1、微生物遺傳與育種微生物遺傳與育種天津科技大學(xué)天津科技大學(xué)生物工程學(xué)院生物工程學(xué)院第一講第一講2教材和主要參考書教材和主要參考書教材：教材：1.1.陳三鳳陳三鳳. .現(xiàn)代微生物遺傳學(xué)現(xiàn)代微生物遺傳學(xué). .化學(xué)工業(yè)出版社，化學(xué)工業(yè)出版社，20032003主要參考書：主要參考書：1.1.沈萍、陳向東沈萍、陳向東. . 微生物學(xué)微生物學(xué)( (第第2 2版版). ). 高等教育出版社，高等教育出版社，200620062.2.趙壽元、喬守怡趙壽元、喬守怡. . 現(xiàn)代遺傳學(xué)現(xiàn)代遺傳學(xué). .高等教育出版社，高等教育出版社，200120013.3.盛祖嘉盛祖嘉. . 微生物遺傳學(xué)微生物遺傳學(xué)( (第第3 3版版

2、) ). . 科學(xué)出版社，科學(xué)出版社，200720074.4.施巧琴施巧琴 吳松剛吳松剛. . 工業(yè)微生物遺傳育種學(xué)（第三版）工業(yè)微生物遺傳育種學(xué)（第三版）. . 科學(xué)出版科學(xué)出版社，社，200520055.5.汪天虹汪天虹. . 微生物分子育種原理與技術(shù)微生物分子育種原理與技術(shù). .化學(xué)工業(yè)出版社，化學(xué)工業(yè)出版社，200520056.Prescott et al. 6.Prescott et al. MicrobiologyMicrobiology5 5thth ed.McGraw ed.McGraw-Hill-Hill3內(nèi)容內(nèi)容 第一章第一章 緒論緒論(1.5h) 第二章第二章 微生物遺傳

3、物質(zhì)（微生物遺傳物質(zhì)（4.5h） 第三章第三章 質(zhì)粒質(zhì)粒(2h) 第四章第四章 微生物的轉(zhuǎn)座因子微生物的轉(zhuǎn)座因子(2h) 第五章第五章 微生物基因表達(dá)的調(diào)控微生物基因表達(dá)的調(diào)控(2h) 第六章第六章 微生物遺傳重組微生物遺傳重組(2h) 第七章第七章 噬菌體與病毒噬菌體與病毒(2h) 第八章第八章 各類微生物遺傳各類微生物遺傳 (4h) 第九章第九章 基因工程與育種基因工程與育種 (2h)4 掌握基本概念掌握基本概念 熟悉經(jīng)典實驗熟悉經(jīng)典實驗 了解廣泛背景了解廣泛背景 領(lǐng)悟科研方法領(lǐng)悟科研方法5第一章第一章 緒論緒論 第一節(jié)第一節(jié) 微生物遺傳學(xué)發(fā)展簡史微生物遺傳學(xué)發(fā)展簡史 第二節(jié)第二節(jié) 朊病毒

4、的發(fā)現(xiàn)和思考朊病毒的發(fā)現(xiàn)和思考 第三節(jié)第三節(jié) 微生物作為遺傳學(xué)材料的優(yōu)微生物作為遺傳學(xué)材料的優(yōu)越性越性 第四節(jié)第四節(jié) 微生物遺傳控制與發(fā)酵工業(yè)微生物遺傳控制與發(fā)酵工業(yè)6第一節(jié)第一節(jié) 微生物遺傳學(xué)的發(fā)展簡史微生物遺傳學(xué)的發(fā)展簡史 微生物遺傳學(xué)微生物遺傳學(xué)是一門以病毒、細(xì)菌、放線菌、小型真菌、單細(xì)胞藻類及原生動物為研究對象的遺傳學(xué)的分支學(xué)科。1940年代以前： 遺傳學(xué)的基本研究只限于動物和植物； 微生物遺傳學(xué)的研究是不系統(tǒng)的、局限的；生物對象：只限于進(jìn)行有性生殖，特別是產(chǎn)生有性孢子 的微生物（酵母菌、草履蟲、脈孢菌）；研究內(nèi)容：只限于形式遺傳學(xué)分析（基因重組和定位）7一一. 脈孢菌營養(yǎng)缺陷型的發(fā)現(xiàn)

