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1、微生物基因突变课件,第四章 微生物的基因突变（Microbial Mutation）,4.1 突变的分子机制4. 2 突变引起遗传性状改变4. 3 突变体的形成,微生物基因突变课件,第一节 突变的分子机制,微生物基因突变课件,什么是基因突变？,1 是指DNA特定部位上核苷酸顺序的变化，致使蛋白质的结构改变，通常会导致个体表型发生变化。2 基因突变形成新的基因型在一定环境条件下表现出来的个体性状称为表型，突变结构产生新表型的个体，称为突变体或突变型。3 基因突变包括遗传物质的改变过程和突变体的形成。4 从广义上讲，除了转化、转导、接合等遗传物质的传递和重组引起生物变异外，任何表型上可遗传的突变都
2、属突变范围。,微生物基因突变课件,基因突变是生物遗传性状改变的依据，能在生活周期的任何阶段发生，如在有性二倍体生物的生殖细胞和体细胞中都可能发生。,微生物基因突变课件,生殖细胞中发生突变可遗传给后代，而体细胞中突变是不能遗传给后代的，只在当代个体的形态或生理上反应出某种改变。生殖细胞突变的结果，等位基因是显性的，后代将表现出新的表型。反之，突变后的等位基因是隐性的，则后代不会出现新的表型。如果突变发生在单倍体细胞中，其突变的等位基因不管是显性还是隐性的，都能呈现出新的表型。,微生物基因突变课件,微生物的基因突变,表型、遗传型/基因型（genotype）：表型（phenotype）：个体性状表现
3、，基因型（genotype）：生物个体全部遗传因子（基因）的总和。,突变与突变体：突变（mutation）：几率极低与较小范围内遗传型的改变。突变体（mutant）：突变产生的新表型的个体,微生物基因突变课件,自发突变与诱发突变,自发突变：无人为参与、即生物体在自然环境条件作用下所产生的各种变异：原因：（1）由背景辐射和环境因素的综合（2）生物体自身有害代谢物的致变作用（3）在生物体内外环境下DNA互变异构效应（4）DNA复制过程中发生错误，如：环出效应等诱发突变：人为用化学、物理诱变剂处理微生物而引起的突变。特点：速度快、时间短、频率低。,微生物基因突变课件,突变的特点,不对应：致突性状与诱
4、突因子无对应性自发性：性状突变可与人为诱变无关系罕见性：突变虽自发，但却突变率极低独立性：任何性状突变各自独立发生的稳定性：突变子一旦形成是可以遗传的可诱性：突变率可加大诱因而得以堤高可逆性：既可正向突变又能回复变异之,微生物基因突变课件,基因突变的具体类型,微生物基因突变课件,对染色体基因组来说，碱基置换仅是DNA结构的小损伤microlesion与微改变，故称点突变point mutation。碱基置换只涉及一对碱基被另一对碱基所替代。 以嘌呤类或嘧啶类碱基间的转换可称谓碱基转换与碱基颠换两类,碱基置换substitution,微生物基因突变课件,定义：DNA分子中的一个或几个核苷酸的增加
5、或缺失,从而使其后的密码子发生转录和转译错误而突变。,移码突变frame-shift mutation,微生物基因突变课件,定义：DNA链上一个密码子的某个碱基和邻近密码子中的一个碱基对换。,易位突变frame-shift mutation,ABC ABC ABC ABC,ABC ABB ACC ABC,ABC A C ABCB ABC,易位,丢失、加入,微生物基因突变课件,染色体畸变是染色体结构的变化，和其他突变一样可以引起遗传信息的改变，具有遗传效应。染色体结构改变多是染色体或染色单体遭到巨大损失，使它们断裂。断裂点是随机的也可能是多个。根据断裂的数目、位置、断裂连接方式等可以造成各种不同
