第六章

微生物的遺傳和變異第六章

微生物的遺傳和變異1主要內(nèi)容微生物的遺傳微生物的變異基因重組突變體的檢測與篩選分子遺傳學(xué)技術(shù)在環(huán)境工程和環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用主要內(nèi)容微生物的遺傳2

一.遺傳與變異的物質(zhì)基礎(chǔ)——DNA第一節(jié)微生物的遺傳證據(jù)1：1928年格里菲斯肺炎鏈球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)1941年艾弗里肺炎鏈球菌轉(zhuǎn)化補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)證據(jù)2：1952年赫西和蔡斯大腸桿菌T2噬菌體感染大腸桿菌實(shí)驗(yàn)一.遺傳與變異的物質(zhì)基礎(chǔ)——DNA第一節(jié)微生3

基本組成元素：C、H、O、N、P

基本單位：脫氧核苷酸

（一）DNA的結(jié)構(gòu)二、DNA的結(jié)構(gòu)與復(fù)制

DNA的分子組成:

基本組成元素：C、H、O、N、P

基本單位：4

DNA的平面結(jié)構(gòu)：脫氧核苷酸長鏈

DNA的平面結(jié)構(gòu)：脫氧核苷酸長鏈5DNA的空間結(jié)構(gòu):雙螺旋結(jié)構(gòu)DNA的空間結(jié)構(gòu):61、DNA的存在形式

真核微生物原核微生物DNA+組蛋白→染色體+核膜→真核DNA+少量蛋白→環(huán)狀染色體→擬核1、DNA的存在形式真核微生物原核微生物DNA+組蛋白→染72、基因—遺傳因子基因—是具有固定的起點(diǎn)和終點(diǎn)的核苷酸或密碼的線性序列。是編碼多肽、tRNA或rRNA的多核苷酸序列?；虬垂δ芸煞譃槿N結(jié)構(gòu)基因—編碼蛋白質(zhì)或酶的結(jié)構(gòu)操縱區(qū)—“開關(guān)”，操縱結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)調(diào)節(jié)基因—編碼調(diào)節(jié)蛋白，與操縱區(qū)結(jié)合，控制結(jié)構(gòu)基因表達(dá)2、基因—遺傳因子基因—是具有固定的起點(diǎn)和終點(diǎn)的核苷酸或密碼8大腸桿菌乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)及調(diào)節(jié)RPO結(jié)構(gòu)基因3個(gè)Z、Y、A：結(jié)構(gòu)基因P：啟動(dòng)子O：操縱基因R：調(diào)節(jié)基因

Z

Y

Aβ-半乳糖苷酶

β-半乳糖苷酶透過酶

β-半乳糖苷酶乙酰氨基轉(zhuǎn)移酶

大腸桿菌乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)及調(diào)節(jié)RPO結(jié)構(gòu)基因3個(gè)Z、Y、A：9RPOZ

Y

A阻遏蛋白阻抑蛋白封閉操縱區(qū)，結(jié)構(gòu)基因不表達(dá)RPOZY10RPOZY

A阻遏蛋白誘導(dǎo)物與阻抑蛋白結(jié)合，阻抑蛋白不能封閉操縱區(qū)，結(jié)構(gòu)基因得以表達(dá)誘導(dǎo)物RPOZY11

3、遺傳信息的傳遞—中心法則3、遺傳信息的傳遞—中心法則12（二）DNA的復(fù)制—半保留復(fù)制（二）DNA的復(fù)制—半保留復(fù)制13三、DNA的變性和復(fù)性（一）DNA的變性

概念—當(dāng)天然雙鏈DNA受熱或其他因素的作用下，兩條鏈之間的結(jié)合力被破壞而分開成單鏈DNA，即稱為DNA變性。導(dǎo)致DNA變性的因素加熱——80℃

~100℃，完全解鏈提高pH

——pH≥11.3，完全變性變性試劑——尿素和甲硫胺三、DNA的變性和復(fù)性（一）DNA的變性14（G+C）%=（Tm-69.3）×2.44（G+C）%=（Tm-69.3）×2.4415（二）DNA的復(fù)性（退火）概念—變性DNA在適當(dāng)條件下，分開的兩條單鏈分子按照堿基互補(bǔ)原則重新恢復(fù)天然的雙螺旋構(gòu)象的現(xiàn)象。復(fù)性的DNA是隨機(jī)結(jié)合的，只能部分保持原有性狀。（二）DNA的復(fù)性（退火）16四、RNA1、RNA和DNA組成的區(qū)別核糖代替脫氧核糖尿嘧啶（U）代替胸腺嘧啶（T）2、RNA的種類mRNA（信使RNA）tRNA（轉(zhuǎn)運(yùn)RNA）rRNA（核糖體RNA）反義RNA（調(diào)節(jié)DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯）四、RNA1、RNA和DNA組成的區(qū)別2、RNA的種類17五、微生物的生長1.微生物的生長主要是蛋白質(zhì)的合成平衡生長：當(dāng)微生物的生長進(jìn)入對數(shù)期，細(xì)胞中全部的生化組成都以相同的速率進(jìn)行合成，這個(gè)過程稱為平衡生長。五、微生物的生長1.微生物的生長主要是蛋白質(zhì)的合成182.蛋白質(zhì)合成過程DNA復(fù)制DNA轉(zhuǎn)錄tRNA翻譯蛋白質(zhì)合成2.蛋白質(zhì)合成過程DNA復(fù)制19原核微生物的轉(zhuǎn)錄過程轉(zhuǎn)錄的酶——RNA聚合酶