5、和基因原初功能的研究脈孢菌營養(yǎng)缺陷型的發(fā)現(xiàn)和基因原初功能的研究1941年，年， G. Beadle 和和E. Tatum用用X-X-射線處理射線處理粗糙粗糙脈孢菌脈孢菌( (Neurospora crassaNeurospora crassa) )的分生孢子的分生孢子 得到預(yù)期的得到預(yù)期的營養(yǎng)缺陷型營養(yǎng)缺陷型(auxotroph)(auxotroph)，證明了某些代，證明了某些代謝途徑的阻斷與某些突變基因之間的對應(yīng)關(guān)系謝途徑的阻斷與某些突變基因之間的對應(yīng)關(guān)系 對基因功能實質(zhì)做了進(jìn)一步的研究，對基因功能實質(zhì)做了進(jìn)一步的研究，提出提出一個基因一個基因一種酶學(xué)說一種酶學(xué)說（19401940年代以后年

6、代以后，以下五方面的工作促使微生物遺傳學(xué)，以下五方面的工作促使微生物遺傳學(xué)發(fā)展成為一門獨立的學(xué)科發(fā)展成為一門獨立的學(xué)科：8Beadle and Tatum: 一個基因一個基因 - - 一種酶一種酶 One Gene - One EnzymeX raysMMCMMMVitaminsAmino acids Purines and pyrimidines 用X射線誘導(dǎo)處理粗粗糙糙脈孢菌脈孢菌，篩選出被誘導(dǎo)的突變體來進(jìn)行實驗。根據(jù)遺傳分析和大量研究 ，他們認(rèn)為基因發(fā)生突變，就可能導(dǎo)致酶活性的喪失。 9紅色鏈孢霉實驗紅色鏈孢霉實驗 突變品系 基本 基本培養(yǎng)基加 培養(yǎng)基 鳥氨酸 瓜氨酸 精氨酸 arg c

7、it orn arg(精氨酸缺陷)，orn(鳥氨酸缺陷), cit(瓜氨酸缺陷):表示不生長； ：表示生長101941 Beadle & Tatum 提出： “ one gene one enzyme” hypothesis 乙酰鳥乙酰鳥 鳥氨酸精鳥氨酸精 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 鳥氨酸鳥氨酸 瓜氨酸瓜氨酸 精氨精氨 精氨酸精氨酸 鳥氨酸鳥氨酸 琥珀酸琥珀酸 氨甲酰磷酸氨甲酰磷酸 天冬氨酸天冬氨酸 精氨酸生物合成途徑精氨酸生物合成途徑11重要意義重要意義開辟了生化遺傳學(xué)研究的廣闊領(lǐng)域開辟了生化遺

8、傳學(xué)研究的廣闊領(lǐng)域，為基因作用機(jī)制的研究確立了基礎(chǔ)，為闡明代謝途徑提供了有效的方法； 提出一個基因一種酶一個基因一種酶學(xué)說，可認(rèn)為是分子遺傳學(xué)的前奏； 利用營養(yǎng)缺陷型探索代謝途徑利用營養(yǎng)缺陷型探索代謝途徑這一思想方法，在微生物遺傳學(xué)得到廣泛的應(yīng)用，包括基因重組、發(fā)育、分化、形態(tài)建成等；由于營養(yǎng)缺陷型的發(fā)現(xiàn)，使得細(xì)菌的基因重組得以發(fā)使得細(xì)菌的基因重組得以發(fā)現(xiàn)現(xiàn).12二二.細(xì)菌抗藥性突變的研究細(xì)菌抗藥性突變的研究細(xì)菌的抗性是基因突變的結(jié)果，還是適應(yīng)的結(jié)果？細(xì)菌的抗性是基因突變的結(jié)果，還是適應(yīng)的結(jié)果？1943年， Salvador Luria & Max Delbruck用嚴(yán)密的實驗證實用嚴(yán)密的實驗

