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1、微生物遗传与育种微生物遗传与育种天津科技大学天津科技大学生物工程学院生物工程学院第一讲第一讲2教材和主要参考书教材和主要参考书教材：教材：1.1.陈三凤陈三凤. .现代微生物遗传学现代微生物遗传学. .化学工业出版社，化学工业出版社，20032003主要参考书：主要参考书：1.1.沈萍、陈向东沈萍、陈向东. . 微生物学微生物学( (第第2 2版版). ). 高等教育出版社，高等教育出版社，200620062.2.赵寿元、乔守怡赵寿元、乔守怡. . 现代遗传学现代遗传学. .高等教育出版社，高等教育出版社，200120013.3.盛祖嘉盛祖嘉. . 微生物遗传学微生物遗传学( (第第3 3版版
2、) ). . 科学出版社，科学出版社，200720074.4.施巧琴施巧琴 吴松刚吴松刚. . 工业微生物遗传育种学（第三版）工业微生物遗传育种学（第三版）. . 科学出版科学出版社，社，200520055.5.汪天虹汪天虹. . 微生物分子育种原理与技术微生物分子育种原理与技术. .化学工业出版社，化学工业出版社，200520056.Prescott et al. 6.Prescott et al. MicrobiologyMicrobiology5 5thth ed.McGraw ed.McGraw-Hill-Hill3内容内容 第一章第一章 绪论绪论(1.5h) 第二章第二章 微生物遗传
3、物质（微生物遗传物质（4.5h） 第三章第三章 质粒质粒(2h) 第四章第四章 微生物的转座因子微生物的转座因子(2h) 第五章第五章 微生物基因表达的调控微生物基因表达的调控(2h) 第六章第六章 微生物遗传重组微生物遗传重组(2h) 第七章第七章 噬菌体与病毒噬菌体与病毒(2h) 第八章第八章 各类微生物遗传各类微生物遗传 (4h) 第九章第九章 基因工程与育种基因工程与育种 (2h)4 掌握基本概念掌握基本概念 熟悉经典实验熟悉经典实验 了解广泛背景了解广泛背景 领悟科研方法领悟科研方法5第一章第一章 绪论绪论 第一节第一节 微生物遗传学发展简史微生物遗传学发展简史 第二节第二节 朊病毒
4、的发现和思考朊病毒的发现和思考 第三节第三节 微生物作为遗传学材料的优微生物作为遗传学材料的优越性越性 第四节第四节 微生物遗传控制与发酵工业微生物遗传控制与发酵工业6第一节第一节 微生物遗传学的发展简史微生物遗传学的发展简史 微生物遗传学微生物遗传学是一门以病毒、细菌、放线菌、小型真菌、单细胞藻类及原生动物为研究对象的遗传学的分支学科。1940年代以前： 遗传学的基本研究只限于动物和植物； 微生物遗传学的研究是不系统的、局限的；生物对象：只限于进行有性生殖，特别是产生有性孢子 的微生物（酵母菌、草履虫、脉孢菌）；研究内容：只限于形式遗传学分析（基因重组和定位）7一一. 脉孢菌营养缺陷型的发现
5、和基因原初功能的研究脉孢菌营养缺陷型的发现和基因原初功能的研究1941年，年， G. Beadle 和和E. Tatum用用X-X-射线处理射线处理粗糙粗糙脉孢菌脉孢菌( (Neurospora crassaNeurospora crassa) )的分生孢子的分生孢子 得到预期的得到预期的营养缺陷型营养缺陷型(auxotroph)(auxotroph)，证明了某些代，证明了某些代谢途径的阻断与某些突变基因之间的对应关系谢途径的阻断与某些突变基因之间的对应关系 对基因功能实质做了进一步的研究，对基因功能实质做了进一步的研究，提出提出一个基因一个基因一种酶学说一种酶学说（19401940年代以后年