RNA聚合酶組成：α2ββ’ω+σα亞基—解開前方DNA雙螺旋、恢復(fù)后面的DNA雙螺旋；β亞基—催化磷酸二酯鍵的形成；β’亞基—與DNA非模板鏈結(jié)合；σ亞基—識別DNA轉(zhuǎn)錄的起始部位，從而引導(dǎo)全酶結(jié)合上去。ω亞基：在全酶中存在，功能不清楚。原核微生物的轉(zhuǎn)錄過程轉(zhuǎn)錄的酶——RNA聚合酶RNA聚合20核心酶全酶轉(zhuǎn)錄起始轉(zhuǎn)錄延長階段σ亞基脫落核心酶全酶轉(zhuǎn)錄起始轉(zhuǎn)錄延長階段σ亞基脫21起始：RNA聚合酶與DNA模板的啟動(dòng)子(promoter)結(jié)合-35-10Pribnowbox(普里布諾盒)轉(zhuǎn)錄過程

起始：RNA聚合酶與DNA模板的啟動(dòng)子(promoter)結(jié)22延長：在RNA聚合酶催化下，以模板鏈為模板按5′→3′方向合成互補(bǔ)的RNA鏈。5′5′3′3′5′3′RNA聚合酶DNARNA延長：在RNA聚合酶催化下，以模板鏈為模板按5′→3′方向23終止：RNA聚合酶到達(dá)轉(zhuǎn)錄終止區(qū)，則停止轉(zhuǎn)錄。終止子—能夠使RNA轉(zhuǎn)錄停止的DNA序列。

終止的方式：

（1）依賴于（Rho）因子的終止（2）不依賴于（Rho）因子的終止終止：RNA聚合酶到達(dá)轉(zhuǎn)錄終止區(qū)，則停止轉(zhuǎn)錄。終止的方式：24（1）依賴于因子的終止（1）依賴于因子的終止25RNARNA聚合酶（2）不依賴于因子的終止莖環(huán)/發(fā)夾結(jié)構(gòu)RNARNA聚合酶（2）不依賴于因子的終止莖環(huán)/發(fā)夾結(jié)構(gòu)26細(xì)菌mRNA多數(shù)不用加工，轉(zhuǎn)錄與翻譯是偶聯(lián)的。少數(shù)多順反子信使RNA（一種能作為兩種或多種多肽鏈翻譯模板的信使RNA

）必須由內(nèi)切酶切成較小的單位，然后翻譯。如核糖體大亞基蛋白與RNA聚合酶的β亞基基因組成混合操縱子，轉(zhuǎn)錄后需經(jīng)RNA酶III切開，各自翻譯。因?yàn)镽NA聚合酶的合成水平低得多，切開有利于各自的翻譯調(diào)控。轉(zhuǎn)錄后加工細(xì)菌mRNA多數(shù)不用加工，轉(zhuǎn)錄與翻譯是偶聯(lián)的。轉(zhuǎn)錄后加工27真核微生物的轉(zhuǎn)錄過程轉(zhuǎn)錄的酶——3種RNA聚合酶

酶位置產(chǎn)物相對活性RNA聚合酶Ⅰ核仁rRNA(5.8S、18S、28S)50%~70%RNA聚合酶Ⅱ核質(zhì)mRNA20%~40%RNA聚合酶Ⅲ核質(zhì)tRNA,5SrRNA~10%真核微生物的轉(zhuǎn)錄過程轉(zhuǎn)錄的酶——3種RNA聚合酶酶位置產(chǎn)物28轉(zhuǎn)錄過程起始RNA聚合酶Ⅱ接合在起始位點(diǎn)附近，由轉(zhuǎn)錄因子（TFⅡ）協(xié)助識別啟動(dòng)子。目前已知RNA聚合酶Ⅱ至少有六種不同的蛋白因子參與轉(zhuǎn)錄復(fù)合體的形成。這些蛋白因子被稱為轉(zhuǎn)錄因子（trans-criptionalfactor,TF)。包括TFⅡA，TFⅡB，TFⅡD，TFⅡE，TFⅡF，TFⅡ-I。

轉(zhuǎn)錄過程起始RNA聚合酶Ⅱ接合在起始位點(diǎn)附近，由轉(zhuǎn)錄因子（T29延長延長30終止

真核生物轉(zhuǎn)錄終止的機(jī)制，目前了解尚不多，而且3種RNA聚合酶的轉(zhuǎn)錄終止不完全相同。RNA聚合酶Ⅰ催化的轉(zhuǎn)錄有18bp的終止子序列，可被輔助因子識別。RNA聚合酶II和III催化轉(zhuǎn)錄的終止子，可能有與原核生物不依賴ρ因子的終止子相似的結(jié)構(gòu)和終止機(jī)制，即有富含GC的莖-環(huán)結(jié)構(gòu)(stem-loopstructure)和連續(xù)的U。由于成熟的mRNA3’端已被切除了一段并加入了polyA尾，具體的轉(zhuǎn)錄終止點(diǎn)目前尚未認(rèn)識。終止真核生物轉(zhuǎn)錄終止的機(jī)制，目前了解尚不多，31轉(zhuǎn)錄后加工加帽：轉(zhuǎn)錄合成前體RNA（hnRNA）在磷酸酶的作用下，將5'-端的磷酸基水解，然后再加上鳥苷三磷酸，形成GpppN的結(jié)構(gòu)，再對G進(jìn)行甲基化;轉(zhuǎn)錄后加工32加尾：這一過程也是細(xì)胞核內(nèi)完成，首先由核酸外切酶切去3‘-端一些過剩的核苷酸，然后再加入polyA。加尾：這一過程也是細(xì)胞核內(nèi)完成，首先由核酸外切酶切去3‘-端33剪接：核內(nèi)小RNA（snRNA）與蛋白質(zhì)結(jié)合形成小核核糖核蛋白顆粒（snRNP），可識別內(nèi)含子和外顯子的交接位點(diǎn)，從而將內(nèi)含子切割下來，并準(zhǔn)確地將各外顯子拼接好，成為完好的具有功能的mRNA。外顯子剪接：核內(nèi)小RNA（snRNA）與蛋白質(zhì)結(jié)合形成小核核糖核蛋34原核微生物和真核微生物轉(zhuǎn)錄過程的區(qū)別

