微生物将其生长发育所需的营养类型及环境条件,以及对这些营养和外界环境条件产生的一定反应,或出现的一定性状传给后代,并稳定地一代一代传下去
遗传信息必须由某些物质作为其携带和传递的载体。现已肯定这个物质基础在绝大多数生物体中就是脱氧核糖核酸(DNA)
生物体遗传物质的结构发生了稳定的可遗传的变化。使生物在亲代与子代之间,以及在子代与子代之间表现出一定差异的现象
特点:出现几率低、性状变化幅度大、新性状稳定、可遗传
具有特定核苷酸顺序的核酸片段,存在于染色体上,是一切生物体内储存遗传信息的、有自我复制能力的遗传功能单位
一个细胞或者生物体所携带的一套完整的单倍体序列遗传信息,包括全套基因和间隔序列
指生物体内所包含的全部基因
在特定的外界环境中,通过生长和发育所表现出的种种形态和生理特征的总和
同遗传型的生物,在不同的外界条件下,会呈现不同的表型
但这不是真正的变异,因为在这种个体中,其遗传物质结构并未发生变化
表现型 = 基因型 + 环境
细菌世代时间:细菌两次细胞分裂之间的时间
在工业废水生物处理中,用含有某些污染物的工业废水筛选、培养来自处理其他废水的菌种,使它们适应该种工业废水,并产生高效降解其中污染物能力的方法 污泥驯化
在细菌培养基中循序渐进地加入靶向环境的材料或基质,让细菌逐渐适应并依赖靶向环境的材料或基质,从而达到改善或改变环境中的有效成分的目的
DNA由两条多核苷酸链彼此互补,并排列方向相反,围绕同一根主轴互相盘绕形成的,具有一定空间距离的双螺旋结构
1个DNA分子——2条多核苷酸链——若干核苷——磷酸+脱氧核糖——5碳糖+碱基(T(胸腺嘧啶thymine)、A(腺嘌吟adenine)、G(鸟嘌呤guanine)、C(胞嘧啶cytosine))。一个DNA含几十万-百万碱基对
真核生物(人、高等动植物、真菌、藻类及原生动物)的DNA和组蛋白等组成染色体,少的几个,多的几十或更多,染色体呈丝状结构,细胞内所有染色体由核膜包裹成 一个细胞核
原核微生物的DNA只与很少量的蛋白质结合,没有核膜包围,单纯由一条DNA 细丝构成环状的染色体,拉直时比细胞长许多倍,它在细胞的中央,高度折叠形成具有空间结构的一个核区
染色体是所有生物(真核微生物和原核 微生物)遗传物质DNA的主要存在形式。 但是不同生物的DNA相对分子质量、碱基对数、长度等很不相同,总趋势是越是低等 的生物,其DNA相对分子质量、碱基对数和长度越小,相反则越长,即染色体 DNA的含量,真核生物高于原核生物,高等动植物高于真核微生物
真核生物的染色体由DNA及蛋白质(组蛋白)构成,原核生物的染色体是单纯的DNA或RNA;
真核生物的染色体不止一个,呈线形,而原核微生物的染色体往往只有一个,呈环形;
真核生物的多条染色体形成核仁并为核膜所包被,膜上有孔,而原核微生物的染色体外无膜包围
细胞器DNA是真核微生物中除染色体外遗传物质存在的另一种重要形式。真核微生物具有的细胞器包括叶绿体、线粒体 、中心粒、毛基体等
这些细胞器都有自己的独立于染色体的DNA.这些DNA与其他物质一起构成具有特定形态的细胞器结构, 并且携带有编码相应酶的基因,如线粒体DNA携带有编码呼吸酶的基因,叶绿体DNA携带有编码光合作用酶系的基因
结构复杂而多样 各种真核生物的染色体或者同一生物的各个染色体 虽然在长短大小上常不相同,但是其结构都基本相同。细胞器则具有复杂而多样化的结构,叶绿体和线粒体具有复杂的膜结构,中心粒和毛基体都具有微管或微丝结构。
