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第八章第八章 微生物遗传学微生物遗传学(1)微生物遗传专题知识讲座第1页遗传（遗传（heredity）:上一代生物将本身一整套遗传基因稳定地传上一代生物将本身一整套遗传基因稳定地传递给下一代特征递给下一代特征。变异（变异（variation）：生物体在某种外因或内因作用下，发生遗传生物体在某种外因或内因作用下，发生遗传物质结构或数量改变，而且这种改变稳定，物质结构或数量改变，而且这种改变稳定，含有可遗传性含有可遗传性。引言引言1.遗传与变异遗传与变异遗传确保了微生物种相对稳定性、种存在和延续，遗传确保了微生物种相对稳定性、种存在和延续，而变异则推进了种进化和发展。而变异则推进了种进化和发展。微生物遗传专题知识讲座第2页2.遗传型和表型遗传型和表型遗传型（遗传型（genotype）表型表型(phenotype)某一生物体个体所含有全部遗传因子，某一生物体个体所含有全部遗传因子，即基因总和即基因总和，又称为基因型。又称为基因型。某一生物体所含有一切外表特征及内在特某一生物体所含有一切外表特征及内在特征总和征总和。表型实现是由生物体表型实现是由生物体遗传型遗传型和和环境条件环境条件共同共同作用结果。作用结果。微生物遗传专题知识讲座第3页饰变饰变（modification）表型差异只与环境相关。不包括遗传物质结构改变而只发生在表型差异只与环境相关。不包括遗传物质结构改变而只发生在转录、转译水平上表型改变。转录、转译水平上表型改变。谷氨酸发酵温度敏感菌株在30时菌体生长而不产生氨基酸，不过当温度提升到37时，菌体大量合成谷氨酸。变异变异 遗传物质改变，造成表型改变遗传物质改变，造成表型改变 3.饰变与变异饰变与变异（遗传型变异（遗传型变异,基因突变）基因突变）特点：特点：遗传性、群体中极少数个体行为遗传性、群体中极少数个体行为 （自发突变频率通常为（自发突变频率通常为1010-6-6-10-10-9-9）特点：特点：暂时性、不可遗传性、表现为全部个体行为。暂时性、不可遗传性、表现为全部个体行为。微生物遗传专题知识讲座第4页微生物是遗传学研究中明星微生物是遗传学研究中明星:微生物细胞结构简单，营养体普通为单倍体，方便建立纯系。微生物细胞结构简单，营养体普通为单倍体，方便建立纯系。很多常见微生物都易于人工培养，快速、大量生长繁殖很多常见微生物都易于人工培养，快速、大量生长繁殖。对环境原因作用敏感，易于取得各类突变株，操作性强。对环境原因作用敏感，易于取得各类突变株，操作性强。微生物遗传专题知识讲座第5页第一节第一节 遗传变异物质基础遗传变异物质基础一、证实核酸是遗传物质基础三个经典试验一、证实核酸是遗传物质基础三个经典试验二、遗传物质在细胞内存在部位和方式二、遗传物质在细胞内存在部位和方式微生物遗传专题知识讲座第6页1.经典转化试验经典转化试验:证实证实DNA是遗传变异物质基础。是遗传变异物质基础。Avery在四十年代以更精密试验设计重复了以上试验分别用S型菌中提取DNA、RNA和蛋白质转化R型菌且DNA被酶降解破坏抽提物无转化活性DNA是转化所必需转化因子一、三个经典试验一、三个经典试验微生物遗传专题知识讲座第7页T2噬菌体感染试验噬菌体感染试验2.噬菌体感染试验（噬菌体感染试验（1952年，A.D.Hershey 和 M.Chase）微生物遗传专题知识讲座第8页3.植物病毒重建试验证实杂种病毒蛋白质外壳来自TMV还是HRV,可用血清学反应判定证实核酸（证实核酸（RNA）是遗传物质基础是遗传物质基础血清学反应说明病毒蛋白质特征由核酸而定H.Fraenkel-Conrat(1956年)病斑特征和病毒核酸一致微生物遗传专题知识讲座第9页二、遗传物质在细胞内存在部位和方式二、遗传物质在细胞内存在部位和方式（一）七个水平（一）七个水平细胞水平细胞水平（单核，多核）（单核，多核）细胞核水平细胞核水平（真核，拟核）（真核，拟核）染色体水平染色体水平核酸水平核酸水平（DNA，部分病毒为部分病毒为RNA；双链，少数病毒为单链）双链，少数病毒为单链）基因水平基因水平（遗传功效单位）（遗传功效单位）密码子水平密码子水平（遗传信息单位）（遗传信息单位）核苷酸水平核苷酸水平（最低突变单位和交换单位）（最低突变单位和交换单位）（一套，两套（一套，两套,核外染色体）核外染色体）微生物遗传专题知识讲座第10页基因（基因（gene）是什么是什么?