6、的突变，包括：缺失 deletion、重复 duplication、插入 insertion、易位 translocation、倒位 invertion；染色体数目的变化。染色体畸变高等生物中常见、原核中少见,染色体畸变chromosomal abrration,微生物基因突变课件,缺失和重复,缺失和重复主要在DNA复制和修复系统进行修饰过程中产生错误造成的。当DNA进行复制时，发生染色体断裂，前面链上的多聚酶掉落下来加到后面尚未复制的DNA上而加以复制，结果前面的链缺失了一个或几个基因的DNA节段，后面的链，由于多加了一段DNA，相同部分出现两次，结果造成突变。,微生物基因突变课件,微生物基
7、因突变课件,缺失损伤是不可逆的，对生物体而言也是有害的，会造成遗传平衡失调。重复突变，从微生物育种角度而言，可能获得具有人们需要的优良性状的新个体，如大幅度提高产量。,缺失和重复,微生物基因突变课件,倒位,倒位是指染色体部分节段的位置顺序颠倒而形成的一段不正常的染色体。倒位分臂内倒位和臂间倒位。前者染色体外形不会改变，后者形状会发生改变，但两者表型基本一致。,微生物基因突变课件,易位,易位指同源染色体之间部分连接而交换。一种情况是两条同源染色体相互间进行部分交换，这种染色体交换节段长短有时可能不等，当长短不同时，会影响到染色体的外形；另一种是一条染色体的部分节段连接到另一非同源染色体上，也称单
8、向易位。,微生物基因突变课件,染色体组变,一般生物含有各种形态、大小、遗传功能不同的染色体各一条，称为染色体组，具有这样一套染色体组的生物叫单倍体生物，有两套染色体组的生物叫二倍体生物，有两套以上染色体组的生物叫多倍体生物，多倍体一般是由变异或异常形成的。（整倍体）染色体组变：指染色体数目的变化。它可分为整倍体和非整倍体，前者分为单倍体、三倍体、同源多倍体和异源多倍体等。后者有超二倍体（2n+1）和亚二倍体（2n1） 。,微生物基因突变课件,第二节 突变引起遗传性状改变,微生物基因突变课件,突变引起遗传性状改变,遗传物质的改变是突变的基础，微生物突变中以基因突变较常见。,同义突变和无义突变；错
9、义突变；移码突变,微生物基因突变课件,DNA,碱基置换的同义突变,同义突变,same sense mutation,指DNA分子上的遗传密码由于置换而形成新的密码子，但是这种密码子构成的氨基酸与原密码子所构成的氨基酸相同。这是由于遗传密码具有简并性。CUA和CUG都翻译成亮氨酸,mRNA,微生物基因突变课件,碱基置换的无义突变,无义突变, non sense mutation,指DNA分子上的密码子中的碱基被置换后，形成了终止密码子（UAG），使转译工作中途停止，难以完成多肽链的合成，这种肽链没有活性。,微生物基因突变课件,碱基置换的错义突变,错义突变,mis-sense mutation,指
10、DNA分子上的密码子的碱基被置换，形成新的密码子，它编写的氨基酸与原氨基酸不同，使多肽链上的氨基酸排序发生变化，生物表型因此会发生变化。此处亮氨酸变成缬氨酸。,微生物基因突变课件,碱基置换的移码突变,移码突变是在DNA分子上的密码子中添加或丢失一或几个碱基，其结构造成从改变的碱基开始所有其后的密码子碱基都往后移动，使多肽链上的氨基酸序列发生很大的变化，将出现明显的遗传性状变异。,微生物基因突变课件,微生物基因突变课件,突变型的种类,选择性突变: 在选择性培养基上能快速鉴别与区分的突变。非选择性突变：无法用选择性或鉴别性培养基来鉴别与区分的微生物突变。,微生物基因突变课件,由野生型菌株（wild
11、 type strain）通过基因突变而丧失合成一种或几种生长因子的能力。在培养野生型菌株的基本培养基不能生长，但可在加入对应的生长因子后能从基本培养基中筛选出。,营养缺陷型（auxotroph）,微生物基因突变课件,原始或出发菌株对某种化学或物理因子无抗性经基因突变后成为具有抗性可在加有相应理化因子的平板中选择之,抗性突变型（resistant mutant）,微生物基因突变课件,出发菌株经突变在某种条件下可生长，而在另一种条件下不能生长繁殖。例：E. Coli Ts突变株，即温度敏感突变株, 有些菌株在37 oC下生长正常,却不能在42 oC下生长; T4噬菌体的某些突变株在25 oC下具