不仅功能不一,而且对于生命活动常是不可缺少的 叶绿体为依靠光合作用生活的生物所必需,线粒体为细胞呼吸所必需,中心粒为细胞分裂所必需。
数目多少不一 每一细胞中有两个中心粒,光合微生物细胞中叶绿体数目不等,同样,线粒体数目在各种微生物中也很不相同
自体复制 线粒体DNA和叶绿体DNA都可进行半保留复制。除此以外,许多实验和观察结果表明这些细胞器通过分裂产生
一旦消失以后,后代细胞中不再出现 细胞器中的DNA常呈环状,数量只占染色体DNA的1%以下。与细胞器中的70SrRNA、tRNA和其他功能蛋白形成必要组分,构成一整套蛋白质合成的完全机制。但是细胞器中的许多蛋白不是细胞器DNA编码,而是由染色体DNA编码
微生物中染色体外DNA存在的另一形式——质粒
可在染色体上不同部位之间移动的遗传物质——转座因子等
转座因子包括插入序列 、转座子 和某些病毒如Mu噬菌体。这在真核微生物和原核微生物中都有存在
插入序列:IS能在染色体上和质粒的许多位点上插入并改换位点,因此也称跳跃基因
转座子:TN是能够插入染色体或质粒不同位点的一般DNA序列,大小为几个kb,具有转座功能,即可移动至不同位点上去,本身也可复制。转座后在原来位置仍保留1份拷贝。转座子上携带有编码某些细菌表型特征的基因, 如抗卡那霉素和新霉素的基因
另外,侵染微生物的某些DNA病毒、RNA病毒和噬菌体能自我复制,也可整合到染色体或质粒上,且可在微生物细胞之间进行转移而可看作是一类微生物染色体外的遗传物质
现已把在染色体组中或染色体组间能改变自身位置的一段DNA序列称作转座因子,也称作跳跃基因,或可移动基因
编码蛋白质或酶的结构,控制某种蛋白质或酶的合成
操纵三个结构基因的表达
DNA上贮存的遗传信息需要通过一系列物质变化过程才能在生理上和形态上表达出相应的遗传性状
DNA的复制和遗传信息传递的基本规则:中心法则
不论细胞生物还是非细胞生物,储存在DNA上的遗传信息都通过DNA转录为RNA,将遗传信息传给后代,并通过RNA的中间作用指导蛋白质的合成。只含RNA的病毒其遗传信息储存在RNA上,通过反转录酶的作用由RNA转录为DNA,这叫反向转录,从而将遗传信息传给后代
为确保微生物体内DNA碱基顺序精确不变,保证微生物的所有属性都得到遗传,则在细胞分裂之前,DNA以它具有独特的半保留式的自我复制能力,精确地进行 DNA复制,确保了一切生物遗传性的相对稳定
起始:复制单位复制子(replication bubble),一个起点,一段RNA引物
复制叉增长:DNA解旋,DNA聚合酶,双向,双链上进行,1700碱基对/s
复制终止:复制叉两端结束可能不同时
真核微生物的DNA复制在各染色体中同时进行,在每个染色体中有许多分立的位点,各位点上DNA的复制同时进行
DNA双链受到外界作用(受热、提高pH),氢键被破坏而形成单链的现象
变性DNA重新形成天然DNA的过程,也称为退火
高温条件下变性的DNA在降温后回重新形成双链结构
复性的双链DNA是随机结合的,复性后的DNA不可能全部是原来的DNA
以核糖代替脱氧核糖,尿嘧啶(U)代替胸腺嘧啶(T),碱基配对为:A—U、U—A、C—G、G—C四种
作为多聚核苷酸的一级结构,其上带有指导氨基酸的信息密码(三联密码子),它翻译氨基酸,具转递遗传性的功能
将DNA上的遗传信息携带到合成蛋白质的场所核糖体上,即其链上碱基的排列顺序决定了其所携带的遗传信息
所有编码构成蛋白质的20种氨基酸的全部密码子称为遗传密码EA-4 P23
64个密码子中 有3个密码子(UAA.UGA和UAG) 是终止密码子,作为终止合成的信号
