第二章 工业微生物育种的遗传学基础

第二章工业微生物育种的遗传学基础何谓遗传学？遗传学是关于遗传物质的生理生化性质、世代传递方式，以及所携带的信息在个体发育中的表达的一门科学。早期的遗传学研究亲代与子代之间遗传性状的传递，提出了遗传的染色体理论，对基因进行了作图，故名传递遗传学。微生物遗传学介绍微生物的遗传物质的结构特点、遗传信息的表达与调控、遗传变异的基本规律；通过基因操作改变微生物的遗传信息从而有效地控制或利用微生物的基本策略。涉及部分真核生物，所有的原核生物，以及病毒的遗传；分子遗传学近代遗传学,分子水平上研究基因的构成、复制、表达、突变和修复等。　微生物是现代遗传学、分子生物学和其它许多重要的生物学基础研究中最热衷选用的模式生物。研究微生物遗传学的意义为什么？35亿年前单细胞生物25亿年进化成多细胞生物10亿年发展成了植物、哺乳动物、昆虫、鸟类等各种各样的地球物种。　　Rice大学科学家认为生物进化速度的加快是因为细菌和病毒不断在不同物种之间传递DNA的结果。　　对微生物遗传规律的深入研究，不仅促进了现代分子生物学和生物工程学的发展，而且为育种工作提供了丰富的理论基础，促使育种工作从不自觉到自觉、从低效到高效、从随机到定向、从近缘杂交到远缘杂交的方向发展。孟德尔的遗传因子阶段摩尔根的基因阶段三个经典实验 证明 住所证明下载场所使用证明下载诊断证明下载住所证明下载爱问住所证明下载爱问 DNA是遗传物质现代基因阶段:Watson和Crick提出DNA双螺旋结构第一节染色体染色体原核生物和病毒染色体结构和数目真核生物染色体结构和数目一、染色体染色体指携带细胞功能所必备的基因的结构（遗传单元）。病毒是非细胞生物，它们的全套遗传基因称为基因组，但不足以形成染色体。原核生物染色体常为一个环状DNA分子。真核生物的细胞有几条至几十条染色体，各含一个线状的DNA分子。根据着丝粒位置进行的染色体分类图示染色体的形态后期染色体形态1．V形染色体2．L形染色体3.棒状染色体4.粒状染色体中期染色体形态1.长臂2．主缢痕3.着丝粒4·短臂5·次缢痕6·随体1、着丝粒与动粒（也称着丝点,kenetoche）着丝粒和动粒（着丝点）是两个不同的概念，前者指中期染色单体相互联系在一起的特殊部位；后者指主缢痕处两个染色单体外侧表层部位的特殊结构，它与仿锤丝微管相接触。着丝粒含3个结构域，即：动粒结构域、中央结构域、配对结构域。2、端粒（telomere）染色体端部的特化部分，作用是维持染色体的完整性和个体性（用X射线将染色体打断，不具端粒的染色体末端有粘性，会与其它片段相连或两端相连而成环状）。端粒由高度重复的短序列串联而成，在进化上高度保守，不同生物的端粒序列都很相似，哺乳类的序列为TTAGGG，500-3000次重复。与端粒酶有关。荧光原位杂交显示端粒和端粒序列不同生物的端粒序列都很相似四膜虫拟南芥二、原核生物和病毒染色体结构(a)大肠杆菌细胞大小和染色体DNA长度的比较；(b)细菌细胞中的拟核；(c)大肠杆菌染色体结构电镜图。细胞宽1.1~1.5m、长2~6m：双链环状DNA分子的长度达1mm；形态大小：双链环状DNA，4.6×106bp位置：拟核内化学组成：80%DNA、RNA和蛋白质；结构：在染色体的中心有一个由DNA结合蛋白和膜组成的骨架，DNA分子附着在骨架上形成50~100个超螺旋的环，每个环中含碱基对约50~100kb.微量DNA酶类组蛋白：染色体环状DNA功能域进一步与DNA结合蛋白原核生物染色体病毒没有典型的染色体结构。习惯上把病毒含有的DNA或RNA也称为染色体。DNA:单链、双链或环状、线状RNA：线状，单链或双链。三、真核生物的染色体结构染色体主轴两侧有侧环，状如灯刷，故名灯刷染色体。由两条同源染色体组成，在交叉处结合，每条同源染色体含2条染色单体。