是实体，其物质基础是是实体，其物质基础是DNA（或（或RNA）；）；是一个含有特定遗传信息是一个含有特定遗传信息DNA分子区段；分子区段；是遗传信息传递和性状分化发育依据；是遗传信息传递和性状分化发育依据；基因是可分，依据功效不一样，分为：基因是可分，依据功效不一样，分为：编码蛋白质基因编码蛋白质基因 结构基因（结构蛋白，酶）结构基因（结构蛋白，酶）调整基因（阻遏蛋白或激活蛋白）调整基因（阻遏蛋白或激活蛋白）无翻译产物基因无翻译产物基因 tRNA基因（简称基因（简称 tDNA）rRNA基因（简称基因（简称rDNA）不转录不转录DNA区段区段 开启子（开启子（promotor）操纵基因（操纵基因（operator）基因是一个含有特定遗传信息核苷酸序列，它是基因是一个含有特定遗传信息核苷酸序列，它是遗传功效单位。遗传功效单位。微生物遗传专题知识讲座第11页第二节第二节 质粒质粒P196质粒（质粒（plasmid）一个独立于染色体外，能进行自主复制细胞质遗传因子，一个独立于染色体外，能进行自主复制细胞质遗传因子，主要存在于各种微生物细胞中。主要存在于各种微生物细胞中。附加体附加体(episome)指哪些既能够指哪些既能够整合到核染色体上，作为染色体一部分而进整合到核染色体上，作为染色体一部分而进行复制，又能够再游离出来或携带一些寄主染色体基因游离出行复制，又能够再游离出来或携带一些寄主染色体基因游离出来，这类质粒被称为附加体。来，这类质粒被称为附加体。微生物遗传专题知识讲座第12页1、质粒分子结构、质粒分子结构(1)结构结构通常以共价闭合环状(covalently closed circle，简称CCC)超螺旋双链DNA分子存在于细胞中；也发觉有线型双链DNA质粒和RNA质粒；质粒分子大小范围从1kb左右到1000kb；（细菌质粒多在10kb以内）微生物遗传专题知识讲座第13页2.质粒分离质粒分离碱提取法：碱提取法：菌体培养和搜集：菌体培养和搜集：普通采取丰富培养基对菌体进行培养，当细胞普通采取丰富培养基对菌体进行培养，当细胞生长到生长到指数期后期指数期后期时，离心搜集细胞。时，离心搜集细胞。溶菌：溶菌：普通用溶菌酶去壁以形成原生质体或原生质球。普通用溶菌酶去壁以形成原生质体或原生质球。碱变性处理：碱变性处理：在在SDS等表面活性剂存在下加等表面活性剂存在下加NaOH液使液使pH升至升至12.4，可使菌体蛋白质、染色体，可使菌体蛋白质、染色体DNA以及质粒以及质粒DNA变性。变性。质粒复性：质粒复性：加入加入pH4.8KAc-HAc缓冲液，将提取液调至中性缓冲液，将提取液调至中性，因为，因为质粒分子量小而轻易复性，并稳定存在于溶液中；染色体质粒分子量小而轻易复性，并稳定存在于溶液中；染色体DNA分子量分子量太大，在复性过程中形成太大，在复性过程中形成DNA之间交联造成其形成更大分子不溶性物之间交联造成其形成更大分子不溶性物质。质。离心分离：离心分离：经高速离心能够使细胞碎片和已变性菌体蛋白及染色经高速离心能够使细胞碎片和已变性菌体蛋白及染色体体DNA一起沉淀，上清液中主要是质粒一起沉淀，上清液中主要是质粒DNA，经乙醇沉淀后，可取得经乙醇沉淀后，可取得质粒质粒DNA。微生物遗传专题知识讲座第14页（参见（参见 P197）3.质粒检测质粒检测t 提取全部胞内提取全部胞内DNA后电镜观察；后电镜观察；t 氯化铯-溴化乙啶密度梯度超速离心；超速离心；t 对于试验室惯用菌，可用质粒所带一些特点，对于试验室惯用菌，可用质粒所带一些特点，如抗药性初步判断。如抗药性初步判断。对于因为三种构型同时存在时造成多带现象（提取质粒时造成对于因为三种构型同时存在时造成多带现象（提取质粒时造成或自然存在），能够进行特异性单酶切，使其成为一条带。或自然存在），能够进行特异性单酶切，使其成为一条带。t 琼脂糖凝胶电泳后观察；琼脂糖凝胶电泳后观察；微生物遗传专题知识讲座第15页4.