第八章微生物遗传 俗话说：“龙生龙，风生凤，老鼠的儿子会打洞”，“种瓜得瓜，种豆得豆”。人 们很早就注意到每一种生物的大多数特征都与他们的亲代相似，这种性状的稳定 性，即生物在传代过程中性状保持不变的现象，称之为遗传。遗传学就是讨论生 物性状的转移、传递及其规律的一门学科。 在遗传学研究中微生物提供了一种十分方便的遗传材料： 1.微生物多为单细胞生物，形态十分简单，且营养体多为单倍体： 2.容易培养，繁殖速度快： 3.环境条件对微生物群体中各个个体的作用直接而均匀，因此很容易获得突变 体。 第一节遗传的物质基础 一、证明遗传物质基础的经典实验 孟德尔(1822-1884，分离定律和自由组合定律)和摩尔根(1866一1945， 连锁互换定律)分别以豌豆和果蝇为材料总结出了遗传学的基本规律，并确认遗 传的物质基础主要存在于细胞核和染色体上（染色体里有遗传物质基因），染色 体是由蛋白质和核酸组成的，那么遗传物质究竟是蛋白质还是核酸？曾是生物学 中长期争论不休的重大问题之一。 以微生物为材料进行的三个世界著名的实验有力的证明了不是蛋白质而是 核酸（特别是DNA)是遗传的物质基础。下面简单介绍这三个经典实验。 1、细菌的转化实验 转化现象是英国的细菌学家F.Griffith在1928年首次发现的。 肺炎链球菌(Streptococcus pneumonia)依据荚膜的有无可分为R型(Rough, 无荚膜，菌落粗糙)和S型(Smooth,有荚膜，菌落光滑)，R型不致病，S型 致病，见图。 S型菌株注射小鼠 一·死亡：R型菌株注射小鼠→不死亡： 杀死的S型菌株注射小鼠 →不死亡： 杀死的S型菌株十少量活的R型菌株一 一注射小鼠一死亡
1 第八章 微生物遗传 俗话说：“龙生龙，凤生凤，老鼠的儿子会打洞”，“种瓜得瓜，种豆得豆”。人 们很早就注意到每一种生物的大多数特征都与他们的亲代相似，这种性状的稳定 性，即生物在传代过程中性状保持不变的现象，称之为遗传。遗传学就是讨论生 物性状的转移、传递及其规律的一门学科。 在遗传学研究中微生物提供了一种十分方便的遗传材料： 1．微生物多为单细胞生物，形态十分简单，且营养体多为单倍体； 2．容易培养，繁殖速度快； 3．环境条件对微生物群体中各个个体的作用直接而均匀，因此很容易获得突变 体。 第一节 遗传的物质基础 一、 证明遗传物质基础的经典实验 孟德尔（1822－1884，分离定律和自由组合定律）和摩尔根（1866－1945， 连锁互换定律）分别以豌豆和果蝇为材料总结出了遗传学的基本规律，并确认遗 传的物质基础主要存在于细胞核和染色体上（染色体里有遗传物质基因），染色 体是由蛋白质和核酸组成的，那么遗传物质究竟是蛋白质还是核酸？曾是生物学 中长期争论不休的重大问题之一。 以微生物为材料进行的三个世界著名的实验有力的证明了不是蛋白质而是 核酸（特别是 DNA）是遗传的物质基础。下面简单介绍这三个经典实验。 1、 细菌的转化实验 转化现象是英国的细菌学家 F. Griffith 在 1928 年首次发现的。 肺炎链球菌（Streptococcus pneumonia）依据荚膜的有无可分为 R 型（Rough， 无荚膜，菌落粗糙）和 S 型（Smooth， 有荚膜，菌落光滑），R 型不致病，S 型 致病，见图。 S 型菌株注射小鼠 死亡；R 型菌株注射小鼠 不死亡； 杀死的 S 型菌株注射小鼠 不死亡； 杀死的 S 型菌株＋少量活的 R 型菌株 注射小鼠 死亡