12、有感染性,而37 oC下丧失,条件致死突变型,微生物基因突变课件,即由突变而产生个体或菌落形态所发生的非选择性突变例: 孢子有无或颜色变化、鞭毛有无或荚膜有无的突变，有时可引起菌落表观改变而具有选择性。,形态突变型(morphological mutant),微生物基因突变课件,基因突变导致菌体抗原结构发生变化类型多：细胞壁成份改变或丧失、荚膜改变或丧失及鞭毛的有无等。,抗原性突变型antigenic mutant,微生物基因突变课件,由基因突变所致的获得代谢产物的产量高于出发菌株之变异株，常称产量突变株或高产菌株（high producing mutant）。产量性状是多基因与复杂因素的综合
13、结果，故获取高产菌株是一个逐步累积、变异机理十分复杂探索过程。分为：正变株（plus mutant）、负变株（minus mutant）,产量变异型,微生物基因突变课件,关于基因自发与不对应性突变的争论曾十分激烈。而巧妙的构思与精密的实验证明：抗性突变体的产生是因为细菌和抗性因子长期接触得到“驯化”而产生相应性状吗？还是细菌本来就有这种抗性突变基因？波动试验（fluctuation test ，1943）；涂布试验（newcombe experiment 1949）；影印平板试验（replica plating，1952）,基因自发与不对应性突变证明,微生物基因突变课件,波动试验（fluctu
14、ation）,1943年Luria等设计并试验的,实验材料是大肠杆菌和噬菌体,N代,dilution,phage,N代,微生物基因突变课件,波动试验说明,大肠杆菌对噬菌体的抗性突变体是在接触噬菌体之前的生长繁殖过程中自发形成，并稳定地进行传代，随着生长繁殖到一定的培养阶段，在培养物中就有大量的抗性个体产生。,微生物基因突变课件,涂布试验,微生物基因突变课件,影印平板试验,简便高效筛选突变 方法。,微生物基因突变课件,影印培养法说明,链霉素的抗性突变体是大肠杆菌在没有接触到药物之前就已经在的，是自发产生的，与周围环境中的链霉素毫无关系，它仅仅起着筛选检出的作用。,微生物基因突变课件,第三节 突变
15、体的形成,微生物基因突变课件,突变体是基因突变的结果，它会影响或改变微生物某一形态或生化性状，通过细胞繁殖、分裂，由这种突变形成的性状遗传给后代，发育成的新遗传型个体。,微生物基因突变课件,为什么基因突变却不一定能形成突变体？,微生物基因突变课件,突变体形成的过程,诱变剂与DNA接触,突变发生,突变体形成,亚硝酸所致的碱基转换过程,A氧化脱氨为烯醇式次黄嘌呤后互变为酮式,因酮式只能与胞嘧啶配对而第二次复制中转换成CG碱基对。,突变修复,微生物基因突变课件,1 诱变剂与DNA接触前过程,诱变剂主要通过扩散作用穿过细胞壁、细胞膜、细胞质到达核质体，其扩散速度、诱变效果与细胞壁的结构组成和细胞的生理
16、状态有关，细胞质中的很多化学成分可能改变诱变剂的效应。,微生物基因突变课件,2 突变发生过程,诱变剂与DNA接触后能否发生基因突变，与DNA是否处在复制状态有密切关系。而DNA复制活跃程度与某些营养条件和细胞生理状态有关，DNA复制需要蛋白质合成作基础。,例如：一个氨基酸营养缺陷型的大肠杆菌菌株，如果在培养基中除去它需要补给的氨基酸，培养12个小时后，用亚硝基胍进行诱发回复突变，其诱变效应显著下降。反之，则诱变频率提高。,微生物基因突变课件,一般诱变剂进入细胞后，还会受到多种酶的影响。很多实验证实：在酶的作用下，有的诱变剂的作用加强了，有的却减弱了，有的甚至完全变成了另外一种物质。因此有两个因