6、代以后，以下五方面的工作促使微生物遗传学，以下五方面的工作促使微生物遗传学发展成为一门独立的学科发展成为一门独立的学科：8Beadle and Tatum: 一个基因一个基因 - - 一种酶一种酶 One Gene - One EnzymeX raysMMCMMMVitaminsAmino acids Purines and pyrimidines 用X射线诱导处理粗粗糙糙脉孢菌脉孢菌，筛选出被诱导的突变体来进行实验。根据遗传分析和大量研究 ，他们认为基因发生突变，就可能导致酶活性的丧失。 9红色链孢霉实验红色链孢霉实验 突变品系 基本 基本培养基加 培养基 鸟氨酸 瓜氨酸 精氨酸 arg c
7、it orn arg(精氨酸缺陷)，orn(鸟氨酸缺陷), cit(瓜氨酸缺陷):表示不生长； ：表示生长101941 Beadle & Tatum 提出： “ one gene one enzyme” hypothesis 乙酰鸟乙酰鸟 鸟氨酸精鸟氨酸精 精氨琥珀精氨琥珀 精氨琥珀精氨琥珀 氨酸酶氨酸酶 氨甲酰酶氨甲酰酶 酸合成酶酸合成酶 酸裂解酶酸裂解酶 N- N-乙酰乙酰 鸟氨酸鸟氨酸 瓜氨酸瓜氨酸 精氨精氨 精氨酸精氨酸 鸟氨酸鸟氨酸 琥珀酸琥珀酸 氨甲酰磷酸氨甲酰磷酸 天冬氨酸天冬氨酸 精氨酸生物合成途径精氨酸生物合成途径11重要意义重要意义开辟了生化遗传学研究的广阔领域开辟了生化遗
8、传学研究的广阔领域，为基因作用机制的研究确立了基础，为阐明代谢途径提供了有效的方法； 提出一个基因一种酶一个基因一种酶学说，可认为是分子遗传学的前奏； 利用营养缺陷型探索代谢途径利用营养缺陷型探索代谢途径这一思想方法，在微生物遗传学得到广泛的应用，包括基因重组、发育、分化、形态建成等；由于营养缺陷型的发现，使得细菌的基因重组得以发使得细菌的基因重组得以发现现.12二二.细菌抗药性突变的研究细菌抗药性突变的研究细菌的抗性是基因突变的结果，还是适应的结果？细菌的抗性是基因突变的结果，还是适应的结果？1943年， Salvador Luria & Max Delbruck用严密的实验证实用严密的实验
9、证实细菌的抗性是基因突变的结果细菌的抗性是基因突变的结果重要意义 使人们认识到，可能所有的生物都有着相同的遗传变异规律； 严密的实验方法，开始被应用到微生物遗传学领域，特别是细菌的变异的研究中去。13变量实验（变量实验（fluctuation analysis）Salvador Luria & Max Delbrck(1943)Salvador LuriaMax DelbrckThe Nobel Prize in Physiology or Medicine 196914变量实验（变量实验（fluctuation analysis）Salvador Luria & Max Delbrck(19
10、43)对噬菌体对噬菌体T1敏感的敏感的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10mL 与甲管分装的各小管与甲管分装的各小管同时保温同时保温2436h甲管 乙管 15结果 :来自甲管的50皿中，各皿间抗性菌落数相差悬殊，而来自乙管的则各皿数目基本相等。 这说明大肠杆菌抗噬菌体性状突变，不是由于环境因素噬菌体诱导出来的，而是在它们接触噬菌体前，在某一次细胞分裂过程中随机地自发产生的。 解释:噬菌体在这里仅起到淘汰原始的未突变的敏感菌和甄别抗噬菌体突变型的作用。 结果结果 :16三. 细菌接合和基因重组的发现1946年，年，Joshua Le
