20自发突变(spontaneous mutation)和诱发突变(induced mutation) 不经诱变剂处理而自然发生的突变称自发突变，其突变的频率是很低的，一般为10

28、-610-10。许多化学、物理和生物因子能够提高其突变频率，将这些能使突变率提高到自发突变水平以上的物理、化学和生物因子称为诱变剂(mutagen)。所谓诱发突变并非是用诱变剂产生新的突变，而是通过不同的方式提高突变率。 21Ames试验 现已发现许多化学诱变剂能够引起动物和人的癌症，因此，利用细菌突变来检测环境中存在的致癌物质是一种简便、快速、灵敏的方法。该方法是由美国加利福尼亚大学的Ames教授首先发明，故又称Ames试验。 22回复突变(reverse mutation或back mutation) 指突变体失去的野生型性状，可以通过第二次突变得到恢复，这种第二次突变称为回复突变。 23

29、光复活作用(photoreactivation) 光解酶在黑暗中专一地识别嘧啶二聚体并与之结合，形成酶一DNA复合物，当给予光照时，酶利用光能将二聚体拆开，恢复原状，使DNA损伤得到修复。 24切除修复(excision repair) 又称暗修复。是细胞内的主要修复系统，通过UvrA、B、C、D4种蛋白质的联合作用切除DNA损伤，留下的单链缺口由DNA聚合酶和连接酶修复。 25重组修复(recombination repair) 这是一种越过损伤而进行的修复。是通过复制后，经染色体交换，使子链上的空隙部位面对正常的单链，再通过DNA聚合酶和连接酶修复空隙部分。 26SOS修复(SOS rep

30、air)DNA受到广泛损伤时发生的复杂诱导型应急修复过程。 27接合作用(conjugation) 是指通过细胞与细胞的直接接触而产生的遗传信息的转移和重组过程。 28转导(transduction) 是由病毒介导的细胞问进行遗传交换_的一种方式。其具体含义是指一个细胞的DNA或RNA通过病毒载体的感染转移到另一个细胞中。 29普遍性转导(generalized transduction) 噬菌体可以转导给体染色体的任何部分到受体细胞中。 30局限性转导(specialized transduction) 噬菌体总是携带同样的片段到受体细胞中。 31遗传转化(genetic transform

31、ation) 是指同源或异源的游离DNA分子(质粒和染色体DNA)被自然或人工感受态细胞摄取，并得到表达的水平方向的基因转移过程。 32感受态(competence) 能从周围环境中吸取DNA的一种生理状态。 33中断杂交(interrupted mating)技术 此技术的基本要点是把接合中的细菌在不同时间取样，并把样品猛烈搅拌以分散接合中的细菌，然后分析受体细菌基因型，以时间(分钟)为单位绘制遗传图谱。 34酵母菌的2m质粒(2m plasmid) 是封闭环状的双链DNA分子，周长约2m(6 kb左右)，是酵母菌中进行分子克隆和基因工程的重要载体，因此，以它为基础进行改建的克隆和表达载体已

32、得到广泛的应用。 35准性生殖(parasexual reproduction) 是指不经过减数分裂就能导致基因重组的生殖过程。在该过程中染色体的交换和染色体的减少不像有性生殖那样有规律，而且也是不协调的。 36诱变育种(mutation breeding) 是指利用各种诱变剂处理微生物细胞，提高基因的随机突变频率，通过一定的筛选方法(或特定的筛子)获得所需要的高产优质菌株。 37抗阻遏和抗反馈突变型(repression resistant and feedback resistant mutants) 突变型都是由于代谢失调所造成的，它们都有共同的表型，即在细胞中已经有大量最终代谢产物时仍然继续不断地合成这一产物。只是前者为调节基因发生了突变；后者是由于变构酶基因发生了突变。 38原生质体融合(protoplast fusion) 是将遗传性状不同的两种菌(包括种间、种内及属间)融合为一个新细胞的技术。主要包括原生质体的制备、原生质体的融合、原生质体再生