质粒特征质粒特征(1)位于核基因组外；位于核基因组外；(3)自主复制；自主复制；(2)cccDNA链霉菌和酵母菌中发觉了线状链霉菌和酵母菌中发觉了线状dsDNA质粒和质粒和RNA质粒质粒(4)有质粒可整合到核染色体上；有质粒可整合到核染色体上；(5)可重组（质粒与质粒间，质粒与染色体间）；可重组（质粒与质粒间，质粒与染色体间）；(6)人为消除（丫叮类，人为消除（丫叮类，UV，电离辐射，利福平等）电离辐射，利福平等）(7)有质粒可在细胞间转移（有质粒可在细胞间转移（F因子，因子，R因子）因子）质粒所含基因对宿主细胞普通是非必需；质粒所含基因对宿主细胞普通是非必需；有时能赋予宿主细胞以特殊机能，从而使宿主得到生长优势有时能赋予宿主细胞以特殊机能，从而使宿主得到生长优势微生物遗传专题知识讲座第16页5、质粒主要类型、质粒主要类型依据质粒所依据质粒所编码功效编码功效和赋予宿主和赋予宿主表型效应表型效应分类分类:致育因子致育因子（Fertility factor，F因子）因子）抗性质粒抗性质粒（Resistance factor，R因子）因子）产细菌素质粒产细菌素质粒（Bacteriocin production plasmid）毒性质粒毒性质粒（virulence plasmid）代谢质粒代谢质粒（Metabolic plasmid）隐秘质粒隐秘质粒（cryptic plasmid）2m质粒质粒微生物遗传专题知识讲座第17页（参见（参见 P197）(1)致育因子致育因子(Fertility factor，F因子因子)又称F质粒，其大小约100kb，这是最早发觉一个与大肠杆菌有性生殖现象（接合作用）相关质粒。携带F质粒菌株称为F+菌株（相当于雄性），无F质粒菌株称为F-菌株（相当于雌性）。F因子能以游离状态因子能以游离状态(F+)和和以与染色体相结合状态以与染色体相结合状态(Hfr)存在于细胞中，所以存在于细胞中，所以又称之为又称之为附加体附加体(episome)。在志贺氏菌属（在志贺氏菌属（Shigella）、沙门氏菌属（）、沙门氏菌属（Salmonella）和链）和链球菌属（球菌属（Streptococcus）等其它细菌中也发觉了与大肠杆菌）等其它细菌中也发觉了与大肠杆菌类似致育因子。类似致育因子。在放线菌中，天蓝色链霉菌含有在放线菌中，天蓝色链霉菌含有SCP1和和SCP2两种致育质粒，两种致育质粒，这两种质粒在天蓝色链霉菌接合过程中起主要作用，带动染这两种质粒在天蓝色链霉菌接合过程中起主要作用，带动染色体从供体细胞向受体细胞转移。色体从供体细胞向受体细胞转移。微生物遗传专题知识讲座第18页（参见（参见 P197）(2)抗性因子（抗性因子（Resistance factor，R因子）因子）包含抗药性和抗重金属二大类，简称R质粒。R100质粒质粒(89kb)可使宿主对可使宿主对以下药品及重金属含有抗性：以下药品及重金属含有抗性：汞（汞（mercuric ion，mer）四环素（四环素（tetracycline，tet）链霉素链霉素(Streptomycin,str)、磺胺磺胺(Sulfonamide,sul)、氯霉素氯霉素(Chlorampenicol,cml)夫西地酸（夫西地酸（fusidic acid，fus）负责这些抗性基因是成簇地负责这些抗性基因是成簇地存在于抗性质粒上存在于抗性质粒上。抗性质粒在细菌间传递是细菌抗性质粒在细菌间传递是细菌产生抗药性主要原因之一。产生抗药性主要原因之一。微生物遗传专题知识讲座第19页(3)Col 质粒：产细菌素质粒质粒：产细菌素质粒（Bacteriocin production plasmid）细菌素结构基因、包括细菌素运输及发挥作用（processing）蛋白质基因、赋予宿主对该细菌素含有“免疫力”相关产物基因普通都位于质粒或转座子上，所以，细菌素能够杀死同种但不携带该质粒菌株。细菌素：细菌素：许多细菌都能产生一些代谢产物，抑制或杀死其它近缘细菌许多细菌都能产生一些代谢产物，抑制或杀死其它近缘细菌或同种不一样菌株，因为这些代谢产物是由质粒编码蛋白质，不象抗或同种不一样菌株，因为这些代谢产物是由质粒编码蛋白质，不象抗生素那样含有很广杀菌谱，所以称为细菌素（生素那样含有很广杀菌谱，所以称为细菌素（bacteriiocin）微生物遗传专题知识讲座第20页细菌素种类很多细菌素种类很多,普通依据产生菌种类进行命名：普通依据产生菌种类进行命名：大肠杆菌（大肠杆菌（E.coli）产生细菌素为产生细菌素为colicins（大肠杆菌素）大肠杆菌素），而质粒被称为而质粒被称为Col质粒。另外还有枯草杆菌素、乳酸菌素、根质粒。另外还有枯草杆菌素、乳酸菌素、根瘤菌素等。瘤菌素等。由G+细菌产生细菌素或与细菌素类似因子与colicins有所不一样，但通常也是由质粒基因编码，有些甚至有商业价值，比如一个乳酸细菌产生细菌素NisinA能强烈抑制一些G+细菌生长，而被用于食品工业保藏。