17、素影响突变发生过程：一个是细胞内物质（特别是酶）和诱变剂的相互作用；另一个是培养条件对诱变效应的影响。,微生物基因突变课件,3 突变的修复,突变的修复也是遗传信息稳定性的体现。在诱变剂的作用下基因会发生突变。而突变和修复形成一对矛盾。这就象革命过程中传统旧势力和新生势力之间的较量。,微生物基因突变课件,突变的修复,正常体,突变体,突变,修复,突变的修复作用：,（1）光修复（2）切补修复（暗修复）（3）重组修复（4）SOS修复系统（5）DNA聚合酶校正作用,微生物基因突变课件,光复活作用： 微生物 uv 死亡 可见光微生物死亡率下降。E. coli实验（ 1949年，A Kelner ）: 试验
18、组8x106个/ml UV 100个/ml E. Coli对照组8x106个/ml uv 可见光 2x106个/ml 原因：紫外线诱发微生物DNA突变的机制主要是形成嘧啶二聚体，使DNA链的结构发生变形，失去正常的碱基配对，影响复制和转录。光复活是一个酶促反应，光复活酶可与嘧啶二聚体结合形成一种复合物，这种复合物暴露在可见光下，酶即被活化，将嘧啶二聚体重新分解成单体。每个E. coli细胞约含25个光激活酶分子。,光修复作用photoreactivation,微生物基因突变课件,光修复示意图,光复活对因紫外线照射损伤的RNA没有作用。因此我们会见到一种现象，即有些菌株有了一些表型的变化，但是经
19、过生长和繁殖过程后，又恢复了野生型的特征。给我们造成一种假性突变的错觉。,微生物基因突变课件,用于修复因诱变受伤的DNA，与光无关。修复过程：由四种酶参与。即: 内切核酸酶； 外切核酸酶； DNA聚合酶； DNA连接酶。方式：先切后补 先补后切,切补修复excision repair,微生物基因突变课件,先切后补示意图,先补后切示意图,微生物基因突变课件,复制后修复（重组修复）,重组修复是指损伤的DNA经过复制后完成修复的过程。即复制后修复，将另一母链上的正确序列转移到子代链的空缺处，另一母链的空缺再合成。结果：虽并不消除原来的错误和损伤，但避免了新合成链出现损伤，使损伤稀释。经过复制后二聚体
20、虽然还存在，但随着复制代数的增多，带有二聚体的DNA成分在新合成的DNA分子总数中比例越来越少，最后被稀释成不足以影响生物细胞的正常生理功能。,微生物基因突变课件,重组修复,微生物基因突变课件,SOS修复系统（自学）DNA聚合酶的校正作用（自学）,修复系统是否能够引起基因突变？,微生物基因突变课件,修复机制的意义,上述几种修复系统是生物体普遍存在的生理现象。它是为了使遗传性状稳定地保存下来，在长期进化过程中建立的一套自我保护的修复系统。生物体内的这些修复机制对化学试剂诱导突变的损伤也有修复作用。,微生物基因突变课件,修复机制与微生物育种,修复机制和微生物诱变育种是一对矛盾 。因此如何采取措施消
21、除校正错误的修复途径成为微生物育种的一个重要课题。,微生物基因突变课件,4 突变体的形成,当一个突变发生后，只有经过复制，把发生改变的遗传信息确定下来，并能传递给下一代，才能成为突变体。,微生物基因突变课件,突变的表型效应,突变引起基因型的改变，通常也引起表型上的改变。表型效应有的可以直接辨认出来，如各种形态突变。有的表型改变是属于生理生化类型的改变，只能凭借遗传学方法和生理化学技术及其他方法才能检测出来。,微生物基因突变课件,有的突变不一定产生遗传效应,（碱基置换）中的同义突变和无义突变在二倍体细胞中显性基因的存在会掩盖隐性突变基因的表型。,表型与环境：基因型是内因，环境条件是外因，表型是基