真核微生物RNA的轉(zhuǎn)錄是在細(xì)胞核內(nèi)進(jìn)行的，而蛋白質(zhì)的合成則是在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)進(jìn)行的。所以，RNA轉(zhuǎn)錄后首先必須從核內(nèi)運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞質(zhì)內(nèi)，才能指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成。

真核微生物一個(gè)mRNA分子一般只含有一個(gè)基因，編碼一條多肽鏈；原核微生物的一個(gè)mRNA分子通常含有多個(gè)基因。原核微生物和真核微生物轉(zhuǎn)錄過程的區(qū)別真核微生物RNA的轉(zhuǎn)錄35在原核微生物中只有一種RNA聚合酶，催化所有RNA的合成；而在真核微生物中則有RNA聚合酶Ⅰ、RNA聚合酶Ⅱ和RNA聚合酶Ⅲ三種不同酶，分別催化不同種類型RNA的合成。原核生物中RNA聚合酶可以直接起始轉(zhuǎn)錄合成RNA，真核生物則不能獨(dú)立轉(zhuǎn)錄RNA。在真核生物中，三種RNA聚合酶都必須在蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)錄因子的協(xié)助下才能進(jìn)行RNA的轉(zhuǎn)錄。另外，RNA聚合酶對轉(zhuǎn)錄啟動(dòng)子的識別，也比原核生物更加復(fù)雜。在原核微生物中只有一種RNA聚合酶，催化所有RNA的合成；而36六、微生物的細(xì)胞分裂DNA復(fù)制蛋白質(zhì)合成核物質(zhì)蛋白質(zhì)均勻分配形成橫隔膜子細(xì)胞子細(xì)胞六、微生物的細(xì)胞分裂DNA復(fù)制核物質(zhì)形成子細(xì)胞子細(xì)胞37第二節(jié)微生物的變異一、變異的實(shí)質(zhì)—基因突變

生物DNA堿基系列的任何改變，包括一對或少數(shù)幾對堿基的缺失、插入或置換，而導(dǎo)致的遺傳變化稱為基因突變。第二節(jié)微生物的變異一、變異的實(shí)質(zhì)—基因突變38二、基因突變的類型（一）自發(fā)突變：指某種生物在自然條件下，沒有人工參與而發(fā)生的基因突變。（二）誘發(fā)突變：是指利用物理或化學(xué)因素處理生物群體，促使少數(shù)個(gè)體細(xì)胞的DNA分子結(jié)構(gòu)發(fā)生突變，在基因內(nèi)部堿基配對發(fā)生差別，引起生物的遺傳性狀發(fā)生突變。物理誘變化學(xué)誘變復(fù)合處理及協(xié)同效應(yīng)定向培育和馴化二、基因突變的類型39定向培育（馴化）人為用某一種特定環(huán)境長期處理某一微生物群體，同時(shí)不斷將它們進(jìn)行移種傳代，以達(dá)到累積和選擇合適的自發(fā)突變體。

環(huán)境工程中常用這種方法培育新菌種。定向培育（馴化）人為用某一種特定環(huán)境長期處理40第三節(jié)基因重組

基因重組：兩個(gè)不同性狀的個(gè)體細(xì)胞的DNA融合，使基因重新組合，從而發(fā)生遺傳變異，產(chǎn)生新品種的過程。

基因重組包括雜交、轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)導(dǎo)等方法。第三節(jié)基因重組基因重組：兩個(gè)不同性狀的個(gè)體細(xì)胞41一、雜交（hybridization）細(xì)菌有性生殖通過雙親細(xì)胞的融合，使整套染色體的基因重組，或是通過雙親細(xì)胞的部分溝通，使部分染色體基因重組的現(xiàn)象。一、雜交（hybridization）細(xì)菌有性生殖通過雙親42二、轉(zhuǎn)化（Transformation）受體細(xì)胞直接吸收供體細(xì)胞的DNA片段，并把它整合到自己的基因組里，從而獲得供體細(xì)胞部分遺傳性狀的現(xiàn)象。受體細(xì)菌獲得了供體細(xì)菌的部分遺傳性狀—“轉(zhuǎn)運(yùn)同化”目前發(fā)現(xiàn)自然狀態(tài)下許多其它細(xì)菌、放線菌、真菌和高等動(dòng)植物中都也有轉(zhuǎn)化現(xiàn)象。二、轉(zhuǎn)化（Transformation）受體細(xì)胞直接吸收供體43通過溫和噬菌體的媒介作用，把供體細(xì)胞內(nèi)特定的基因（DNA片段）攜帶至受體細(xì)胞中，使后者獲得前者部分遺傳性狀的現(xiàn)象。三、轉(zhuǎn)導(dǎo)（Transduction）轉(zhuǎn)導(dǎo)是1952年N·D·津德和J·萊德伯格在研究鼠沙門氏傷寒桿菌重組時(shí)發(fā)現(xiàn)的。通過溫和噬菌體的媒介作用，把供體細(xì)胞內(nèi)特定的基因（DNA片段44LA-2A-B+LA-22A+B-LA-2是能合成色氨酸（B+）但不能合成組氨酸（A-）的沙門氏傷寒桿菌