大肠杆菌素是产自大肠杆菌一个蛋白质，含有专一性地杀死其大肠杆菌素是产自大肠杆菌一个蛋白质，含有专一性地杀死其亲缘关系很近、不具亲缘关系很近、不具Col质粒其它肠道细菌功效。质粒其它肠道细菌功效。微生物遗传专题知识讲座第21页(4)毒性质粒（毒性质粒（virulence plasmid）许多致病菌致病性是由其所携带质粒引发，这些质粒含有编码毒素基因，其产物对宿主（动物、植物）造成伤害。产毒素大肠杆菌是引发人类和动物腹泻主要病原菌之一，其中许多菌株含有为一个或各种肠毒素编码质粒。苏云金杆菌含有编码内毒素(伴孢晶体中)质粒根癌土壤杆菌所含Ti质粒是引发双子叶植物冠瘿瘤致病因子微生物遗传专题知识讲座第22页(5)代谢质粒（代谢质粒（Metabolic plasmid）质粒上携带有有利于微生物生存基因，如能降解一些基质质粒上携带有有利于微生物生存基因，如能降解一些基质酶，进行共生固氮，或产生抗生素（一些放线菌）等。酶，进行共生固氮，或产生抗生素（一些放线菌）等。将复杂有机化合物降解成能被其作为碳源和能源利用简单形式将复杂有机化合物降解成能被其作为碳源和能源利用简单形式，环境保护方面含有主要意义。环境保护方面含有主要意义。假单胞菌：假单胞菌：含有降解一些有毒化合物，如芳香簇化合物含有降解一些有毒化合物，如芳香簇化合物(苯苯)、农药、农药(2,4dichlorophenoxyacetic acid)、辛烷和樟脑等能力。辛烷和樟脑等能力。降解质粒降解质粒TOL质粒：含分解甲苯基因；质粒：含分解甲苯基因；CAM-OCT质粒：含分解樟脑辛烷基因质粒：含分解樟脑辛烷基因微生物遗传专题知识讲座第23页(6)隐秘质粒（隐秘质粒（cryptic plasmid）它们存在生物学意义，当前几乎不了解。在应用上，很多隐秘质粒被加以改造作为基因工程载体在应用上，很多隐秘质粒被加以改造作为基因工程载体（普通加上抗性基因）（普通加上抗性基因）隐秘质粒不显示任何表型效应，它们存在只有经过物理隐秘质粒不显示任何表型效应，它们存在只有经过物理方法，比如用凝胶电泳检测细胞抽提液等方法才能发觉。方法，比如用凝胶电泳检测细胞抽提液等方法才能发觉。微生物遗传专题知识讲座第24页(7)2m质粒质粒 大多数酵母菌含有一个称为大多数酵母菌含有一个称为2m质粒质粒,属隐秘质粒属隐秘质粒 -长为长为2 m6kb环状双链环状双链DNA分子分子 -位于酵母细胞核内，位于酵母细胞核内，50100拷贝拷贝 -只携带与复制和重组相关只携带与复制和重组相关4 个基因，无遗传表型个基因，无遗传表型 -质粒上有两个质粒上有两个600bp长长IR，被一个，被一个2.7kb区域和一个区域和一个2.3kb 小区域所间隔小区域所间隔 -两个两个IR上都有一个专一重组位点上都有一个专一重组位点(FRT)，经过重组，可使质，经过重组，可使质 粒互变异组成粒互变异组成A型和型和B型。型。意义：意义：2m质粒是酵母菌中进行分子克隆和基因工程主要载体，所以以质粒是酵母菌中进行分子克隆和基因工程主要载体，所以以它为基础构建克隆和表示载体已得到广泛应用。另首先，该质粒它为基础构建克隆和表示载体已得到广泛应用。另首先，该质粒也是研究真核基因调控和染色体复制一个十分有用模型也是研究真核基因调控和染色体复制一个十分有用模型 微生物遗传专题知识讲座第25页依据拷贝数或复制特点，质粒可分为：依据拷贝数或复制特点，质粒可分为：高拷贝数高拷贝数(high copy number)质粒质粒（每个细胞中能够有10100个拷贝,其复制和染色体复制不一样时）如ColE1、ColE2等 松弛型质粒松弛型质粒(relaxed plasmid)低拷贝数低拷贝数(low copy number)质粒质粒（每个细胞中只有12个拷贝,其复制行为与染色体复制同时）如F因子，R100 严谨型质粒严谨型质粒(stringent plasmid)窄宿主范围质粒窄宿主范围质粒(narrow host range plasmid)（只能在一个特定宿主细胞中复制）（只能在一个特定宿主细胞中复制）广宿主范围质粒广宿主范围质粒(broad host range plasmid)（能够在许各种细菌中复制）微生物遗传专题知识讲座第26页第三节第三节 基因突变规律及类型基因突变规律及类型微生物遗传专题知识讲座第27页野生型野生型:-从自然界分离到菌株普通称野生型菌株（从自然界分离到菌株普通称野生型菌株（wild type strain），简称野生型。），简称野生型。