同时两条染色单体向两边伸出许多侧环，一个平均大小的环约含100bpDNA。1、染色质（体）结构染色体（染色质）：真核生物体内高度有序的DNA-蛋白质复合体构成。核小体：是染色质基本结构亚基，大约由200bp的DNA和一个组蛋白八聚体组成每条染色体中含有一个线状DNA分子，它以左手螺旋方向围着一个个组蛋白八聚体绕圈1.8周，形成串珠状的核小体，染色质进一步卷曲形成每圈6个核小体、直径30nm的染色质丝，它折叠成许多超螺旋环附着在中央骨架上。链接区的DNA长度为55bp,不同物种变化范围0-100bp.1）染色质（体）=DNA+组蛋白+RNA；2）各成分含量不同；3）组蛋白包括核心组蛋白（H2A、H2B、H3、H4）和非核心组蛋白（H1）；MW分别为10000-20000和23000；前者与DNA结合，稳定核小体结构；后者与其他类型蛋白质作用，促使染色质超螺旋化；2、染色质（体）的化学组成4）非组蛋白（序列特异性DNA结合蛋白），有以下特性：a，多样性和组织特异性；b，结合特异性DNA；c，功能多样性，与染色质及DNA高级结构形成有关系。3、染色质的类型根据形态特征和染色性能分为常染色质和异染色质。常染色质：在间期细胞核中，对碱性染料着色浅、染色体纤维折叠压缩程度低、处于较为伸展状态的染色质，多存在于核质中,具有基因转录活性。异染色质：在间期细胞核中，对碱性染料着色深、染色体纤维折叠压缩程度高、处于聚缩状态的染色质，不具有转录活性,具有卫星DNA。4、染色体数目一套基本的染色体数目称为一倍体数(x)。带有多个一倍体染色体数的生物称为整倍体(euploid)。整倍体可分为一倍体、二倍体、多倍体。如:人的染色体数目为23条，那么二倍体细胞为46条染色体。原核生物大多为单倍体生物。大多数真核生物是二倍体(diploid)。少数二倍体生物增加或减少了一条或几条完整的染色体，而不发生整套染色体的增减，称为非整倍体。缺对性个体：缺少一对或某几对染色体；单体性个体：某一对或几对中缺少一条染色体；三体性个体：某一对或几对中增加一条染色体；第二节核酸核酸RNADNA一、核酸的基本化学组成核酸核苷酸核苷磷酸碱基戊糖元素组成：CHONP核酸完全水解产生嘌呤和嘧啶等碱性物质、戊糖（核糖或脱氧核糖）和磷酸的混合物。核酸部分水解则产生核苷和核苷酸。一、核酸组成核酸的戊糖有两种。DNA所含的糖为β-D-2-脱氧核糖；RNA所含的糖则为β-D-核糖。1、戊糖RiboseDeoxyribose2、碱基1）嘌呤（Purine）123456978腺嘌呤AdenineA鸟嘌呤guanineG2）嘧啶（Pyrimidine）123456尿嘧啶uracilU胞嘧啶cytosineC胸腺嘧啶thymineT核酸中也存在一些不常见的稀有碱基。稀有碱基的种类很多，大部分是上述碱基的甲基化产物。3、核苷（nucleoside）核苷戊糖+碱基糖与碱基之间的C-N键，称为C-N糖苷键1’2’3’4’5’(OH)1’2’3’4’5’(OH)AdenosineGuanosineCytidineUridine4、核苷酸（nucleotide）核苷酸戊糖+碱基+磷酸(5’端在左边，3‘端在右边）HHHHHHHHH磷酸酯键三个两个二、RNA的结构与功能（一）、结构特点碱基组成A、G、C、U（A＝U/G≡C）稀有碱基较多，稳定性较差，易水解多为单链结构，少数局部形成螺旋分子较小（二）分类mRNAtRNArRNA1.rRNA与蛋白质一起构成核糖体——蛋白质合成“工厂”核糖体的基本功能结合mRNA，在mRNA上选择适当的区域开始翻译密码子（mRNA）和反密码子（tRNA）的正确配对肽键的形成存在：核糖体可游离存在，真核中也可同内质网结合，形成粗糙的内质网。