指導(dǎo)色氨酸合成的基因超微燒結(jié)玻璃板細(xì)菌不能通過，噬菌體可以通過轉(zhuǎn)導(dǎo)能合成色氨酸間諜侵入、重組“轉(zhuǎn)移、導(dǎo)手”LA-22是

合成色氨酸（B-）但能合成組氨酸（A+）的沙門氏傷寒桿菌一些細(xì)胞中含有繁殖速度較慢的溫和噬菌體P-22

不能LA-2A-B+LA-22A+B-LA-2是能合成色氨酸45第四節(jié)突變體的檢測與篩選一、突變體的檢測

1、直接檢測表現(xiàn)型2、間接檢測法—通過控制培養(yǎng)條件獲得突變體（如Ames實(shí)驗(yàn)）。二、突變體的篩選

篩選方法：創(chuàng)造一種只允許突變體生長，抑制原養(yǎng)型菌生長的培養(yǎng)基或生長環(huán)境條件。第四節(jié)突變體的檢測與篩選一、突變體的檢測二、突變體的篩46第五節(jié)分子遺傳學(xué)技術(shù)在環(huán)境工程和環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用一、遺傳工程在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用遺傳工程是70年代初發(fā)展起來的生物技術(shù)。定義：對遺傳物質(zhì)進(jìn)行改造（人工干預(yù)下的雜交、轉(zhuǎn)化、接合、轉(zhuǎn)導(dǎo)）的技術(shù)。特點(diǎn)：類似工程設(shè)計(jì)那樣有很高的預(yù)見性、精確性與嚴(yán)密性。應(yīng)用：質(zhì)粒育種第五節(jié)分子遺傳學(xué)技術(shù)在環(huán)境工程和環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用一、遺傳47（一）質(zhì)粒育種簡介1、質(zhì)粒：原核微生物中，游離于核基因組外，具有獨(dú)立復(fù)制能力的小型共價(jià)閉合環(huán)狀DNA分子。2、質(zhì)粒的類型接合性質(zhì)?？顾幮再|(zhì)粒產(chǎn)細(xì)菌素和抗生素質(zhì)粒具生理功能的質(zhì)粒（如降解質(zhì)粒）產(chǎn)毒質(zhì)粒（一）質(zhì)粒育種簡介1、質(zhì)粒：原核微生物中，游離于核基因組外，48第6章微生物遺傳與變異課件493、質(zhì)粒育種將兩種或多種微生物通過細(xì)胞結(jié)合或融合技術(shù)，使供體菌的質(zhì)粒轉(zhuǎn)移到受體菌內(nèi)，使受體菌保留自身功能質(zhì)粒，同時(shí)獲得供體菌的功能質(zhì)粒，即培育具有兩種或多種功能質(zhì)料的新品種的過程。3、質(zhì)粒育種將兩種或多種微生物通過細(xì)胞結(jié)合或50（二）質(zhì)粒育種技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用（1）多功能超級細(xì)菌的構(gòu)建降解芳烴、萜烴、多環(huán)芳烴和脂烴（2）解烷抗汞質(zhì)粒菌的構(gòu)建降解辛烷、乙烷、癸烷和耐高濃度汞（3）脫色工程菌的構(gòu)建分解兩種偶氮染料（4）Q5T工程菌的構(gòu)建在低溫下降解甲苯和二甲苯（二）質(zhì)粒育種技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用（1）多功能超級細(xì)菌的構(gòu)51二、基因工程技術(shù)1、基因工程（geneengineering）的概念

是根據(jù)人們的科研或生產(chǎn)需要，在分子水平上，用人工方法提取或合成不同生物的遺傳物質(zhì)（DNA片段），在體外切割，拼接形成重組DNA，然后將重組DNA與載體的遺傳物質(zhì)重新組合，再將其引入到?jīng)]有該DNA的受體細(xì)胞中，進(jìn)行復(fù)制和表達(dá)，生產(chǎn)出符合人類需要的產(chǎn)品或創(chuàng)造出生物的新性狀，并使之穩(wěn)定地遺傳給下一代。二、基因工程技術(shù)1、基因工程（geneengineerin52從供體細(xì)胞選擇獲取含目的基因的DNA片段將目的DNA片段和質(zhì)粒在體外重組將重組體轉(zhuǎn)入受體細(xì)胞重組體克隆的篩選與鑒定外源基因表達(dá)產(chǎn)物的分離與提純2、基因工程的操作步驟從供體細(xì)胞選擇獲取含目的基因的DNA片段2、基因工程的操作步533、基因工程在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用超級細(xì)菌的構(gòu)建在原核微生物與動(dòng)物之間、動(dòng)物與植物之間的轉(zhuǎn)基因工程，有利于環(huán)境保護(hù)。3、基因工程在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用超級細(xì)菌的構(gòu)建54