11、derberg 和和Edward L. Taturm报道了大肠杆菌中的基因重组报道了大肠杆菌中的基因重组接合接合 (conjugation)重要意义：重要意义：1）使人们更为明确地认识到微生物和高等动物和植物遗传规律上的一致性；2）通过基本相同的方法，以后在霉菌、放线菌等各种微生物中发现基因重组；3）促使50年代发现了转导(Transduction)。 即细菌中也有类似于性过程的现象，以及基因连锁和重组。如有两个不同遗传型的细菌突变株在一起混合培养，可分离到具有双亲基因的新个体，从而认为细菌也存在性别。17中间平板上长出的原养型菌落是两菌株之间发生了遗传交换和重组所致！ 为了减少所培养的结果是
12、回复突变的机会，采用了双重或三重营养缺陷型。该实验是建立在不大可能同时发生两种或三种回复突变的设想上的。1819证实接合过程需要细胞间的直接接触的“U”型管实验（Bernard Davis，1950）20四四. 细菌遗传因子化学本质的鉴定细菌遗传因子化学本质的鉴定 -细菌经典转化实验细菌经典转化实验1928年年 F. Griffith在肺炎链球菌中发现转化现象在肺炎链球菌中发现转化现象1944年年 O.O.Avery 在离体条件下完成转化过程在离体条件下完成转化过程 确定确定遗传物质为遗传物质为DNA（第一个实验证据）（第一个实验证据）它的发现，是1953年DNA分子双螺旋模型提出和分子遗传学
13、发展的前奏。21 1928年，年，Griffith 肺炎双球菌的转化肺炎双球菌的转化2223 S S 杀死细菌杀死细菌 分离提取分离提取 多糖多糖 脂类脂类 RNA RNA 蛋白质蛋白质 DNA DNA+DNase DNA DNA+DNase R R R R R R 不杀死不杀死 不杀死不杀死 不杀死不杀死 不杀死不杀死 可杀死可杀死 不杀死不杀死 小鼠小鼠 小鼠小鼠 小鼠小鼠 小鼠小鼠 小鼠小鼠 小鼠小鼠 R R R R R+S+S R 图图 9-2 O.Avery9-2 O.Avery 等的体外转化实验等的体外转化实验1944年，年，Avery在离体条件下在离体条件下完成转化。完成转化。2
14、4五五. 噬菌体遗传学研究噬菌体遗传学研究 1946 1946年，年， DelbrueckDelbrueck证实了证实了噬菌体也存在遗传重组现象噬菌体也存在遗传重组现象； 19551955年，年， BenzerBenzer研究了研究了E.coliE.coli T4 T4噬菌体遗传物质的精细噬菌体遗传物质的精细 结构，结构，提出了提出了“顺反子顺反子”的概念；的概念； 19611961年，年， BenzerBenzer发表了发表了T4 rT4 r突变位点的经典研究表明：突变位点的经典研究表明： 所有位点不是有同等的突变频率，所有位点不是有同等的突变频率， 提出了提出了基因突变的热点基因突变的热点
15、的理论。的理论。1）把遗传规律推广到最简单的生物-噬菌体；2）温和噬菌体以及转导作用的发现，成为微生物遗传学、分子遗传学研究的有效手段。25第二节第二节 朊病毒的发现和思朊病毒的发现和思考考 一、证明遗传物质是一、证明遗传物质是DNA或或RNA的三个经典实验：的三个经典实验： 细菌经典转化实验 噬菌体的感染实验 烟草花叶病毒的拆开和重建实验 二、中心法则二、中心法则 DNA到mRNA，通过密码子合成蛋白质 反转录现象的发现对中心法则的补充26 三、朊病毒三、朊病毒 是一种既不含DNA也不含RNA的蛋白质颗粒； 具有传染性和致病性的病毒（引起疯牛病）。 朊病毒的发现是否违背了朊病毒的发现是否违背
16、了“遗传物质是核酸遗传物质是核酸”和和“中心法则中心法则”呢呢？ 四、朊病毒的致病机理四、朊病毒的致病机理 致病性的朊病毒蛋白（以PrPsc表示）是由于正常的蛋白PrPc改变其折叠状态所致；而PrPc仍是基因编码产生的一种糖蛋白， PrPsc并不是遗传信息的携带者。 因此，由引起的疾病又被称为构象病。27 思考：思考： 象朊病毒这样由蛋白质的折叠而导致致病性的事实已成为当今分子生物学研究的热点之一。 由蛋白质的折叠与生物功能之间的关系的研究延伸至疾病的致病的致病因子之间的关系的研究，为治疗和根除PrPsc引起的疾病开辟新的途径。28第三节第三节 微生物作为遗传学材料的优越性微生物作为遗传学材料