突变株突变株:-野生型经突变后形成带有新性状菌株，称为野生型经突变后形成带有新性状菌株，称为突变株（突变株（mutant）。）。微生物遗传专题知识讲座第28页一、突变（一、突变（mutation）突变指细胞内遗传物质分子结构或数量发生改变现象。包含基突变指细胞内遗传物质分子结构或数量发生改变现象。包含基因突变（又称点突变）和染色体畸变。因突变（又称点突变）和染色体畸变。基因突变基因突变（gene mutation）:是指一个基因内部遗传结构或DNA序列任何改变，包括一对或少数几对碱基置换、缺失或插入，因其发生范围很小，所以又称点突变（point mutation）。染色体畸变染色体畸变（chromosomal aberration）:是指染色体较大范围内结构改变，如缺失、重复、倒位、易位等以及染色体数目标改变。微生物遗传专题知识讲座第29页同种碱基置换同种碱基置换不一样种碱基置换不一样种碱基置换只包括只包括1对碱基对碱基被另被另1对对碱基所碱基所置换置换1个或少数几个碱基正确插个或少数几个碱基正确插入或缺失，使该部位后面遗入或缺失，使该部位后面遗传密码阅读框架发生改变，传密码阅读框架发生改变，并深入引发转录和转译错误并深入引发转录和转译错误突变。突变。遗传物质在染色体水遗传物质在染色体水平发生较大范围改变平发生较大范围改变DNA分分子中子中1对或少对或少数几对数几对碱基突碱基突变变微生物遗传专题知识讲座第30页微生物遗传学几个基本概念核酸是遗传物质基础三个经典试验原理质粒、质粒分离及质粒分类举例基因及其突变基本定义微生物遗传专题知识讲座第31页二、基因突变特点（规律）二、基因突变特点（规律）（参见 P199）自发性自发性菌种衰退根本原因不对应性不对应性突变性状与突变原因无关系稀有性稀有性自发突变几率低（10-610-10）突变率：突变率：每一个细胞在每一世代中发生某一性状突变几率。每一个细胞在每一世代中发生某一性状突变几率。（某一单位群体在每一世代中产生突变株数目）（某一单位群体在每一世代中产生突变株数目）独立性独立性某基因突变率不受它种基因突变率影响可诱变性可诱变性自发突变频率可因诱变剂影响而提升（10-310-6）稳定性稳定性基因突变后新性状是稳定可逆性可逆性野生型菌株某一性状可发生正向突变，也可发生反向回复突变。微生物遗传专题知识讲座第32页证实突变性状与引发突变原因间无直接对应关系！证实突变性状与引发突变原因间无直接对应关系！怎样证实基因突变非对应性？怎样证实基因突变非对应性？三个经典试验三个经典试验:1.变量试验、2.涂布试验、3.影印试验三、基因突变自发性和不对应性试验证实三、基因突变自发性和不对应性试验证实微生物遗传专题知识讲座第33页1）变量试验（）变量试验（fluctuation analysis）Salvador Luria&Max Delbruck(1943)对噬菌体对噬菌体T1敏感敏感E.coli 对数期培养物，对数期培养物，稀释至稀释至103/mL,分装两试管，各分装两试管，各10 mL 与甲管分装各小管同与甲管分装各小管同时保温时保温2436h甲管 乙管 微生物遗传专题知识讲座第34页2）Newcombe涂布试验（涂布试验（1949）在涂布过一组中，共在涂布过一组中，共长出抗性菌落长出抗性菌落353个，个，比未经涂布过（比未经涂布过（28个个菌落）高得多菌落）高得多约繁殖了约繁殖了12.3代代选取对选取对T1 噬菌体敏感噬菌体敏感E.coli，以相等数目涂布于以相等数目涂布于12个个平板上平板上微生物遗传专题知识讲座第35页3）影印试验（）影印试验（replica plating）Joshua Lederberg and Esther Lederberg（1952）经过使菌不接触抗性环境而检验其抗性菌落方法微生物遗传专题知识讲座第36页 营养缺点型营养缺点型 抗性突变型抗性突变型 条件致死突变型条件致死突变型 形态突变型形态突变型 抗原突变型抗原突变型 产量突变型产量突变型下面介绍几个惯用突变型及其分离1.1.按照突变表型分类：按照突变表型分类：选择性突变株选择性突变株（能在选择性培养基上或其它（能在选择性培养基上或其它选择性条件下快速选出或判别出）选择性条件下快速选出或判别出）非选择性突变株非选择性突变株四、四、基因突变基因突变类型类型微生物遗传专题知识讲座第37页（1）营养缺点型（）营养缺点型（auxotroph）一个缺乏合成其生存所必须营养物（包含氨基酸、维生素一个缺乏合成其生存所必须营养物（包含氨基酸、维生素、碱基等）突变型，只有从周围环境或培养基中取得这些、碱基等）突变型，只有从周围环境或培养基中取得这些营养或其前体物（营养或其前体物（precursor）才能生长。