说明：活的、非致病的R型从被杀死的S型中获得了遗传物质，使其产生 夹膜，成为致病的S型。Griffith将这种现象称为转化，即某一基因型的细胞从 周围介质中吸收来自另一个基因型细胞的遗传物质，并改变受体细胞的遗传性状 的现象。Griffith将引起转化的遗传物质称之为转化因子，但他并不知道转化因 子的本质是什么。 1944年，Avery等人在离体条件下重复了Griffith的转化实验，从S型菌株 中提取出蛋白质、脂类、夹膜、多糖、RNA、DNA分别做实验，发现只有DNA 片断能引起转化现象，从而提供了转化因子是DNA的第一证据 2、噬菌体的感染实验 这个实验是由Hershey和Chase以E.coh的T2噬菌体为材料，在1952年进 行的。 他们用P2标记病毒的DNA,用S5标记病毒的蛋白质外壳（因为DNA中 不含S,蛋白质中不含P),然后用这两种不同标记的病毒分别感染E.coi,经10 分钟保温后，T2噬菌体完成吸附和侵入过程。然后将它们放在搅拌器中强烈搅 拌，使吸附在大肠杆菌外的噬菌体外壳均匀散布在培养液中，离心沉淀，分别测 定沉淀物和上清液中的同位素标记。 结果发现：几乎全部的P2都和细菌细胞一起出现在沉淀物中，几乎全部S 都在上清液中。 结果表明：卫噬菌体在侵染过程中，只将DNA注入到细菌细胞中，而它的 蛋白质外壳并没有进入到细胞中，而是留在细胞外。说明DNA参与子代T2噬 菌体的增殖，而蛋白质没有参与。同时，从细菌细胞中释放出来的噬菌体蛋白外 壳的形状大小、组成等与留在细胞外的蛋白质外壳一模一样，并且，在这些新的 子代噬菌体中只测到P2的标记，而没有S5的标记。说明决定2噬菌体蛋白质 外壳特性的遗传信息在DNA上，DNA带有T2噬菌体的全部遗传信息。 从而证明了DNA是遗传物质。 3、病毒的重建实验 这个实验是由H.Fraenkel-Conrat在1956年做的。 烟草花叶病毒(TMV)和它的变种霍氏车前草病毒(HRV)是RNA病毒， RNA占5%，蛋白质占95%，它们能在烟草叶片上形成病斑。分别在苯酚中据 2
2 说明：活的、非致病的 R 型从被杀死的 S 型中获得了遗传物质，使其产生 夹膜，成为致病的 S 型。Griffith 将这种现象称为转化，即某一基因型的细胞从 周围介质中吸收来自另一个基因型细胞的遗传物质，并改变受体细胞的遗传性状 的现象。Griffith 将引起转化的遗传物质称之为转化因子，但他并不知道转化因 子的本质是什么。 1944 年，Avery 等人在离体条件下重复了 Griffith 的转化实验，从 S 型菌株 中提取出蛋白质、脂类、夹膜、多糖、RNA、DNA 分别做实验，发现只有 DNA 片断能引起转化现象，从而提供了转化因子是 DNA 的第一证据。 2、噬菌体的感染实验 这个实验是由 Hershey 和 Chase 以 E.coli 的 T2 噬菌体为材料，在 1952 年进 行的。 他们用 P 32 标记病毒的 DNA，用 S 35 标记病毒的蛋白质外壳（因为 DNA 中 不含 S，蛋白质中不含 P），然后用这两种不同标记的病毒分别感染 E.coli，经 10 分钟保温后，T2 噬菌体完成吸附和侵入过程。然后将它们放在搅拌器中强烈搅 拌，使吸附在大肠杆菌外的噬菌体外壳均匀散布在培养液中，离心沉淀，分别测 定沉淀物和上清液中的同位素标记。 结果发现：几乎全部的 P 32 都和细菌细胞一起出现在沉淀物中，几乎全部 S 35 都在上清液中。 结果表明：T2 噬菌体在侵染过程中，只将 DNA 注入到细菌细胞中，而它的 蛋白质外壳并没有进入到细胞中，而是留在细胞外。说明 DNA 参与子代 T2 噬 菌体的增殖，而蛋白质没有参与。同时，从细菌细胞中释放出来的噬菌体蛋白外 壳的形状大小、组成等与留在细胞外的蛋白质外壳一模一样，并且，在这些新的 子代噬菌体中只测到 P 32 的标记，而没有 S 35 的标记。说明决定 T2 噬菌体蛋白质 外壳特性的遗传信息在 DNA 上，DNA 带有 T2 噬菌体的全部遗传信息。 从而证明了 DNA 是遗传物质。 3、病毒的重建实验 这个实验是由 H. Fraenkel-Conrat 在 1956 年做的。 烟草花叶病毒（TMV）和它的变种霍氏车前草病毒（HRV）是 RNA 病毒， RNA 占 5％，蛋白质占 95％，它们能在烟草叶片上形成病斑。分别在苯酚中振