其上有和mRNA互补的反密码子,能识别氨基酸及识别mRNA上的密码子,在
tRNA--氨基酸合成酶的作用下传递氨基酸,将氨基酸运输转移到核糖体上
起调节作用,决定mRNA翻译合成速度
能与DNA的碱基互补,并能阻止、干扰复制、转录和翻译的短小的RNA
和蛋白质结合成的核糖体,为合成蛋白质的场所
由mRNA、tRNA、反义RNA和rRNA协作合成蛋白质
当生长进入对数生长期,细胞中全部的生化组成都以相同的速率进行合成,叫平衡生长
决定某种蛋白质分子结构的相应一段DNA链(有义链,即结构基因)进行自我复制
DNA双链打开后,以单链为模板,按照碱基配对原则复制mRNA,将DNA上的信息转给mRNA
tRNA具有特定识别作用的两端:tRNA的一端识别特定的、已活化的氨基酸(在ATP和氨基酸合成酶作用下被活化),并与之暂时结合形成氨基酸-tRNA的结合分子(如甲酰甲硫氨酸-tRNA或甲硫氨酸-tRNA)。tRNA上另一端有 3个核苷酸碱基序列组成的反密码.它识别mRNA上的与之互补的三联密码,与之暂时结合,并将其翻译成相应的编码氨基酸序列,然后将编码的氨基酸序列转运到核糖体上。所以,tRNA是起翻泽和转运作用的
通过tRNA两端的识别作用,把特定氨基酸转送到核糖体上,使不同的氨基酸按照mRNA上的碱基序列连接起来,在多肽合成酶的作用下合成多肽链(mRNA的碱基序列决定了多肽链上氨基酸的序列),多肽链通过高度折叠成特定的蛋白质结构,最终合成具有不同生理特性的功能蛋白
微生物的DNA被某种因素引起碱基的丢失、置换、插入,改变了基因内部碱基的原有顺序,引发后代表现型的改变
指某种微生物在自然条件下,没有人工参与而发生的基因突变
不少自发突变是由于一些原因不详的低剂量诱变因素长期作用的综合效应。例 如,充满宇宙空间的各种短波辐射,自然界中存在的一些低浓度诱变物质及微生物自身代谢活动所产生的一些诱变物质(如H2O2)的作用
偶尔T不 酮基形式出现,而以烯醇式出现,C以亚氨基形式出现,在DNA复制时出现与之前不同的碱基对:G—T,A—C
1. 不对应性
2. 自发性
3. 稀有性
4. 独立性
5. 诱变性
6. 稳定性
由野生型基因变为突变型基因的过程称为正向突变,相反的过程则称为回复突变
诱发突变是利用物理或化学的因素处理微生物群体,促使少数个体细胞的DNA分子结构发生改变,在基因内部碱基配对发生错差,引起微生物的遗传性状发生突变
对DNA来说,碱基的置换属于一种染色体的微小损伤,一般也称点突变。它只涉及一对碱基被另一对碱基所置换。置换又可分为两个亚类:一类叫转换,即DNA链中的一个嘌呤被另一个嘌呤或是一个嘧啶被另一个嘧啶所置换;另一类叫颠换,即一个嘌呤被一个嘧啶或是一个嘧啶被一个嘌呤所置换。对某一诱变剂来说,既可同时引起转换与颠换,也可只具有其中的一种功能
指诱变剂使DNA分子中的一个或少数几个核苷酸增添(插入)或缺失,从 而使该部位后面的全部遗传密码发生转录和翻译错误的一类突变。由移码突变所产生的突变株,称为移码突变株。与染色体畸变相比,移码突变也只是DNA分子的微小损伤
染色体畸变包括缺失、重复、插入、易位、倒位
指发生细胞形态变化或引起菌落形态改变的那些突变型。如细菌鞭毛、芽孢或荚膜的有无,菌落的大小,外形的光滑(S型)、粗糙(R型)和颜色等的变异; 放线菌或真菌产孢子的多少、外形或颜色的变异等
指一类发生代谢途径变异但没有明显的形态变化的突变型
是一类重要的生化突变型。由基因突变而引起代谢过程中某种酶的合成能力丧失,而必须在原有培养基中添加相应的营养成分才能正常生长的突变型。 营养缺陷型在科研和生产实践中有着重要的应用