9、證實細(xì)菌的抗性是基因突變的結(jié)果細(xì)菌的抗性是基因突變的結(jié)果重要意義 使人們認(rèn)識到，可能所有的生物都有著相同的遺傳變異規(guī)律； 嚴(yán)密的實驗方法，開始被應(yīng)用到微生物遺傳學(xué)領(lǐng)域，特別是細(xì)菌的變異的研究中去。13變量實驗（變量實驗（fluctuation analysis）Salvador Luria & Max Delbrck(1943)Salvador LuriaMax DelbrckThe Nobel Prize in Physiology or Medicine 196914變量實驗（變量實驗（fluctuation analysis）Salvador Luria & Max Delbrck(19

10、43)對噬菌體對噬菌體T1敏感的敏感的E.coli 對數(shù)期培養(yǎng)物，對數(shù)期培養(yǎng)物，稀釋至稀釋至103/mL,分裝兩試管，各分裝兩試管，各10mL 與甲管分裝的各小管與甲管分裝的各小管同時保溫同時保溫2436h甲管 乙管 15結(jié)果 :來自甲管的50皿中，各皿間抗性菌落數(shù)相差懸殊，而來自乙管的則各皿數(shù)目基本相等。 這說明大腸桿菌抗噬菌體性狀突變，不是由于環(huán)境因素噬菌體誘導(dǎo)出來的，而是在它們接觸噬菌體前，在某一次細(xì)胞分裂過程中隨機(jī)地自發(fā)產(chǎn)生的。 解釋:噬菌體在這里僅起到淘汰原始的未突變的敏感菌和甄別抗噬菌體突變型的作用。 結(jié)果結(jié)果 :16三. 細(xì)菌接合和基因重組的發(fā)現(xiàn)1946年，年，Joshua Le

11、derberg 和和Edward L. Taturm報道了大腸桿菌中的基因重組報道了大腸桿菌中的基因重組接合接合 (conjugation)重要意義：重要意義：1）使人們更為明確地認(rèn)識到微生物和高等動物和植物遺傳規(guī)律上的一致性；2）通過基本相同的方法，以后在霉菌、放線菌等各種微生物中發(fā)現(xiàn)基因重組；3）促使50年代發(fā)現(xiàn)了轉(zhuǎn)導(dǎo)(Transduction)。 即細(xì)菌中也有類似于性過程的現(xiàn)象，以及基因連鎖和重組。如有兩個不同遺傳型的細(xì)菌突變株在一起混合培養(yǎng)，可分離到具有雙親基因的新個體，從而認(rèn)為細(xì)菌也存在性別。17中間平板上長出的原養(yǎng)型菌落是兩菌株之間發(fā)生了遺傳交換和重組所致！ 為了減少所培養(yǎng)的結(jié)果是

12、回復(fù)突變的機(jī)會，采用了雙重或三重營養(yǎng)缺陷型。該實驗是建立在不大可能同時發(fā)生兩種或三種回復(fù)突變的設(shè)想上的。1819證實接合過程需要細(xì)胞間的直接接觸的“U”型管實驗（Bernard Davis，1950）20四四. 細(xì)菌遺傳因子化學(xué)本質(zhì)的鑒定細(xì)菌遺傳因子化學(xué)本質(zhì)的鑒定 -細(xì)菌經(jīng)典轉(zhuǎn)化實驗細(xì)菌經(jīng)典轉(zhuǎn)化實驗1928年年 F. Griffith在肺炎鏈球菌中發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化現(xiàn)象在肺炎鏈球菌中發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化現(xiàn)象1944年年 O.O.Avery 在離體條件下完成轉(zhuǎn)化過程在離體條件下完成轉(zhuǎn)化過程 確定確定遺傳物質(zhì)為遺傳物質(zhì)為DNA（第一個實驗證據(jù)）（第一個實驗證據(jù)）它的發(fā)現(xiàn)，是1953年DNA分子雙螺旋模型提出和分子遺傳學(xué)