荡，可将它们的病毒外壳（蛋白质）和核酸RNA分开。 将TMV的蛋白质外壳和HRV的RNA杂交组成杂种病毒去感染烟草，在烟 草叶片上的病症只显示HRV的性状，而且从病斑中分离到的子代病毒经抗体处 理证明是HRV 将TMV的RNA和HRV的蛋白质外壳杂交组成杂种病毒去感染烟草，在烟 草叶片上的病症只显示TMV的性状，而且从病斑中分离到的子代病毒经抗体处 理证明是TMV。 这一事实说明病毒中蛋白质的特性是由它的RNA决定的，而不是由蛋白质 决定的，遗传物质是核酸(RNA)。 朊病毒引起的思考： Prion是l982年Prusiner在研究羊的搔痒症时发现的，它们是一种蛋白质侵 染颗粒，能引起人和动物的致死性神经系统疾病。 朊病毒的发现是对现行的中心法则的冲击，那么蛋白质到底可不可以作为遗 传物质呢？现在还没有定论。有人坚持认为朊病毒中可能含有极少量的核酸。但 大量事实都支持蛋白粒子的致病性是由于细胞中正常的PP经翻译后修饰而转 变为折叠异常的病理形态PPc这一假说。 我们知道，蛋白质的一级结构决定高级结构，但是如何决定的呢？氨基酸序 列中是否存在决定蛋白质空间结构的“第二遗传密码” 一“折叠密码”呢？“折 叠密码”的翻译过程又是怎样的呢？中心法则是否应表述为DNA一RNA一多 肽链一蛋白质呢？这些都是现代分子生物学中尚待解决的核心问题。 二、遗传物质的存在状态 微生物的遗传物质也是DNA和RNA,具有一样的分子结构与功能，但微 生物的遗传物质较其它生物的遗传物质具有多样性，不仅存在于其细胞染色体， 而且在真核微生物中的细胞器中，染色体外的质粒，RNA病毒的RNA核酸，和 无核酸的朊蛋白等都有遗传信息物质存在。 1.遗传物质在微生物中存在的主要形式一染色体DNA 染色体DNA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分子量、碱基对数、长度等很不相同， 3
3 荡，可将它们的病毒外壳（蛋白质）和核酸 RNA 分开。 将 TMV 的蛋白质外壳和 HRV 的 RNA 杂交组成杂种病毒去感染烟草，在烟 草叶片上的病症只显示 HRV 的性状，而且从病斑中分离到的子代病毒经抗体处 理证明是 HRV。 将 TMV 的 RNA 和 HRV 的蛋白质外壳杂交组成杂种病毒去感染烟草，在烟 草叶片上的病症只显示 TMV 的性状，而且从病斑中分离到的子代病毒经抗体处 理证明是 TMV。 这一事实说明病毒中蛋白质的特性是由它的 RNA 决定的，而不是由蛋白质 决定的，遗传物质是核酸（RNA）。 朊病毒引起的思考： Prion 是 1982 年 Prusiner 在研究羊的搔痒症时发现的，它们是一种蛋白质侵 染颗粒，能引起人和动物的致死性神经系统疾病。 朊病毒的发现是对现行的中心法则的冲击，那么蛋白质到底可不可以作为遗 传物质呢？现在还没有定论。有人坚持认为朊病毒中可能含有极少量的核酸。但 大量事实都支持蛋白粒子的致病性是由于细胞中正常的 PrPc 经翻译后修饰而转 变为折叠异常的病理形态 PrPsc 这一假说。 我们知道，蛋白质的一级结构决定高级结构，但是如何决定的呢？氨基酸序 列中是否存在决定蛋白质空间结构的“第二遗传密码”——“折叠密码”呢？“折 叠密码”的翻译过程又是怎样的呢？中心法则是否应表述为 DNA RNA 多 肽链 蛋白质呢？这些都是现代分子生物学中尚待解决的核心问题。 二、 遗传物质的存在状态 微生物的遗传物质也是 DNA 和 RNA，具有一样的分子结构与功能，但微 生物的遗传物质较其它生物的遗传物质具有多样性，不仅存在于其细胞染色体， 而且在真核微生物中的细胞器中，染色体外的质粒，RNA 病毒的 RNA 核酸，和 无核酸的朊蛋白等都有遗传信息物质存在。 1. 遗传物质在微生物中存在的主要形式 —— 染色体 DNA 染色体 DNA 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 分子量、碱基对数、长度等很不相同