原核中与mRNA形成串状——多核糖体原核生物核糖体组成真核生物核糖体组成核糖体结构组成2、tRNA占RNA总量的15％分子量25000左右，大约由70－90个核苷酸组成，沉降系数为4S左右。一种氨基酸有几种tRNA携带。结合需要ATP供能,氨基酸结合在tRNA3’-CCA的位置。每种tRNA的反密码子，决定了所带氨基酸能准确的在mRNA上对号入座。3.mRNA携带着DNA的遗传信息，是多肽链的合成 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，在原核细胞内，存在时间短，在转录的同时翻译；在真核细胞内，较稳定。蛋白质合成时，mRNA结合于核糖体小亚基上，大亚基结合带氨基酸的tRNA，tRNA的反密码子与mRNA密码子配对，ATP供能，合成蛋白质。经典试验1.肺炎链球菌的转化试验经典试验2.噬菌体感染实验经典试验3.病毒重建实验三、DNA（一）DNA是遗传物质的证据结论1.细胞生物的遗传物质是双链DNA2.病毒的遗传物质可以是单链的或双链的DNA或RNA，即：ssDNA，dsDNA，ssRNA或dsRNA。（二）DNA的结构1.DNA的一级结构A、T、C、G的连接方式和排列顺序（4n）；线形互补双链。碱基互补配对原则：AT（氢键2），CG（氢键3）。Chargaff当量规律：嘌呤和嘧啶的总含量相等，即A+G=C+T。连接键：3’，5’-磷酸二酯键磷酸与戊糖顺序相连形成主链骨架，碱基形成侧链DNA的分子结构：DNA的基本单位-脱氧核苷酸2、DNA的二级结构DNA的双螺旋模型两条核苷酸链反向平行盘绕形成的双螺旋结构。分两类：右手螺旋（A、B、C型）；局部左手（Z型，高盐溶液中，集中在调控区。参与基因表达）。3、DNA的三级结构DNA双螺旋进一步扭曲构成三级结构，负超螺旋原核双链环状DNA（dcDNA）病毒单链环状DNA（scDNA）单链线性DNA（ssDNA）真核双链线性DNA（dsDNA）（三）DNA的位置（1）核DNA，存在于核内物质染色体上，通常所说的基因组DNA。（2）核外DNA，存在于细胞核外的细胞器中（线粒体），呈现母系遗传，是研究进化及遗传多样性的最佳材料。核DNA与线粒体DNA的比较核DNA线粒体DNA大小（bp）1.1×10916Kb结构线形环形载体染色体线粒体来源（遗传）♂+♀♀第三节基因的组织与结构一、基因(gene)合成有功能的蛋白质多肽链或RNA所必需的全部核苷酸序列。一般是DNA序列（或病毒中的RNA）。基因家族分为两种：操纵子和多基因家族。1、原核细胞的基因结构编码区（编码序列）：能指导有关蛋白质的合成，即能够编码蛋白质非编码区（调控序列）：位于编码区上游和编码区下游的DNA序列，虽不能指导有关蛋白质的合成，但有调控遗传信息表达的核苷酸序列，如启动子、终止子RNA聚合酶的作用是催化DNA转录为RNA。它能够识别调控序列中的结合位点，并与其结合。转录开始后，RNA聚合酶沿DNA分子移动，并与DNA分子的一条链为模板合成RNA。2、真核细胞的基因结构特点编码区是间隔的、不连续的。能够编码蛋白质的序列叫做外显子;一般不能够编码蛋白质的序列叫做内含子。2、真核细胞的基因结构真核细胞基因编码区（间隔、不连续）外显子内含子非编码区：与原核生物具有相似功能的启动子、终止子启动子与终止子启动子是在非编码区内紧靠转录起点，调控遗传信息表达的脱氧核苷酸序列，它能引导RNA聚合酶与正确的基因部位结合，使转录从起点开始，沿编码区进行。终止子是在非编码区内紧靠转录终点，调控遗传信息表达的脱氧核苷酸序列，它能阻碍RNA聚合酶的移动，并使其从DNA模板链上脱离下来，使转录终止。3.基因的长度酵母的基因断裂很少，外显子很少，基因平均长1.4kb；昆虫基因的外显子也比较少，一般不超过10个，5-100kb；哺乳动物外显子较多，有的有几十个,人27kb。