13、發(fā)展的前奏。21 1928年，年，Griffith 肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化2223 S S 殺死細(xì)菌殺死細(xì)菌 分離提取分離提取 多糖多糖 脂類脂類 RNA RNA 蛋白質(zhì)蛋白質(zhì) DNA DNA+DNase DNA DNA+DNase R R R R R R 不殺死不殺死 不殺死不殺死 不殺死不殺死 不殺死不殺死 可殺死可殺死 不殺死不殺死 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 圖圖 9-2 O.Avery9-2 O.Avery 等的體外轉(zhuǎn)化實驗等的體外轉(zhuǎn)化實驗1944年，年，Avery在離體條件下在離體條件下完成轉(zhuǎn)化。完成轉(zhuǎn)化。2

14、4五五. 噬菌體遺傳學(xué)研究噬菌體遺傳學(xué)研究 1946 1946年，年， DelbrueckDelbrueck證實了證實了噬菌體也存在遺傳重組現(xiàn)象噬菌體也存在遺傳重組現(xiàn)象； 19551955年，年， BenzerBenzer研究了研究了E.coliE.coli T4 T4噬菌體遺傳物質(zhì)的精細(xì)噬菌體遺傳物質(zhì)的精細(xì) 結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)，提出了提出了“順反子順反子”的概念；的概念； 19611961年，年， BenzerBenzer發(fā)表了發(fā)表了T4 rT4 r突變位點的經(jīng)典研究表明：突變位點的經(jīng)典研究表明： 所有位點不是有同等的突變頻率，所有位點不是有同等的突變頻率， 提出了提出了基因突變的熱點基因突變的熱點

15、的理論。的理論。1）把遺傳規(guī)律推廣到最簡單的生物-噬菌體；2）溫和噬菌體以及轉(zhuǎn)導(dǎo)作用的發(fā)現(xiàn)，成為微生物遺傳學(xué)、分子遺傳學(xué)研究的有效手段。25第二節(jié)第二節(jié) 朊病毒的發(fā)現(xiàn)和思朊病毒的發(fā)現(xiàn)和思考考 一、證明遺傳物質(zhì)是一、證明遺傳物質(zhì)是DNA或或RNA的三個經(jīng)典實驗：的三個經(jīng)典實驗： 細(xì)菌經(jīng)典轉(zhuǎn)化實驗 噬菌體的感染實驗 煙草花葉病毒的拆開和重建實驗 二、中心法則二、中心法則 DNA到mRNA，通過密碼子合成蛋白質(zhì) 反轉(zhuǎn)錄現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)對中心法則的補(bǔ)充26 三、朊病毒三、朊病毒 是一種既不含DNA也不含RNA的蛋白質(zhì)顆粒； 具有傳染性和致病性的病毒（引起瘋牛?。?朊病毒的發(fā)現(xiàn)是否違背了朊病毒的發(fā)現(xiàn)是否違背

16、了“遺傳物質(zhì)是核酸遺傳物質(zhì)是核酸”和和“中心法則中心法則”呢呢？ 四、朊病毒的致病機(jī)理四、朊病毒的致病機(jī)理 致病性的朊病毒蛋白（以PrPsc表示）是由于正常的蛋白PrPc改變其折疊狀態(tài)所致；而PrPc仍是基因編碼產(chǎn)生的一種糖蛋白， PrPsc并不是遺傳信息的攜帶者。 因此，由引起的疾病又被稱為構(gòu)象病。27 思考：思考： 象朊病毒這樣由蛋白質(zhì)的折疊而導(dǎo)致致病性的事實已成為當(dāng)今分子生物學(xué)研究的熱點之一。 由蛋白質(zhì)的折疊與生物功能之間的關(guān)系的研究延伸至疾病的致病的致病因子之間的關(guān)系的研究，為治療和根除PrPsc引起的疾病開辟新的途徑。28第三節(jié)第三節(jié) 微生物作為遺傳學(xué)材料的優(yōu)越性微生物作為遺傳學(xué)材料