1、PCR技術(shù)簡介

PCR——DNA多聚酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)技術(shù)。

PCR的原理：利用適宜的引物、DNA聚合酶、4種脫氧核苷酸（dNTP）以及合適的反應(yīng)條件使靶DNA的拷貝數(shù)在短時(shí)間內(nèi)（幾小時(shí)）在體外增加百萬倍以上，從而容易對靶DNA序列進(jìn)行分析。

三、PCR技術(shù)1、PCR技術(shù)簡介三、PCR技術(shù)55加熱變性——將雙鏈DNA加熱（94～95℃）變性為兩條單鏈DNA，作為擴(kuò)增模板；退火——單鏈DNA溶液溫度下降至55℃，引物DNA堿基與單鏈模板DNA堿基互補(bǔ)配對；延伸——72℃溫度下，由合成酶（DNA高溫多聚酶）催化，從引物開始合成目的基因；電泳——將擴(kuò)增產(chǎn)物進(jìn)行瓊脂糖凝膠電泳觀察2、PCR的操作步驟加熱變性——將雙鏈DNA加熱（94～95℃）變性為兩條單鏈D56PCR操作流程95

0C550C720CDNA互補(bǔ)雙鏈復(fù)制起點(diǎn)DNA合成PCR950C550C720CDNA互補(bǔ)雙鏈57研究特定環(huán)境中微生物區(qū)系的組成、結(jié)構(gòu)，分析種群動(dòng)態(tài)；環(huán)境中特定微生物的監(jiān)測（分類、鑒定）。

3、PCR技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用研究特定環(huán)境中微生物區(qū)系的組成、結(jié)構(gòu)，分析種群動(dòng)態(tài)；3、P58四.分子遺傳學(xué)綜合技術(shù)在環(huán)境微生物中的應(yīng)用16SRNA序列分析技術(shù)：從微生物樣品中提取16SRNA的基因片段，通過克隆、測序或酶切、探針雜交，獲得16SRNA序列信息，再與16SRNA數(shù)據(jù)庫中的序列數(shù)據(jù)或其它數(shù)據(jù)進(jìn)行對照比較，確定其在進(jìn)化樹中的位置，從而鑒定樣品中可能存在的微生物種類。四.分子遺傳學(xué)綜合技術(shù)在環(huán)境微生物中的應(yīng)用16SRNA序列59第六章

微生物的遺傳和變異第六章

微生物的遺傳和變異60主要內(nèi)容微生物的遺傳微生物的變異基因重組突變體的檢測與篩選分子遺傳學(xué)技術(shù)在環(huán)境工程和環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用主要內(nèi)容微生物的遺傳61

一.遺傳與變異的物質(zhì)基礎(chǔ)——DNA第一節(jié)微生物的遺傳證據(jù)1：1928年格里菲斯肺炎鏈球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)1941年艾弗里肺炎鏈球菌轉(zhuǎn)化補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)證據(jù)2：1952年赫西和蔡斯大腸桿菌T2噬菌體感染大腸桿菌實(shí)驗(yàn)一.遺傳與變異的物質(zhì)基礎(chǔ)——DNA第一節(jié)微生62

基本組成元素：C、H、O、N、P

基本單位：脫氧核苷酸

（一）DNA的結(jié)構(gòu)二、DNA的結(jié)構(gòu)與復(fù)制

DNA的分子組成:

基本組成元素：C、H、O、N、P

基本單位：63

DNA的平面結(jié)構(gòu)：脫氧核苷酸長鏈

DNA的平面結(jié)構(gòu)：脫氧核苷酸長鏈64DNA的空間結(jié)構(gòu):雙螺旋結(jié)構(gòu)DNA的空間結(jié)構(gòu):651、DNA的存在形式

真核微生物原核微生物DNA+組蛋白→染色體+核膜→真核DNA+少量蛋白→環(huán)狀染色體→擬核1、DNA的存在形式真核微生物原核微生物DNA+組蛋白→染662、基因—遺傳因子基因—是具有固定的起點(diǎn)和終點(diǎn)的核苷酸或密碼的線性序列。是編碼多肽、tRNA或rRNA的多核苷酸序列?；虬垂δ芸煞譃槿N結(jié)構(gòu)基因—編碼蛋白質(zhì)或酶的結(jié)構(gòu)操縱區(qū)—“開關(guān)”，操縱結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)調(diào)節(jié)基因—編碼調(diào)節(jié)蛋白，與操縱區(qū)結(jié)合，控制結(jié)構(gòu)基因表達(dá)2、基因—遺傳因子基因—是具有固定的起點(diǎn)和終點(diǎn)的核苷酸或密碼67大腸桿菌乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)及調(diào)節(jié)RPO結(jié)構(gòu)基因3個(gè)Z、Y、A：結(jié)構(gòu)基因P：啟動(dòng)子O：操縱基因R：調(diào)節(jié)基因

Z

Y

Aβ-半乳糖苷酶

β-半乳糖苷酶透過酶

β-半乳糖苷酶乙酰氨基轉(zhuǎn)移酶

大腸桿菌乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)及調(diào)節(jié)RPO結(jié)構(gòu)基因3個(gè)Z、Y、A：68RPOZ