才能生长。营养缺点型是微生物遗传学研究中主要选择标识和育种主要伎俩表型判断标准：表型判断标准：在在基本培养基基本培养基上能否生长上能否生长微生物遗传专题知识讲座第38页特点：特点：在选择培养基（普通为基本培养基）上不生长负选择标识负选择标识突变株不能经过选择平板直接取得微生物遗传专题知识讲座第39页营养缺点型表示方法：营养缺点型表示方法：基因型：基因型：所需营养物前三个英文小写斜体字母小写斜体字母表示：hisC（组氨酸缺点型，其中大写字母C同一表型中不一样基因突变）表型：表型：同上，但第一个字母大写，且不用斜体：第一个字母大写，且不用斜体：HisC在详细使用时多用hisC-和hisC+，分别表示缺点型和野生型。微生物遗传专题知识讲座第40页（2）抗药性突变型（）抗药性突变型（resistant mutant）基因突变使菌株对某种或某几个药品，尤其是抗生素，产生抗性。基因突变使菌株对某种或某几个药品，尤其是抗生素，产生抗性。特点：特点：正选择标识正选择标识（突变株可直接从抗性平板上取得（突变株可直接从抗性平板上取得-在加有对应抗生素平板上，只有抗性突变能生长。所以很轻易分离得到。）表示方法：表示方法：所抗药品前三个小写斜体英文字母加上所抗药品前三个小写斜体英文字母加上“r”表示表示strr 和 strs 分别表示对链霉素抗性和敏感性微生物遗传专题知识讲座第41页（3）条件致死突变型（）条件致死突变型（conditional lethal mutant）203 在某一条件下含有致死效应，而在另一条件下没有致死在某一条件下含有致死效应，而在另一条件下没有致死效应突变型。效应突变型。惯用条件致死突变是温度敏感突变温度敏感突变，用ts（temperaturesensitive）表示，这类突变在高温下（如42）是致死，但能够在低温（如25-30）下得到这种突变。特点：特点：负选择标识负选择标识这类突变型常被用来分离生长繁殖必需突变基因微生物遗传专题知识讲座第42页（4）形态突变型（）形态突变型（morphological mutant）造成形态改变突变型造成形态改变突变型特点：特点：非选择性突变非选择性突变突变株和野生型菌株均可生长，但可从形态特征上进行区分。举例：产蛋白酶缺点突变株筛选菌落颜色改变半乳糖苷酶基因插入失活，使重组子菌落为白色而与兰色非重组子分开。形成芽孢缺点菌株微生物遗传专题知识讲座第43页（5）抗原突变型）抗原突变型指指因因为为基基因因突突变变引引发发细细胞胞抗抗原原结结构构发发生生变变异异类类型型，包包含含细细胞胞壁壁缺缺点点变变异异、荚荚膜膜或或鞭鞭毛毛成成份变异等。份变异等。微生物遗传专题知识讲座第44页（6）产量突变型）产量突变型经经过过基基因因突突变变而而引引发发目目标标代代谢谢产产物物产产量量发发生生改改变变变变异异菌菌株株，其其在在产产量量上上高高于于或或低低于于原原始始出出发发菌菌株株。假假如如产产量量提提升升突突变变株株，被被称称为为“正正突突变变”（plus-mutant），也也称称为为“高高产产突突变变株株”(high producing mutant)；假假如如产产量量低低于于出出发发菌菌株株突突变变株株，则则称称为为“负负突突变变”（minus-mutant）。）。微生物遗传专题知识讲座第45页2.2.按照突变所引发遗传信息改变情况可分为三种：按照突变所引发遗传信息改变情况可分为三种：同义突变同义突变表型不发生改变（密码子是简并,如CGU变成CGC，但都编码精氨酸）；错义突变错义突变改变密码子编码氨基酸改变了；无意义突变无意义突变终止密码子（UAA,UAG,UGA）微生物遗传专题知识讲座第46页其它突变类型其它突变类型 毒力、生产某种代谢产物发酵能力改变等在实际应用毒力、生产某种代谢产物发酵能力改变等在实际应用中含有主要意义突变类型中含有主要意义突变类型,普通都不含有很显著或可直接检测普通都不含有很显著或可直接检测到表型。其突变株取得往往需要较大工作量。到表型。其突变株取得往往需要较大工作量。