是一类能抵抗有害理化因素的突变型。根据其抵抗的对象可分抗药性、抗紫外线或抗噬菌体等突变类型。它们十分常见且极易分离,如在噬菌体平板上涂上大量敏感细胞群体,经一定时间培养后即可获得抗噬菌体突变类型
指细胞成分尤其是细胞表面成分(细胞壁、荚膜、鞭毛)的细微变异而引起抗原性变化的突变型
造成个体死亡或生活力下降的突变型,后者称为半致死突变型
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。温度敏感突变型是最典型的条件致死突变型
它们的一种重要酶蛋白 (例如DNA聚合酶、氨基酸活化酶等)在某种温度下呈现活性,而在另一种温度下却是钝化的。其原因是由于这些酶蛋白的肽链中更换了几个氨基酸,从而降低了原有的抗热性
利用物理因素导致的基因突变(UV、电离辐射等)
机制(以紫外辐射诱变为例):DNA的碱基对于UV敏感,当有UV辐射时,就会进行吸收,从而发生DNA结构变化,其变化的形式有多方面:如DNA链的断裂,DNA分子内和分子间的交联,核酸与蛋白质的交联,胞嘧啶和鸟嘧啶的水合作用及胸腺嘧啶二聚体的形成
一部分受损伤的DNA在蓝色区域可见光处,尤其是510 nm 波长的光照条件下,DNA修复酶将损伤区域两端的磷酸酯键水解,切割受损伤的 DNA,将新的核苷酸插入,由连接酶连接好形成正常的DNA,这叫光复活
受损伤的DNA也可能在黑暗时被修复成正常DNA,这叫暗复活
不被复活的DNA或是变异或是死亡
通过DNA多聚酶I的作用,释放出被切割的12-13个核苷酸的单链。DNA连接酶缝合新合成的DNA片段和原有的DNA链之间的切刻,完成切除修复
受损伤的DNA先经复制,染色体交换,使子链上的空隙部分面对正常的单链,DNA多聚酶修复空隙部分成正常链。留在亲链上的胸腺嘧啶二聚体依靠切除修复过程去除掉
在DNA受到大范围重大损伤时,诱导产生一种应急反应,使细胞内所有的修复酶增加合成量,提高酶活性;或诱导产生新的修复酶(即DNA多聚酶) 修复DNA受损伤的部分形成正常的DNA
细菌由于长期接触低剂量的诱变剂[如硝基弧(MNNG或NG)] 会产生修复蛋白(酶),修复DNA上因甲基化而遭受的损伤。将这种在适应期间产生的修复蛋白的修复作用称为适应性修复
在DNA分子上缺失或插入一两个碱基,引起碱基突变点以下全部遗传密码转录和翻译的错误。这类由于遗传密码的移动而引起的突变体,称为码组移动突变体, 这种突变称为移码突变
① 两种或多种诱变剂先后使用;
② 同一种诱变剂重复使用;
③ 两种或多种诱变剂同时使用
定向培育是人为用某一特定环境条件长期处理某一微生物群体,同时不断将它们进行移种传代,以达到累积和选择合适的自发突变体的一种古老的育种方法
环境工程仍主要采用定向培育的方法培育菌种
例如,印染废水中,经过长时间的定向培育(环境工程中称驯化)后,微生物改变了原来对营养、温度、pH等的要求,产生了适应酶,利用印染废水中各种染料成分为营养,改变了代谢途径
定义 两个不同性状的细胞DNA融合,使基因重新组合,导致遗传变异,产生新品种的过程
重组手段:杂交、转化、转导
杂交是通过双亲细胞的融合,使整套染色体的基因重组;或者是通过双亲细胞的 沟通,使部分染色体基因重组
通过供体菌和受体菌完整细胞间性菌毛的直接接触而传递大段DNA的过程称为接合
大肠杆菌有性别分化,决定它们性别的因子称为F因子(致育因子),具有自主地与染色体进行同步复制和转移到其他细胞中的能力,此外还带有一些对其生命活动关系较小的基因。每一个细胞含有1〜4个F因子