Y

A阻遏蛋白阻抑蛋白封閉操縱區(qū)，結(jié)構(gòu)基因不表達(dá)RPOZY69RPOZY

A阻遏蛋白誘導(dǎo)物與阻抑蛋白結(jié)合，阻抑蛋白不能封閉操縱區(qū)，結(jié)構(gòu)基因得以表達(dá)誘導(dǎo)物RPOZY70

3、遺傳信息的傳遞—中心法則3、遺傳信息的傳遞—中心法則71（二）DNA的復(fù)制—半保留復(fù)制（二）DNA的復(fù)制—半保留復(fù)制72三、DNA的變性和復(fù)性（一）DNA的變性

概念—當(dāng)天然雙鏈DNA受熱或其他因素的作用下，兩條鏈之間的結(jié)合力被破壞而分開成單鏈DNA，即稱為DNA變性。導(dǎo)致DNA變性的因素加熱——80℃

~100℃，完全解鏈提高pH

——pH≥11.3，完全變性變性試劑——尿素和甲硫胺三、DNA的變性和復(fù)性（一）DNA的變性73（G+C）%=（Tm-69.3）×2.44（G+C）%=（Tm-69.3）×2.4474（二）DNA的復(fù)性（退火）概念—變性DNA在適當(dāng)條件下，分開的兩條單鏈分子按照堿基互補(bǔ)原則重新恢復(fù)天然的雙螺旋構(gòu)象的現(xiàn)象。復(fù)性的DNA是隨機(jī)結(jié)合的，只能部分保持原有性狀。（二）DNA的復(fù)性（退火）75四、RNA1、RNA和DNA組成的區(qū)別核糖代替脫氧核糖尿嘧啶（U）代替胸腺嘧啶（T）2、RNA的種類mRNA（信使RNA）tRNA（轉(zhuǎn)運(yùn)RNA）rRNA（核糖體RNA）反義RNA（調(diào)節(jié)DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯）四、RNA1、RNA和DNA組成的區(qū)別2、RNA的種類76五、微生物的生長1.微生物的生長主要是蛋白質(zhì)的合成平衡生長：當(dāng)微生物的生長進(jìn)入對數(shù)期，細(xì)胞中全部的生化組成都以相同的速率進(jìn)行合成，這個(gè)過程稱為平衡生長。五、微生物的生長1.微生物的生長主要是蛋白質(zhì)的合成772.蛋白質(zhì)合成過程DNA復(fù)制DNA轉(zhuǎn)錄tRNA翻譯蛋白質(zhì)合成2.蛋白質(zhì)合成過程DNA復(fù)制78原核微生物的轉(zhuǎn)錄過程轉(zhuǎn)錄的酶——RNA聚合酶

RNA聚合酶組成：α2ββ’ω+σα亞基—解開前方DNA雙螺旋、恢復(fù)后面的DNA雙螺旋；β亞基—催化磷酸二酯鍵的形成；β’亞基—與DNA非模板鏈結(jié)合；σ亞基—識別DNA轉(zhuǎn)錄的起始部位，從而引導(dǎo)全酶結(jié)合上去。ω亞基：在全酶中存在，功能不清楚。原核微生物的轉(zhuǎn)錄過程轉(zhuǎn)錄的酶——RNA聚合酶RNA聚合79核心酶全酶轉(zhuǎn)錄起始轉(zhuǎn)錄延長階段σ亞基脫落核心酶全酶轉(zhuǎn)錄起始轉(zhuǎn)錄延長階段σ亞基脫80起始：RNA聚合酶與DNA模板的啟動(dòng)子(promoter)結(jié)合-35-10Pribnowbox(普里布諾盒)轉(zhuǎn)錄過程

起始：RNA聚合酶與DNA模板的啟動(dòng)子(promoter)結(jié)81延長：在RNA聚合酶催化下，以模板鏈為模板按5′→3′方向合成互補(bǔ)的RNA鏈。5′5′3′3′5′3′RNA聚合酶DNARNA延長：在RNA聚合酶催化下，以模板鏈為模板按5′→3′方向82終止：RNA聚合酶到達(dá)轉(zhuǎn)錄終止區(qū)，則停止轉(zhuǎn)錄。終止子—能夠使RNA轉(zhuǎn)錄停止的DNA序列。

終止的方式：

（1）依賴于（Rho）因子的終止（2）不依賴于（Rho）因子的終止終止：RNA聚合酶到達(dá)轉(zhuǎn)錄終止區(qū)，則停止轉(zhuǎn)錄。終止的方式：83（1）依賴于因子的終止（1）依賴于因子的終止84RNARNA聚合酶（2）不依賴于因子的終止莖環(huán)/發(fā)夾結(jié)構(gòu)RNARNA聚合酶（2）不依賴于因子的終止莖環(huán)/發(fā)夾結(jié)構(gòu)85細(xì)菌mRNA多數(shù)不用加工，轉(zhuǎn)錄與翻譯是偶聯(lián)的。少數(shù)多順反子信使RNA（一種能作為兩種或多種多肽鏈翻譯模板的信使RNA

）必須由內(nèi)切酶切成較小的單位，然后翻譯。如核糖體大亞基蛋白與RNA聚合酶的β亞基基因組成混合操縱子，轉(zhuǎn)錄后需經(jīng)RNA酶III切開，各自翻譯。因?yàn)镽NA聚合酶的合成水平低得多，切開有利于各自的翻譯調(diào)控。轉(zhuǎn)錄后加工細(xì)菌mRNA多數(shù)不用加工，轉(zhuǎn)錄與翻譯是偶聯(lián)的。轉(zhuǎn)錄后加工86真核微生物的轉(zhuǎn)錄過程轉(zhuǎn)錄的酶——3種RNA聚合酶