微生物遗传专题知识讲座第47页第四节 基因突变机制微生物遗传专题知识讲座第48页一、一、基因突变基因突变分子基础分子基础(一一)自发突变自发突变 (二二)诱发突变诱发突变引发自发突变原因主要有以下几方面：引发自发突变原因主要有以下几方面：背景辐射和环境原因引发；背景辐射和环境原因引发；有害代谢产物引发；有害代谢产物引发；互变异构效应引发碱基配对错误；互变异构效应引发碱基配对错误；DNA复制过程中碱基配对错误复制过程中碱基配对错误；转座因子作用。转座因子作用。经过人为方法，利用物理、化学或生物原经过人为方法，利用物理、化学或生物原因显著提升自发突变频率伎俩因显著提升自发突变频率伎俩。生物体在无人工干预下自然发生低频率突变（10-6-10-9）。它是生物进化根源。微生物遗传专题知识讲座第49页(二二)、诱发突变、诱发突变诱变剂（诱变剂（mutagen）：）：凡能提升基因突变频率原因统称为诱变剂凡能提升基因突变频率原因统称为诱变剂诱变剂种类诱变剂种类物理诱变剂物理诱变剂化学诱变剂化学诱变剂生物诱变剂生物诱变剂碱基类似物诱变剂；碱基类似物诱变剂；与碱基起化学反应诱变剂；与碱基起化学反应诱变剂；嵌入诱变剂；嵌入诱变剂；：辐射和热：辐射和热：转座因子：转座因子微生物遗传专题知识讲座第50页(1)碱基类似物碱基类似物-间接引发置换诱变剂间接引发置换诱变剂它们在它们在DNA复制中能掺入复制中能掺入DNA 分子中，因为其产生异构体频率分子中，因为其产生异构体频率高，所以发生错误配对可引发碱基置换。高，所以发生错误配对可引发碱基置换。一类与正常碱基结构相同物质，称为一类与正常碱基结构相同物质，称为碱基类似物碱基类似物。如：如：5-BU,8-NG,2-AP等。A-TA-TA-BUA-TG-BUG-CA-BU加入5-BU1.化学诱变剂化学诱变剂微生物遗传专题知识讲座第51页(2)与碱基起化学反应诱变剂与碱基起化学反应诱变剂-直接引发碱基置换直接引发碱基置换该类诱变剂与碱基起化学反应，改变碱基结构，造成错配。该类诱变剂与碱基起化学反应，改变碱基结构，造成错配。亚硝酸：G-C A-T 转换互变 各种烷化剂：G-C A-T 互变羟胺：只引发G-C A-T 转换（专一性与C起反应）微生物遗传专题知识讲座第52页亚硝酸：亚硝酸：对碱基主要作用是氧化脱胺作用（使氨基变为酮基，对碱基主要作用是氧化脱胺作用（使氨基变为酮基，改变配对性质，引发碱基转换）改变配对性质，引发碱基转换）。HNO2 A H（次黄嘌呤）次黄嘌呤）AT GC C U GC AT G X（黄嘌呤黄嘌呤）不引发突变不引发突变A-TH-TH-CA-TH-CG-C微生物遗传专题知识讲座第53页烷化剂烷化剂甲基磺酸乙酯（甲基磺酸乙酯（EMS）甲基磺酸甲酯（甲基磺酸甲酯（MMS）硫酸二乙酯（硫酸二乙酯（DES）N-甲基甲基-N-硝基硝基-N-亚硝基胍亚硝基胍(NTG)氮芥、硫芥氮芥、硫芥环氧乙烷环氧乙烷NTG：诱变作用强，称为诱变作用强，称为超强诱变剂超强诱变剂（突变率（突变率1%）；）；能诱发邻近位置基因同时发生突变，即所谓能诱发邻近位置基因同时发生突变，即所谓并发突变并发突变。很多烷化剂除了能诱发点突变外，还能诱发染色体畸变除了能诱发点突变外，还能诱发染色体畸变。因为染色体畸变常为辐射所诱发，所以这些物质又称为拟辐射物质拟辐射物质。烷化剂作用主要机理是引发碱基上一些能形成氢键集团发生烷基化。烷化位点主要在鸟嘌呤N7位和腺嘌呤N3位上，烷化后碱基也像碱基结构类似物一样能引发碱基配正确错误。烷化剂另一作用是使嘌呤整个地从DNA链上脱下来，产生一个缺口，在与缺口相对应位点上就能配上任何一个碱基，从而引发转换或颠换。微生物遗传专题知识讲座第54页(3)移码突变诱变剂嵌入诱变剂移码突变诱变剂嵌入诱变剂吖吖啶类染料啶类染料（如原黄素，（如原黄素，吖吖叮黄（橙），叮黄（橙），ICR类等）类等）含有含有类似碱基正确扁平结构，能插入类似碱基正确扁平结构，能插入DNA分子碱基对之间，分子碱基对之间，使使DNA结构变形，造成结构变形，造成 DNA在复制过程中滑动，引发在复制过程中滑动，引发DNA链中插入或缺失一个或几个核苷酸，产生移码突变链中插入或缺失一个或几个核苷酸，产生移码突变。ICR：一系列烷化剂和吖啶分子相结合化合物一系列烷化剂和吖啶分子相结合化合物微生物遗传专题知识讲座第55页2.物理诱变剂及其诱变机制物理诱变剂及其诱变机制紫外线，x-射线，射线，快中子，超声波等(1)紫外线（紫外线（UV）紫外线是试验室中惯用非电离辐射诱变因子，其作用机制主要是能引发：DNA链断裂、DNA分子双链交联、嘧啶水合作用 相邻碱基形成嘧啶二聚体（TT，TC,CC）等。其中最主要效应是胸腺嘧啶二聚体形成。