17、的优越性 果蝇复眼色素的合成复杂，每一步都需要一种酶。当某一基因发生了突变，相应的一个酶促反应便不能进行。 怎样进一步研究基因的作用呢？要得到足够量的复眼色素，必须饲养成百万头果蝇。能否用别的便于大量培养的生物来代替果蝇？ 复眼色素是十分复杂的物质，能否采用便于分析的性状进行基因作用的研究呢？如氨基酸、维生素等。 X1 X2 X3 A B C D292. 微生物的优越性：微生物的优越性： 独特的生物学特性：独特的生物学特性： 单细胞，单倍体，易培养，无性系，繁殖迅速； 便于获得营养缺陷型：便于获得营养缺陷型：脉孢菌VB6缺陷型； 能被用作研究复杂体制生物的简单的遗传学模型能被用作研究复杂体制生
18、物的简单的遗传学模型1. 二倍体中，生物有显性关系，使隐性突变掩盖； （微生物一般是单倍体，便于建立纯系，便于观察基因分离）30第四节第四节 微生物遗传控制与发酵工业微生物遗传控制与发酵工业 育种：通过育种：通过 系统选择、系统选择、 诱变、诱变、 杂交、杂交、 原生质体融合原生质体融合 体外基因重组体外基因重组 基因组改组基因组改组 等技术等技术培育具有人们所需要遗传性质的生物的过程培育具有人们所需要遗传性质的生物的过程31应根据代谢调节理论，改变微生物的遗传特性：应根据代谢调节理论，改变微生物的遗传特性： 营养缺陷型突变株：营养缺陷型突变株： 某种酶的合成缺陷，途径被切断，使代谢流 汇向目
19、的产物， 同时也能解除反馈调节作用； 抗代谢类似物突变株：抗代谢类似物突变株： 某些受反馈调节的酶的结构改变，不再受相 应的代谢产物的反馈调节； 渗漏突变型：渗漏突变型：改变细胞膜的通透性；也能通过引入不同菌株的特定结构基因、启动基因、引入不同菌株的特定结构基因、启动基因、或增加基因的数量和转录翻译活性或增加基因的数量和转录翻译活性等，以改变微生物的遗传特性。32第二章第二章 微生物遗传物质微生物遗传物质 第一节第一节 DNA的结构和复制的结构和复制 一、DNA的结构 1. DNA的一级结构 DNA的一级结构即指碱基顺序。 2. DNA的二级结构 包括B-DNA、A-DNA和Z-DNA三种。
20、3. DNA的三级结构 有多种形式，其中以超螺旋最常见。 当超螺旋旋转方向和双螺旋方向相反时，即为左手螺旋，或负超螺旋。反之为右手螺旋或正超螺旋。33 二、DNA的复制特点和几种主要复制方式 1. DNA的复制是以半保留方式进行复制。 2. 复制起点、复制方向和复制单位 (1)复制起点复制起点(origin of replication)： DNA复制开始时在DNA分子上的特定部位。通常原核生物和质粒的复制起点以ori表示。 原核生物的DNA一般只有一个复制起点。 真核生物染色体上有多个复制起点，真核生物的复制起点通常称为自主复制序列(autonomously replicatory sequ
21、ence,简称ARS)。34 (2)复制子复制子(replicon)： 每一个复制起点及其复制区则为一个复制单位，称为复制子。 真核生物染色体含有多个复制子，原核细胞的一个染色体上只有一个复制子。 (3)复制方向复制方向： 主要有双向和单向复制两种方式。 单向复制从一个起点开始，以同一方向合成两条链，形成一个复制叉。 双向复制从一个起点开始，沿两个相反的方向各合成两条链，形成两个复制叉。 大多数生物染色体DNA的复制是双向的，并且是对称的。35 3. 复制的几种主要方式 线性双链DNA的复制一般是双向复制，根据复制起点的多少又可分为： (1)双向单点复制 (2)双向多点复制 环状双链DNA的复