22、因型和环境综合作用的结果。,微生物基因突变课件,影响表型效应的因素,基因突变引起部分氨基酸的变化，如果变化的氨基酸是决定多肽链功能的主要氨基酸，电荷上的变化对多肽链的折叠结构和活性也有明显的影响，那么这种突变将使微生物产生明显的遗传效应；相反，如果氨基酸种类的更改，并不改变多肽链的正常功能，这种突变对遗传性状没有影响。,微生物基因突变课件,影响表型效应的因素,在二倍体细胞中，突变发生在显性基因或隐性基因上，其表型效应不同。在纯合体中无论是显性基因还是隐性基因突变都有表型效应。在杂合体中显性基因突变使微生物产生一定的表型，而隐性基因突变其表型和野生型相同。在单倍体微生物中，如细菌、噬菌体，不管显
23、性基因突变还是隐性基因突变都出现突变型的表型。,微生物基因突变课件,影响表型效应的因素,基因存在于细胞里，也存在于一定的环境中，因此基因的作用既受其他同在一个细胞内的基因的影响，也受环境条件的制约。环境虽然并不引起突变，但由于选择的结果，突变基因不一定能保留下来，对不适应的个体进行淘汰。还有很多微生物，突变后的表型是随着环境条件的变化而改变，如红色面包霉生长在有光的环境中菌落颜色为红色，当移到黑暗处就变成白色。具有鞭毛的细菌，在含石炭酸培养基中培养时鞭毛消失。,微生物基因突变课件,红色面包霉,微生物基因突变课件,小 结,前面讲述的影响表型效应的各个因素告诉我们：具有突变基因的生物，其表型必须在
24、相应的环境中才能表现出来。因此从微生物育种的角度说，要选育一个高产的菌株，不仅要具备一个高产突变基因，还必须有适合的培养基和培养条件来充分发挥突变基因的高产性能。基因型是个体特性的内因，而环境条件是外因，表型是基因型和环境综合作用的结果。,微生物基因突变课件,关于表型延迟,表型延迟现象是指微生物通过自发突变或人工诱变而产生新的基因型所表现出来的遗传特性不能在当代出现，其表型的出现必须经过2代以上的繁殖复制。一般说表型的改变总是落后于基因型的改变。,表型延迟：（1）接触延迟：诱变剂进入细胞速率较慢；（2）杂核细胞到纯核突变细胞：（3）原有基因产物的影响：原有产物仍能支配野生型细胞作用，经几代繁殖
25、后，原有基因产物浓度降低，出现突变型。,微生物基因突变课件,产生表型延迟的原因,微生物基因突变课件,小 结,突变的概念突变的类型和分离方法*自发突变的分子机制*诱发突变的分子机制*DNA损伤的修复,68,微生物基因突变课件,思考题,1. 设计一个实验，获得大肠杆菌赖氨酸营养缺陷型菌株。2. 诱发突变的分子机制有哪些？3. 引起自发突变的原因有哪些？人工诱变和自发突变相比有哪些优点？,69,微生物基因突变课件,微生物的抗性来源,1 抗性基因突变2 抗药性质粒3 生理适应,微生物基因突变课件,抗药性质粒,质粒的分子组成是DNA，抗药性质粒就是具有抗性基因的一片段DNA，分子较小。抗药性质粒是通过细
26、菌之间的接触而传递的，即敏感细菌只有和携带抗性质粒的细菌相互接触并转移才能有这种质粒，未经突变的细菌没有抗药性质粒。,微生物基因突变课件,生理适应,生理适应是由于细菌长期接触某种抗性因子而具有暂时的抗药性能，但其基因没有发生突变。当这种细菌离开抗性因子时抗性也就消失，和其他细胞保持同一特性。,微生物基因突变课件,讨论：抗生素的抗性,微生物基因突变课件,超级病菌是一种耐药性细菌 这种超级病菌能在人身上造成浓疮和毒疱，甚至逐渐让人的肌肉坏死。更可怕的是，抗生素药物对它不起作用，病人会因为感染而引起可怕的炎症，高烧、痉挛、昏迷直到最后死亡。,微生物基因突变课件,“超级细菌”泛指临床上出现的多种耐药菌，如耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）、抗万古霉素肠球菌（VRE）、耐多药肺炎链球菌（MDRSP）、多重抗药性结核杆菌（MDR-TB），以及碳青霉烯酶肺炎克雷伯菌（KPC）等。,微生物基因突变课件,每年在全世界大约有50%的抗生素被滥用，而中国这一比例甚至接近80%。在上世纪60年代，全世界每年死于感染性疾病的人数约为700万，而这一数字到了本世纪初上升到2000万。死于败血症的人数上升了89%，大部分人死于超级病菌带来的用药困难。,