总趋势是越是低等的生物，其DNA分子量、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（见图）。而且真核微生物和原核微生物的染色体有着明显的如下区别： (1)真核生物的遗传物质是DNA,原核生物的遗传物质是DNA或RNA: (2)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:(3)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（现在发现链毒菌和有些古细菌的染 色体为线形)：(4)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。 2.真核徽生物中染色体外的遗传物质一一细胞器DNA 真核微生物的部分遗传物质还存在于染色体外的细胞器（如叶绿体 (chloroplast)线粒体(mitochondrion)中，它们也能独立复制，并随 细胞分裂而传代。 3.微生物中染色体外DNA存在的另一形式一质粒 质粒目前发现于原核微生物和真核微生物的酵母菌、某些丝状真菌及某些原 生动物中，它是存在于微生物染色体外的主要遗传物质，是能自主复制、多为共 价闭合环状、少数为线状的双链DNA分子。但有些可以整合到染色体上，作为 染色体的一部分而进行复制，又可以再游离出来并携带一些寄主的染色体基因， 即附加体。 4.可移动的遗传物质—转座因子 转座因子是美国遗传学家MeClintock于20世纪50年代在对玉米遗传现象 的细微研究中发现的，并于1983年获Nobe奖。 转座因子也是细胞中除染色体外的另一类遗传物质，它是能改变自身位置的 一段DNA序列，广泛分布于原核和真核细胞中。它可从染色体的一个位置转移 到另一个位置，或者从质粒转移到染色体上，这一过程称为转座。 5.病毒中的遗传物质 DNA病毒（单、双链），RNA病毒（单、双链），朊病毒。 第二节原核微生物的基因重组
4 总趋势是越是低等的生物，其 DNA 分子量、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（见图）。而且真核微生物和原核微生物的染色体有着明显的如下区别： （ 1 ）真核生物的遗传物质是 DNA ，原核生物的遗传物质是 DNA 或 RNA ； （ 2 ）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 ；（ 3 ）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 (现在发现链霉菌和有些古细菌的染 色体为线形)；（ 4 ）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。 2. 真核微生物中染色体外的遗传物质——细胞器 DNA 真核微生物的部分遗传物质还存在于染色体外的细胞器（如叶绿体 （ chloroplast ）、线粒体（ mitochondrion ））中，它们也能独立复制，并随 细胞分裂而传代。 3. 微生物中染色体外 DNA 存在的另一形式 —— 质粒 质粒目前发现于原核微生物和真核微生物的酵母菌、某些丝状真菌及某些原 生动物中，它是存在于微生物染色体外的主要遗传物质，是能自主复制、多为共 价闭合环状、少数为线状的双链 DNA 分子。但有些可以整合到染色体上，作为 染色体的一部分而进行复制，又可以再游离出来并携带一些寄主的染色体基因， 即附加体。 4．可移动的遗传物质——转座因子 转座因子是美国遗传学家 MeClintock 于 20 世纪 50 年代在对玉米遗传现象 的细微研究中发现的，并于 1983 年获 Nobel 奖。 转座因子也是细胞中除染色体外的另一类遗传物质，它是能改变自身位置的 一段 DNA 序列，广泛分布于原核和真核细胞中。它可从染色体的一个位置转移 到另一个位置，或者从质粒转移到染色体上，这一过程称为转座。 5. 病毒中的遗传物质 DNA 病毒（单、双链），RNA 病毒（单、双链），朊病毒。 第二节 原核微生物的基因重组