17、的優(yōu)越性 果蠅復(fù)眼色素的合成復(fù)雜，每一步都需要一種酶。當(dāng)某一基因發(fā)生了突變，相應(yīng)的一個酶促反應(yīng)便不能進(jìn)行。 怎樣進(jìn)一步研究基因的作用呢？要得到足夠量的復(fù)眼色素，必須飼養(yǎng)成百萬頭果蠅。能否用別的便于大量培養(yǎng)的生物來代替果蠅？ 復(fù)眼色素是十分復(fù)雜的物質(zhì)，能否采用便于分析的性狀進(jìn)行基因作用的研究呢？如氨基酸、維生素等。 X1 X2 X3 A B C D292. 微生物的優(yōu)越性：微生物的優(yōu)越性： 獨特的生物學(xué)特性：獨特的生物學(xué)特性： 單細(xì)胞，單倍體，易培養(yǎng)，無性系，繁殖迅速； 便于獲得營養(yǎng)缺陷型：便于獲得營養(yǎng)缺陷型：脈孢菌VB6缺陷型； 能被用作研究復(fù)雜體制生物的簡單的遺傳學(xué)模型能被用作研究復(fù)雜體制生

18、物的簡單的遺傳學(xué)模型1. 二倍體中，生物有顯性關(guān)系，使隱性突變掩蓋； （微生物一般是單倍體，便于建立純系，便于觀察基因分離）30第四節(jié)第四節(jié) 微生物遺傳控制與發(fā)酵工業(yè)微生物遺傳控制與發(fā)酵工業(yè) 育種：通過育種：通過 系統(tǒng)選擇、系統(tǒng)選擇、 誘變、誘變、 雜交、雜交、 原生質(zhì)體融合原生質(zhì)體融合 體外基因重組體外基因重組 基因組改組基因組改組 等技術(shù)等技術(shù)培育具有人們所需要遺傳性質(zhì)的生物的過程培育具有人們所需要遺傳性質(zhì)的生物的過程31應(yīng)根據(jù)代謝調(diào)節(jié)理論，改變微生物的遺傳特性：應(yīng)根據(jù)代謝調(diào)節(jié)理論，改變微生物的遺傳特性： 營養(yǎng)缺陷型突變株：營養(yǎng)缺陷型突變株： 某種酶的合成缺陷，途徑被切斷，使代謝流 匯向目

19、的產(chǎn)物， 同時也能解除反饋調(diào)節(jié)作用； 抗代謝類似物突變株：抗代謝類似物突變株： 某些受反饋調(diào)節(jié)的酶的結(jié)構(gòu)改變，不再受相 應(yīng)的代謝產(chǎn)物的反饋調(diào)節(jié)； 滲漏突變型：滲漏突變型：改變細(xì)胞膜的通透性；也能通過引入不同菌株的特定結(jié)構(gòu)基因、啟動基因、引入不同菌株的特定結(jié)構(gòu)基因、啟動基因、或增加基因的數(shù)量和轉(zhuǎn)錄翻譯活性或增加基因的數(shù)量和轉(zhuǎn)錄翻譯活性等，以改變微生物的遺傳特性。32第二章第二章 微生物遺傳物質(zhì)微生物遺傳物質(zhì) 第一節(jié)第一節(jié) DNA的結(jié)構(gòu)和復(fù)制的結(jié)構(gòu)和復(fù)制 一、DNA的結(jié)構(gòu) 1. DNA的一級結(jié)構(gòu) DNA的一級結(jié)構(gòu)即指堿基順序。 2. DNA的二級結(jié)構(gòu) 包括B-DNA、A-DNA和Z-DNA三種。

20、3. DNA的三級結(jié)構(gòu) 有多種形式，其中以超螺旋最常見。 當(dāng)超螺旋旋轉(zhuǎn)方向和雙螺旋方向相反時，即為左手螺旋，或負(fù)超螺旋。反之為右手螺旋或正超螺旋。33 二、DNA的復(fù)制特點和幾種主要復(fù)制方式 1. DNA的復(fù)制是以半保留方式進(jìn)行復(fù)制。 2. 復(fù)制起點、復(fù)制方向和復(fù)制單位 (1)復(fù)制起點復(fù)制起點(origin of replication)： DNA復(fù)制開始時在DNA分子上的特定部位。通常原核生物和質(zhì)粒的復(fù)制起點以ori表示。 原核生物的DNA一般只有一個復(fù)制起點。 真核生物染色體上有多個復(fù)制起點，真核生物的復(fù)制起點通常稱為自主復(fù)制序列(autonomously replicatory sequ