其中最主要效应是胸腺嘧啶二聚体形成。胸腺嘧啶二聚体通常出现在同一DNA单链上两个相邻胸腺嘧啶之间，也可出现在两条DNA单链之间。两种情况造成结果不一样。微生物遗传专题知识讲座第56页 X射线、射线、快中子等属于电离辐射。以X射线为例解释该类诱变剂诱变机理：X射线诱变作用有直接和间接两种方式：(1)直接作用是引发DNA双链间氢键断裂、DNA单链断裂、不一样DNA分子之间交联等。(2)间接作用是电离辐射能从水或有机分子中产生自由基，这些自由基作用于DNA分子，引发缺失和损伤。自由基对嘧啶作用更强烈。另外，X射线还可能使细胞中形成一些碱基类似物，突变由这些碱基类似物所诱发。与紫外线不一样是，电离辐射可经过玻璃和其它物质，穿透力强，能到达生殖细胞，所以惯用于动植物诱变育种。(2)X射线、射线、射线、快中子射线、快中子微生物遗传专题知识讲座第57页 短时间热处理也可诱发突变，热作用是使胞嘧啶脱氨基而成为尿嘧啶，从而经过碱基配对错误而引发GCAT转换；另外，热也可引发鸟嘌呤脱氧核糖键移动，从而在DNA复制时出现包含两个鸟嘌呤碱基对，在下一次DNA复制中该碱基对错配就会引发GCCG颠换。(3)热热微生物遗传专题知识讲座第58页(1).转座因子（转座因子（transposable element)定义：定义：位于染色体或质粒位于染色体或质粒上一段能改变本身位置上一段能改变本身位置DNA序列。广泛分布于原核和真核细胞序列。广泛分布于原核和真核细胞中。中。又称又称“跳跃基因跳跃基因”(2).转座因子特点转座因子特点1)在转座时，经过转座因子复制，可将新形成拷贝以非同源重在转座时，经过转座因子复制，可将新形成拷贝以非同源重组方式转移到染色体新部位上；组方式转移到染色体新部位上；2)都携带有编码转座酶基因，该酶含有转移位置功效，是转座都携带有编码转座酶基因，该酶含有转移位置功效，是转座所必需所必需;3)两端都有正向或反向末端重复序列。两端都有正向或反向末端重复序列。3.生物诱变剂生物诱变剂(转座因子转座因子)及其诱变机制及其诱变机制微生物遗传专题知识讲座第59页(3)依据分子结构和遗传性质，转座因子可分为依据分子结构和遗传性质，转座因子可分为3类：类：插入序列（插入序列（Insertion sequence,IS）仅含有编码转座所必需转座酶基因，两端存在仅含有编码转座所必需转座酶基因，两端存在941bp反向重复反向重复序列序列。但其插入可干扰基因正常读码序列，造成基因失活或引发。但其插入可干扰基因正常读码序列，造成基因失活或引发突变。突变。转座子（转座子（Transposon,Tn）除转座基因外，还有抗药性基因。分为除转座基因外，还有抗药性基因。分为复合转座子复合转座子和和复杂转座子复杂转座子Mu噬菌体噬菌体是以大肠杆菌为宿主温和性噬菌体。它在几方面不一样于另一是以大肠杆菌为宿主温和性噬菌体。它在几方面不一样于另一个温和噬菌体个温和噬菌体：第一、：第一、Mu DNA几乎能够插入到宿主染色体任几乎能够插入到宿主染色体任何一个位点上；第二、何一个位点上；第二、DNA 两端没有粘性末端；第三、会引发两端没有粘性末端；第三、会引发宿主被插入基因基因突变。宿主被插入基因基因突变。微生物遗传专题知识讲座第60页(4)转座过程：转座过程：微生物遗传专题知识讲座第61页 插入突变插入突变(基因失活和极性作用)染色体畸变染色体畸变(染色体缺失染色体缺失重复和倒位重复和倒位)(5)转座遗传学效应：转座遗传学效应：微生物遗传专题知识讲座第62页二、诱变及化学致癌物质检测二、诱变及化学致癌物质检测Ames试验试验“生物化学统一性生物化学统一性”法则：法则：人和细菌在人和细菌在DNA结构及特征方面是一致结构及特征方面是一致，能使微生物发，能使微生物发生突变诱变剂必定也会作用于人生突变诱变剂必定也会作用于人DNA，使其发生突变，最使其发生突变，最终造成癌变或其它不良后果。终造成癌变或其它不良后果。Ames试验依据试验依据诱变剂共性标准：诱变剂共性标准：化学药剂对细菌诱变率与其对动物致癌性成正比。化学药剂对细菌诱变率与其对动物致癌性成正比。微生物遗传专题知识讲座第63页回复突变回复突变(reverse mutation或或back mutation)：突变体失去野生型性状，能够经过第二次突变突变体失去野生型性状，能够经过第二次突变得到恢复，这种第二次突变称为回复突变。得到恢复，这种第二次突变称为回复突变。美国加利福尼亚大学美国加利福尼亚大学