22、制，可分为三种类型： (1)型复制、 (2)滚环型复制、 (3)D型复制36 (1) 型复制 型复制也有双向和单向，大多数为双向而且等速复制，也存在少数双向不等速复制。 双向复制不久后的图像。两个复制叉距离较近，中间形成一个较小的“眼”。37这“眼”逐渐扩大，直到复制结束时，两个复制叉在复制起始点的对面位置上汇合38 (2)滚环复制 (Rolling circle replication) 这种复制方式存在于噬菌体(如X174)、细菌质粒等DNA的复制中。 滚环复制包括以下几个步骤：39(1)亲代双链DNA的一条链发生断裂，产生一个自由的3-OH末端。(2)以含自由3-OH末端的DNA为引物，
23、以没有断裂的完好DNA链为模板，合成新的DNA链，产生滚环结构。(3)3末端不断延长，断裂链的5末端不断被置换而甩出一条单链，单链可以合成其互补链而成为双链(下图左)，也可以以单链的形式存在(下图右)。(4)随着反应的循环进行，甩出的单链中就包含着多个拷贝的原始复制子。该尾巴按照单位长度断裂就可原始环状复制子。4041 对于单链环状DNA分子的X174噬菌体，该链为正链，在复制时首先合成其互补的负链，形成共价闭合的双链超螺旋分子； 然后再通过滚环复制合成大量正链。 正链可以包装到噬菌体的蛋白质颗粒中以产生子代噬菌体，又可作为模板合成互补的负链，形成的环状双链DNA，重新参加滚环复制。 42 (
24、3)D环复制 D环复制的双链中其中一条链称为重链(H链)，另一条称为轻链(L链)。两条链的复制起点不在一起。 复制步骤如下：43(1)复制开始时，首先从H链的复制起点开始，以L链为模板合成H链，原来的H链被置换，形成的结构类似D字母的形状，该取代环就被称为D环。(2)当H链合成进行到一半时，L链的复制起点暴露出来。(3) L链以被置换的原来H链为模板合成新的L链，合成方向和H链的合成方向相反；而H链继续沿原来滚环方向合成并置换旧的H链，直到H链被完全置换。(4) L链合成继续进行，直到完成。4445总结总结 微生物遗传学发展简史微生物遗传学发展简史 1.脉孢菌营养缺陷型的发现和基因原初功能的研
25、究 2.细菌抗药性突变的研究 3.细菌接合和基因重组的发现 4.细菌遗传因子化学本质的鉴定 5.噬菌体遗传学研究46 证明证明DNA是遗传物质基础的两个实验？是遗传物质基础的两个实验？ 证明证明RNA是遗传物质基础的实验？是遗传物质基础的实验？ 朊病毒引起的疾病为什么称为朊病毒引起的疾病为什么称为“构象病构象病”？ DNA结构：结构： 一级结构：碱基序列 二级结构：双螺旋（A-DNA, B-DNA, Z-DNA） 三级结构：超螺旋（负超螺旋，正超螺旋）47 DNA的复制特点和几种主要复制方式的复制特点和几种主要复制方式 真核和原核细胞，其DNA分子都是半保留复制 复制起点（DNA复制开始的特定部位）： 原核生物的染色体DNA一般只有一个复制起点(ori) 真核生物染色体上有多个复制起点（酿酒酵母染色体具有400个复制起点，常被称为自主复制序列） 复制子：每一个复制起点及其复制区为一个复制单位，称为复制子。 复制方向： 双向复制（两个复制叉）：大多数染色体DNA是双向对称复制。 单向复制（一个复制叉）48线状线状DNA环状双链环状双链DNA复制方式复制方式 型型滚环型滚环型D 型型双向单点双向单点双向多点双向多点X174, F因子因子线粒体线粒体DNA真核生物染色体真核生物染色体DNA复制的几种主要方式复制的几种主要方式49第一讲结束第一讲结束谢谢谢谢Danke!