21、ence,簡稱ARS)。34 (2)復(fù)制子復(fù)制子(replicon)： 每一個復(fù)制起點及其復(fù)制區(qū)則為一個復(fù)制單位，稱為復(fù)制子。 真核生物染色體含有多個復(fù)制子，原核細(xì)胞的一個染色體上只有一個復(fù)制子。 (3)復(fù)制方向復(fù)制方向： 主要有雙向和單向復(fù)制兩種方式。 單向復(fù)制從一個起點開始，以同一方向合成兩條鏈，形成一個復(fù)制叉。 雙向復(fù)制從一個起點開始，沿兩個相反的方向各合成兩條鏈，形成兩個復(fù)制叉。 大多數(shù)生物染色體DNA的復(fù)制是雙向的，并且是對稱的。35 3. 復(fù)制的幾種主要方式 線性雙鏈DNA的復(fù)制一般是雙向復(fù)制，根據(jù)復(fù)制起點的多少又可分為： (1)雙向單點復(fù)制 (2)雙向多點復(fù)制 環(huán)狀雙鏈DNA的復(fù)

22、制，可分為三種類型： (1)型復(fù)制、 (2)滾環(huán)型復(fù)制、 (3)D型復(fù)制36 (1) 型復(fù)制 型復(fù)制也有雙向和單向，大多數(shù)為雙向而且等速復(fù)制，也存在少數(shù)雙向不等速復(fù)制。 雙向復(fù)制不久后的圖像。兩個復(fù)制叉距離較近，中間形成一個較小的“眼”。37這“眼”逐漸擴(kuò)大，直到復(fù)制結(jié)束時，兩個復(fù)制叉在復(fù)制起始點的對面位置上匯合38 (2)滾環(huán)復(fù)制 (Rolling circle replication) 這種復(fù)制方式存在于噬菌體(如X174)、細(xì)菌質(zhì)粒等DNA的復(fù)制中。 滾環(huán)復(fù)制包括以下幾個步驟：39(1)親代雙鏈DNA的一條鏈發(fā)生斷裂，產(chǎn)生一個自由的3-OH末端。(2)以含自由3-OH末端的DNA為引物，

23、以沒有斷裂的完好DNA鏈為模板，合成新的DNA鏈，產(chǎn)生滾環(huán)結(jié)構(gòu)。(3)3末端不斷延長，斷裂鏈的5末端不斷被置換而甩出一條單鏈，單鏈可以合成其互補(bǔ)鏈而成為雙鏈(下圖左)，也可以以單鏈的形式存在(下圖右)。(4)隨著反應(yīng)的循環(huán)進(jìn)行，甩出的單鏈中就包含著多個拷貝的原始復(fù)制子。該尾巴按照單位長度斷裂就可原始環(huán)狀復(fù)制子。4041 對于單鏈環(huán)狀DNA分子的X174噬菌體，該鏈為正鏈，在復(fù)制時首先合成其互補(bǔ)的負(fù)鏈，形成共價閉合的雙鏈超螺旋分子； 然后再通過滾環(huán)復(fù)制合成大量正鏈。 正鏈可以包裝到噬菌體的蛋白質(zhì)顆粒中以產(chǎn)生子代噬菌體，又可作為模板合成互補(bǔ)的負(fù)鏈，形成的環(huán)狀雙鏈DNA，重新參加滾環(huán)復(fù)制。 42 (3)D環(huán)復(fù)制 D環(huán)復(fù)制的雙鏈中其中一條鏈稱為重鏈(H鏈)，另一條稱為輕鏈(L鏈)。兩條鏈的復(fù)制起點不在一起。 復(fù)制步驟如下：43(1)復(fù)制開始時，首先從H鏈的復(fù)制起點開始，以L鏈為模板合成H鏈，原來的H鏈被置換，形成的結(jié)構(gòu)