酶位置產(chǎn)物相對活性RNA聚合酶Ⅰ核仁rRNA(5.8S、18S、28S)50%~70%RNA聚合酶Ⅱ核質(zhì)mRNA20%~40%RNA聚合酶Ⅲ核質(zhì)tRNA,5SrRNA~10%真核微生物的轉(zhuǎn)錄過程轉(zhuǎn)錄的酶——3種RNA聚合酶酶位置產(chǎn)物87轉(zhuǎn)錄過程起始RNA聚合酶Ⅱ接合在起始位點(diǎn)附近，由轉(zhuǎn)錄因子（TFⅡ）協(xié)助識別啟動(dòng)子。目前已知RNA聚合酶Ⅱ至少有六種不同的蛋白因子參與轉(zhuǎn)錄復(fù)合體的形成。這些蛋白因子被稱為轉(zhuǎn)錄因子（trans-criptionalfactor,TF)。包括TFⅡA，TFⅡB，TFⅡD，TFⅡE，TFⅡF，TFⅡ-I。

轉(zhuǎn)錄過程起始RNA聚合酶Ⅱ接合在起始位點(diǎn)附近，由轉(zhuǎn)錄因子（T88延長延長89終止

真核生物轉(zhuǎn)錄終止的機(jī)制，目前了解尚不多，而且3種RNA聚合酶的轉(zhuǎn)錄終止不完全相同。RNA聚合酶Ⅰ催化的轉(zhuǎn)錄有18bp的終止子序列，可被輔助因子識別。RNA聚合酶II和III催化轉(zhuǎn)錄的終止子，可能有與原核生物不依賴ρ因子的終止子相似的結(jié)構(gòu)和終止機(jī)制，即有富含GC的莖-環(huán)結(jié)構(gòu)(stem-loopstructure)和連續(xù)的U。由于成熟的mRNA3’端已被切除了一段并加入了polyA尾，具體的轉(zhuǎn)錄終止點(diǎn)目前尚未認(rèn)識。終止真核生物轉(zhuǎn)錄終止的機(jī)制，目前了解尚不多，90轉(zhuǎn)錄后加工加帽：轉(zhuǎn)錄合成前體RNA（hnRNA）在磷酸酶的作用下，將5'-端的磷酸基水解，然后再加上鳥苷三磷酸，形成GpppN的結(jié)構(gòu)，再對G進(jìn)行甲基化;轉(zhuǎn)錄后加工91加尾：這一過程也是細(xì)胞核內(nèi)完成，首先由核酸外切酶切去3‘-端一些過剩的核苷酸，然后再加入polyA。加尾：這一過程也是細(xì)胞核內(nèi)完成，首先由核酸外切酶切去3‘-端92剪接：核內(nèi)小RNA（snRNA）與蛋白質(zhì)結(jié)合形成小核核糖核蛋白顆粒（snRNP），可識別內(nèi)含子和外顯子的交接位點(diǎn)，從而將內(nèi)含子切割下來，并準(zhǔn)確地將各外顯子拼接好，成為完好的具有功能的mRNA。外顯子剪接：核內(nèi)小RNA（snRNA）與蛋白質(zhì)結(jié)合形成小核核糖核蛋93原核微生物和真核微生物轉(zhuǎn)錄過程的區(qū)別

真核微生物RNA的轉(zhuǎn)錄是在細(xì)胞核內(nèi)進(jìn)行的，而蛋白質(zhì)的合成則是在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)進(jìn)行的。所以，RNA轉(zhuǎn)錄后首先必須從核內(nèi)運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞質(zhì)內(nèi)，才能指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成。

真核微生物一個(gè)mRNA分子一般只含有一個(gè)基因，編碼一條多肽鏈；原核微生物的一個(gè)mRNA分子通常含有多個(gè)基因。原核微生物和真核微生物轉(zhuǎn)錄過程的區(qū)別真核微生物RNA的轉(zhuǎn)錄94在原核微生物中只有一種RNA聚合酶，催化所有RNA的合成；而在真核微生物中則有RNA聚合酶Ⅰ、RNA聚合酶Ⅱ和RNA聚合酶Ⅲ三種不同酶，分別催化不同種類型RNA的合成。原核生物中RNA聚合酶可以直接起始轉(zhuǎn)錄合成RNA，真核生物則不能獨(dú)立轉(zhuǎn)錄RNA。在真核生物中，三種RNA聚合酶都必須在蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)錄因子的協(xié)助下才能進(jìn)行RNA的轉(zhuǎn)錄。另外，RNA聚合酶對轉(zhuǎn)錄啟動(dòng)子的識別，也比原核生物更加復(fù)雜。在原核微生物中只有一種RNA聚合酶，催化所有RNA的合成；而95六、微生物的細(xì)胞分裂DNA復(fù)制蛋白質(zhì)合成核物質(zhì)蛋白質(zhì)均勻分配形成橫隔膜子細(xì)胞子細(xì)胞六、微生物的細(xì)胞分裂DNA復(fù)制核物質(zhì)形成子細(xì)胞子細(xì)胞96第二節(jié)微生物的變異一、變異的實(shí)質(zhì)—基因突變