4、拟基因和转座因子拟基因：某些基因因DNA序列发生变化，虽然在序列上与活性基因相似，但不具有功能，不编码蛋白质。转座子：基因组内可移动的DNA片段，它能把自身（或自身的拷贝）插入基因组的新座位特点：能够在同一细胞的不同染色体的不同位点之间转移，而同靶座位的序列没有任何关系。转座会引起多种遗传效应。编码转座酶，促进转座。转座基因包括：插入序列、转座子、转座噬菌体。高等真核生物基因组中，转座子超过基因组的50%。二、基因组(genome)是指一种生物体中的整套遗传信息，一般为一个受精卵或一个体细胞的细胞核中所有DNA分子的总和。特定生物体的整套(单倍体)遗传物质的总和。基因组的大小用全部DNA的碱基对总数表示。每种真核生物的单倍体基因组中的全部DNA量称为C值(C-Value)。人的23对染色体C值(C-Value)（一）细菌基因组的特点细菌染色体基因组：通常仅由一条环状双链DNA分子组成1．细菌DNA大部分为编码序列。2．结构基因中没有内含子，也无重复现象。3．具有操纵子结构。质粒：某些细菌中独立于染色体外的能自主复制的共价环状双链DNA。1、特点：1）体细胞内的基因组为二倍体。2）远大于原核生物基因组，具有多复制起点。3）基因组中不编码的区域多于编码区域。4）基因是不连续的（断裂基因）。　5）基因转录产物为单顺反子。一个结构基因经过转录和翻译生成一个mRNA分子和一条多肽链。　6）单一序列为主，存在大量重复序列。(二)真核生物基因组2、真核基因组中DNA序列的分类1)单拷贝序列只有1个拷贝，包括大多数编码蛋白质的结构基因和基因间间隔序列。2)中度重复序列(重复次数：1O－几百)3)高度重复序列(重复次数：>1O6)1)高度重复序列（重复次数>lO6）约占10-60％，在人基因组中约占20％卫星DNA(SatelliteDNA)：有些A:T含量很高的简单重复序列，因A:T浮力较小，在DNA被切断后，在主要的DNA带上面有一个次要的带，这就是卫星DNA微卫星DNA：长度在100-20000bp,每个重复小于4bp.常见于基因的调控区和特异蛋白结合区。2)中度重复序列中度重复序列的特点①重复单位序列相似，但不完全一样，分布于基因组中．②序列的长度和拷贝数非常不均一，③中度重复序列一般具有种属特异性，可作为DNA标记．④中度重复序列可能是转座元件。（三）基因组大小细菌基因组：约2×106bp；单细胞真核生物（酵母）1.3×107bp黏菌3×107bp；小杆线虫8×106bp。四、遗传密码为一个氨基酸编码进入蛋白质多肽链特定线性位置的三个核苷酸单位称为密码子（Coden）或三联体密码。密码子的发现核糖体结合试验：1965年，Nirenberg用polyu加入14C标记的20种aa,仅有苯丙氨酸的寡肽,UUU=苯丙氨酸,用此法破译了全部密码，编出遗传密码表。全部遗传密码字典：64个密码子61个负责20种氨基酸翻译，3个终止密码子遗传密码的基本特征1密码的基本单位三联体密码绝大部分生物中密码是不重叠的（少数病毒例外）2密码的简并性一种氨基酸有两个以上的或更多密码子的现象称为密码子的简并性。同义密码子3密码的变偶性密码子与mRNA上的反密码子配对时，密码子第一位和第二位是严格配对的，第三位可以有一定的变动（摆动性），称为变偶性。4密码的通用性和变异性绝大多数密码子对各种生物都适用，某些线粒体中遗传密码有例外终止信号UAG、UAA、UGA起始信号AUG（真核中起始为Met、原核中起始为fMet,翻译中间为Met）和氨酸的密码子(GUG)(极少出现）讨论题基本概念：基因、基因组、基因组学真核生物基因组与原核生物基因组有何主要区别？以图解说明原核细胞和真核细胞编码蛋白质的基因的一般结构。