定义 受体细胞直接吸收供体细胞的DNA片断,并将其整合到自己的基因组里,从而获得供体细胞部分遗传性状的现象,转化后的受体菌,称为转化子
细菌转化过程:感受态细胞出现→DNA吸附→DNA进入细胞内→DNA解链→形成受体DNA-供体DNA复合物→DNA复制和分离
感受态细胞:能吸收外来的DNA片段,并能将其整合到自己的染色体组上以实现转化的细胞
处于感受态的细胞,其吸收DNA的能力,有时可比非感受态细胞大100倍
呈质粒形式的转化因子的转化率最高。转化因子 一般都是线状双链DNA,少数为线状单链DNA
定义 利用温和噬菌体做载体,将供体细胞内特定基因携带给受体细胞,使后者得到前者部分遗传性状的现象
受体细胞和供体细胞不进行直接接触,靠的是温和噬菌体的媒介作用
噬菌体可“误包”供体菌中的任何基因,并使受体菌实现各种性状的转导,称为普遍性转导。而局限性转导指通过某些部分缺陷的温和噬菌体从宿主DNA 上脱离下来时发生“误切”,从而把少数特定基因转移到受体菌中的现象
杂交是在细胞水平上发生的一种遗传重组方式。有性杂交,一般指性细胞间的接合和随之发生的染色体重组,并产生新遗传型后代的一种育种技术。凡能产生有性抱子的酵母菌或霉菌,原则上都可应用与高等动、植物杂交育种相似的有性杂交方法进行育种
类似于有性生殖, 但比有性生殖更为原始的一种生殖方式,它可使同种生物两个不同菌株的体细胞发生融合,且不经过减数分裂而导致低频率基因重组并产生重组子。准性生殖常见于某些丝状真菌,尤其是半知菌
酵母菌细胞内有一种长约为2 um长的DNA片段,现称为2um质粒
线粒体DNA
指采用物理、化学等诱变剂处理均匀而分散的微生物细胞群,在促进其突变率显著提高的基础上,采用简便、快速和高效的筛选方法,从中挑选岀少数符合目的的突变株,以供科学实验或生产实践使用
整个流程主要包括诱变和筛选两个部分。诱变是随机的,而筛选是定向的。 定向筛选出的菌种,还要考察其稳定性、菌种特性、最适培养条件
通过人为方法,使遗传性状不同的两个细胞的原生质体发生融合,并产生重组子的过程
先准备两个有选择性遗传标记的突变株,在高渗溶液中,用适当的脱壁酶 (如细菌可用溶菌酶或青霉素处理,放线菌可用溶菌酶或相应的脱壁酶,真菌可用蜗牛酶或相应的脱壁酶等)去除细胞壁,再将形成的原生质体离心聚集,并加入促融合剂PEG(聚乙二醇)促进融合,然后在高渗溶液中稀释,涂在能再生细胞壁或进行分裂的培养基上,待形成菌落后,通过影印接种法,将其接种到各种选择性培养基上,最后鉴定它们是否为重组子
①从适当的供体细胞(各种动、植物及微生物均可选用)的DNA中分离;
②通过反转录酶的作用由mRNA合成cDNA(互补DNA);
③由化学方法合成特定功能的基因
①是一个有自我复制能力的复制子(replicon);
②能在受体细胞内大量增殖,即有较高的复制率;
③载体上最好只有一个限制性核酸内切酶的切口,使目的基因能固定地整合到载体DNA的一定位置上;
④载体上必须有一种选择遗传标记,以便及时把极少数的“工程菌”或“工程细胞”选择出来
3. 目的基因与载体DNA的体外重组
重组载体进入受体细胞后,在理想情况下能通过自主复制而得到大量扩增, 从而使受体细胞表达出供体基因所提供的部分遗传性状,于是这一受体细胞就成了“基因工程菌”
重组体克隆的筛选与鉴定
外源基因表达产物的分离与提纯
通过对遗传物质直接操纵,改组和重建等实现对遗传性状的定向改造,具有预
见性、精确性和严密性