基因： 基因是一个实体，它的物质基础是核酸(DNA或RNA),是一个携带有特定遗 传信息的核苷酸序列，是具有自主复制能力的遗传物质的最小功能单位。 一般来讲，一个基因，一个多肽链，但有的基因无翻译产物，如rRNA,tRNA 基因，有的基因是不转录的DNA区段，如操纵基因，它们都具有重要的遗传功能。 基因重组： 是指两个不同来源的遗传物质进行交换，经过基因的重新组合，形成新的基 因型的过程。 通常称提供交换的DNA的生物为供体(donor),获得DNA的生物为受体 (receptor)。 这种基因重组在自然界的微生物细胞之间、微生物与其他高等动、植物细胞 之间都有发生，也就是说微生物除了由亲代向子代进行垂直方向的基因传递外 具有多种途径进行水平方向的基因转移（也有称水平漂移）。微生物细胞或作为 基因供体向其他微生物细胞提供基因，或作为基因受体接受其他微生物细胞提供 的基因。一旦供体的DNA进入受体，它既可在受体细胞中游离存在，也可整合 到受体细胞的染色体或质粒上并表达，使受体细胞具有新的性状。这种基因的转 移、交换、重组是生物得以进化的动力。 原核生物基因重组的方式主要有三种：转化、转导和接合，下面分别加以介 绍。 一.转化(transformation) 转化：某一基因型的细胞吸收来自另一基因型细胞的游离DA分子（质粒或染色 体DNA片断)，并使它的基因型和表型发生相应变化的现象。 这种现象首先在细菌中发现，后来在其它微生物中如放线菌、真菌中也发现 了自然转化现象。 1.转化作用的发现 转化现象是1928年由Griffith在进行肺炎链球菌的研究中发现的，其后， Avery等人在1944年对转化的本质进行了研究，证明了转化因子是DNA。 2.自然转化作用
5 基因： 基因是一个实体，它的物质基础是核酸（DNA 或 RNA），是一个携带有特定遗 传信息的核苷酸序列，是具有自主复制能力的遗传物质的最小功能单位。 一般来讲，一个基因，一个多肽链，但有的基因无翻译产物，如 rRNA,tRNA 基因，有的基因是不转录的 DNA 区段，如操纵基因，它们都具有重要的遗传功能。 基因重组： 是指两个不同来源的遗传物质进行交换，经过基因的重新组合，形成新的基 因型的过程。 通常称提供交换的 DNA 的生物为供体（donor）,获得 DNA 的生物为受体 （receptor）。 这种基因重组在自然界的微生物细胞之间、微生物与其他高等动、植物细胞 之间都有发生，也就是说微生物除了由亲代向子代进行垂直方向的基因传递外， 具有多种途径进行水平方向的基因转移（也有称水平漂移）。微生物细胞或作为 基因供体向其他微生物细胞提供基因，或作为基因受体接受其他微生物细胞提供 的基因。一旦供体的 DNA 进入受体，它既可在受体细胞中游离存在，也可整合 到受体细胞的染色体或质粒上并表达，使受体细胞具有新的性状。这种基因的转 移、交换、重组是生物得以进化的动力。 原核生物基因重组的方式主要有三种：转化、转导和接合，下面分别加以介 绍。 一． 转化（transformation） 转化：某一基因型的细胞吸收来自另一基因型细胞的游离 DNA 分子（质粒或染色 体 DNA 片断），并使它的基因型和表型发生相应变化的现象。 这种现象首先在细菌中发现，后来在其它微生物中如放线菌、真菌中也发现 了自然转化现象。 1． 转化作用的发现 转化现象是 1928 年由 Griffith 在进行肺炎链球菌的研究中发现的，其后， Avery 等人在 1944 年对转化的本质进行了研究，证明了转化因子是 DNA。 2． 自然转化作用