生物DNA堿基系列的任何改變，包括一對或少數(shù)幾對堿基的缺失、插入或置換，而導(dǎo)致的遺傳變化稱為基因突變。第二節(jié)微生物的變異一、變異的實(shí)質(zhì)—基因突變97二、基因突變的類型（一）自發(fā)突變：指某種生物在自然條件下，沒有人工參與而發(fā)生的基因突變。（二）誘發(fā)突變：是指利用物理或化學(xué)因素處理生物群體，促使少數(shù)個(gè)體細(xì)胞的DNA分子結(jié)構(gòu)發(fā)生突變，在基因內(nèi)部堿基配對發(fā)生差別，引起生物的遺傳性狀發(fā)生突變。物理誘變化學(xué)誘變復(fù)合處理及協(xié)同效應(yīng)定向培育和馴化二、基因突變的類型98定向培育（馴化）人為用某一種特定環(huán)境長期處理某一微生物群體，同時(shí)不斷將它們進(jìn)行移種傳代，以達(dá)到累積和選擇合適的自發(fā)突變體。

環(huán)境工程中常用這種方法培育新菌種。定向培育（馴化）人為用某一種特定環(huán)境長期處理99第三節(jié)基因重組

基因重組：兩個(gè)不同性狀的個(gè)體細(xì)胞的DNA融合，使基因重新組合，從而發(fā)生遺傳變異，產(chǎn)生新品種的過程。

基因重組包括雜交、轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)導(dǎo)等方法。第三節(jié)基因重組基因重組：兩個(gè)不同性狀的個(gè)體細(xì)胞100一、雜交（hybridization）細(xì)菌有性生殖通過雙親細(xì)胞的融合，使整套染色體的基因重組，或是通過雙親細(xì)胞的部分溝通，使部分染色體基因重組的現(xiàn)象。一、雜交（hybridization）細(xì)菌有性生殖通過雙親101二、轉(zhuǎn)化（Transformation）受體細(xì)胞直接吸收供體細(xì)胞的DNA片段，并把它整合到自己的基因組里，從而獲得供體細(xì)胞部分遺傳性狀的現(xiàn)象。受體細(xì)菌獲得了供體細(xì)菌的部分遺傳性狀—“轉(zhuǎn)運(yùn)同化”目前發(fā)現(xiàn)自然狀態(tài)下許多其它細(xì)菌、放線菌、真菌和高等動(dòng)植物中都也有轉(zhuǎn)化現(xiàn)象。二、轉(zhuǎn)化（Transformation）受體細(xì)胞直接吸收供體102通過溫和噬菌體的媒介作用，把供體細(xì)胞內(nèi)特定的基因（DNA片段）攜帶至受體細(xì)胞中，使后者獲得前者部分遺傳性狀的現(xiàn)象。三、轉(zhuǎn)導(dǎo)（Transduction）轉(zhuǎn)導(dǎo)是1952年N·D·津德和J·萊德伯格在研究鼠沙門氏傷寒桿菌重組時(shí)發(fā)現(xiàn)的。通過溫和噬菌體的媒介作用，把供體細(xì)胞內(nèi)特定的基因（DNA片段103LA-2A-B+LA-22A+B-LA-2是能合成色氨酸（B+）但不能合成組氨酸（A-）的沙門氏傷寒桿菌

指導(dǎo)色氨酸合成的基因超微燒結(jié)玻璃板細(xì)菌不能通過，噬菌體可以通過轉(zhuǎn)導(dǎo)能合成色氨酸間諜侵入、重組“轉(zhuǎn)移、導(dǎo)手”LA-22是

合成色氨酸（B-）但能合成組氨酸（A+）的沙門氏傷寒桿菌一些細(xì)胞中含有繁殖速度較慢的溫和噬菌體P-22

不能LA-2A-B+LA-22A+B-LA-2是能合成色氨酸104第四節(jié)突變體的檢測與篩選一、突變體的檢測

1、直接檢測表現(xiàn)型2、間接檢測法—通過控制培養(yǎng)條件獲得突變體（如Ames實(shí)驗(yàn)）。二、突變體的篩選

篩選方法：創(chuàng)造一種只允許突變體生長，抑制原養(yǎng)型菌生長的培養(yǎng)基或生長環(huán)境條件。第四節(jié)突變體的檢測與篩選一、突變體的檢測二、突變體的篩105第五節(jié)分子遺傳學(xué)技術(shù)在環(huán)境工程和環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用一、遺傳工程在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用遺傳工程是70年代初發(fā)展起來的生物技術(shù)。定義：對遺傳物質(zhì)進(jìn)行改造（人工干預(yù)下的雜交、轉(zhuǎn)化、接合、轉(zhuǎn)導(dǎo)）的技術(shù)。特點(diǎn)：類似工程設(shè)計(jì)那樣有很高的預(yù)見性、精確性與嚴(yán)密性。應(yīng)用：質(zhì)粒育種第五節(jié)分子遺傳學(xué)技術(shù)在環(huán)境工程和環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用一、遺傳106（一）質(zhì)粒育種簡介1、質(zhì)粒：原核微生物中，游離于核基因組外，具有獨(dú)立復(fù)制能力的小型共價(jià)閉合環(huán)狀DNA分子。2、質(zhì)粒的類型接合性質(zhì)?？顾幮再|(zhì)粒產(chǎn)細(xì)菌素和抗生素質(zhì)粒具生理功能的質(zhì)粒（如降解質(zhì)粒）產(chǎn)毒質(zhì)粒（一）質(zhì)粒育種簡介1、質(zhì)粒：原核微生物中，游離于核基因組外，107