在原核微生物中除有染色体外,还含有另一种较小的、携带少量遗传基因的环状 DNA分子,称为质粒,也叫染色体外DNA
① 是非必要的遗传物质,一般只控制生物的次要性状,但能自我复制和稳定遗传。质粒的存在一般也有助于生物在特殊环境下生长;
② 在细胞内的大小和数量不相同;
③ 具互不相容性:某些属于同一组并具有共同阻遏物的质粒不能在同一细胞中并存
④ 可转移性(易于导入细胞),某些质粒能以较高的频率通过细胞间的接合作用或其它机制从供体细胞向受体细胞转移,
⑤ 可整合性,在一定条件下质粒可以整合到染色体DNA上并可重新脱落下来;
⑥ 可重组性,不同质粒或质粒与染色体上的基因可以在细胞内或细胞外进行交换重组并形成新的重组质粒
⑦ 可消除性,质粒经高温、丝裂霉素C等处理可以消除,宿主细胞同时也将失去质粒所携带的表型性状:
⑧ 耐碱性,与染色体DNA相比,质粒有较强耐碱性,在分离质粒操作中常将pH调至12.4 而使染色体DNA变性并通过离心与质粒DNA区分开来;
⑨ 具有安全性。
(1) 宿主细胞染色体DNA相对分子质量明显大于细胞所含质粒DNA相对分子质量
(2) 大肠杆菌质粒DNA较宿主细胞染色体DNA更为耐碱性
(3) 质粒所携带的遗传信息量远较宿主细胞染色体所携带的遗传信息为小,而且二者所控制的细胞生命代谢活动很不相同。一般来说,细胞染色体所携带的遗传信息是关系其生死存亡的初级代谢及某些次级代谢,而质粒所携带的遗传信息,一般只与宿主细胞的某些次要特性有关,而并不是细胞生死存亡所必需
(1) 都可自体复制;
(2) 一旦消失以后,后代细胞中不再出现;
(3) 它们的DNA只占染色体DNA的一小部分
(1) 质粒DNA结构简单,一般都是较小的环状DNA分子,并不和其他物质一起构成一些复杂结构;
(2) 质粒DNA的功能比自体复制的细胞器更为多样化,可一般并不是必需的。它们的消失并不影响宿主细菌的生存;
(3) 许多细菌质粒能通过细胞接触而自动地从一个细菌转移到另一个细菌,使两个细菌都成为带有这种质粒的细菌
用途:细菌质粒是DNA重组技术中常用的载体。载体是指把一个有用的外源基因通过基因工程手段,送进受体细胞中去进行增殖和表达的工具。将某种目标基因片段重组到质粒中,构成重组基因或重组体
将两种或多种微生物通过细胞结合或融合技术,使供体菌的质粒转移到受体菌体内,使受体菌保留自身功能质粒,同时获得供体菌的功能质粒。即培育出具有两种功能质粒的新品种
把降解芳烃、萜烃、多环芳烃的质粒转移到能降解脂烃的假单胞菌体内,结果得到了同时降解4种烃类的超级菌
多功能超级细菌的构建
解烷抗汞质粒菌的构建
脱色工程菌的构建
Q5T工程菌
基因工程
DNA聚合酶链式反应 PCR是DNA不需通过克隆而在体外扩增,短时间内合成大量DNA片段的技术
1.DNA变性: (94℃ - 95℃):双链DNA模板在热作用下,氢键断裂,形成单链DNA
2.退火: (60℃ - 65℃):系统温度降低,引物与DNA模板结合,形成局部双链。
3.延伸: (70℃ - 75℃):在TaqDNA多聚酶(在72C左右,活性最佳)的作用下,以dNTP为原料,从引物的3'端开始以从5'→3’端的方向延伸,合成与模板互补的DNA链
4.扩增产物进行琼脂糖凝胶电泳观察
从生产中选育/自然选育
定向培育和驯化
利用物理或化学诱变剂处理均匀分散的微生物细胞群,促进其突变频率大幅度提高,然后设法采用简便、快速和高效的筛选方法,从中挑选少数符合目的的菌株
质粒育种:多功能超级细菌的构建,解烷抗汞质粒菌的构建
基因工程育种:基因工程菌