微生物学教案 第八章 微生物遗传

第八章——微生物遗传

第一节 遗传的物质基础

遗传的物质基础是蛋白质还是核酸，曾是生物学中激烈争论的重大问题之一。1944年Avery等人以微生物为研究对象进行的实验，无可辨驳地证 实遗传的物质基础不是蛋白质而是核酸，并且随着对DNA特性(结构的多样性，自体复制特性等)的了解，“核酸是遗传物质的基础”这一生物学中的重大理论才真正得以突破。下面分别介绍以DNA和RNA为遗传物质基础的微生物学实验证据。

一 DNA作为遗传物质 1.Griffith的转化实验

1928年英国的一位细菌学家F.Griffith将能使小鼠致死的SⅢ型菌株加热杀死，并注入小鼠体内后，小鼠不死，而且也不能从小鼠体内重新分离到肺炎球菌。但是当他们进一步将加热杀死，已无致病性的SⅢ菌和小量活的非致病的R型菌(由SⅡ型突变而来)一起注入小鼠体内后，意外地发现小鼠死了， 而且从死的小鼠中分离到活的SⅢ型菌株(注意不是SⅡ型)。显然，小鼠致死的原因正是由于这些SⅢ型菌的毒性作用，那么这些SⅢ菌从何而来呢?实验不难证明注入小鼠体内的SⅢ菌已全部被杀死，因此不可能是SⅢ的残留者，同时，也不可能是R型回复突变所致，因为来自SⅡ型的R型的回复突变应为SⅡ型而不是SⅢ型。唯一合理的解释是：活的、非致病性的R型从 已被杀死的SⅢ型中获得了遗传物质，使其产生荚膜成为致病性的SⅢ型。Griffith将这种现 象称为转化(transformation)。几年后，这一现象在离体条件下进一步得到证实，并将引起转化的遗传物质称为转化因子(transforming factor)。Griffith是第一个发现转化现象的 ，虽然当时还不知道称之为转化因子的本质是什么，但是他的工作为后来Avery等人进一步 揭示转化因子的实质，确立DNA为遗传物质奠定了重要基础。

2.DNA作为遗传物质的第一个实验证据

Avery和他的合作者C.M.Macleod和M.J.McCarty为了弄清楚Griffith实验中的转化因子的实质，他们分别用降解DNA、RNA或蛋白质的酶作用于有毒的S型细胞抽提物，选择性地破坏这些细胞成份，然后分别与无毒的R型细胞混合，观察转化现象的发生。结果发现，只有DNA被酶解而遭到破坏的抽提物无转化作用，说明DNA是转化所必须的转化因子，并在1944 年发表了他们的实验结果，为Griffith的转化因子是DNA而不是蛋白质提供了第一证据。为了消除“蛋白质论”者的怀疑，Avery等人将DNA抽提出来，进行不断的纯化，直到1949年，作为转化因子的DNA已纯化到所含蛋白质只有0.02%，这时的转化效果非但不减少反而增加，并随DNA浓度的增加而增加。DNA作为遗传信息的载体已充分获得证实。

3.T2噬菌体的感染实验

1952年，Alfred D.Hershey和Martha Chase为了证实T2噬菌体的DNA是遗传物质，他们用3235

P标记病毒的DNA，用S标记病毒的蛋白质外壳。然后将这两种不同标记的 病毒分别与其宿主大

35

肠杆菌混合。结果发现，用含有S蛋白质的T2噬菌体感染大肠杆菌时，大多数放射活性留在宿主

3232

细胞的外边，而用含有PDNA的T2噬菌体与宿 主细菌混合时，则发现PDNA注入宿主细胞，并产生噬菌体后代，这些T2噬菌体后代的蛋白质外壳的组成、形状大小等特性均与留在细胞外的蛋白质

外壳一模一样，说明决定蛋白质外壳的遗传信息是在DNA上，DNA携带有T2的全部遗传信息(图8-1)。

图8-1 T2噬菌体的实验

二、RNA作为遗传物质

有些生物只由RNA和蛋白质组成，例如某些动物和植物病毒以及某些噬菌体(见第七章)。1956年，用含RNA的烟草花叶病毒(Tobacco Mosaic Virus，简称TMV) 所进行的拆分与重建实验证明RNA也是遗传物质的基础。图8-2显示其实验的过程：

(1)用表面活性剂处理标准TMV，得到它的蛋白质；

(2)从TMV的变种HR(外壳蛋白的氨基酸组成与标准株存在2-3个氨基酸的差别)通过弱碱处理得到它的RNA；

(3)通过重建获得杂种病毒；

(4)标准TMV抗血清使杂种病毒失活，HR抗血清不使它失活，证实杂种病毒的蛋白质外壳是来自TMV标准株。

(5)杂种病毒感染烟草产生HR所特有的病斑，说明杂种病毒的感染特性是由HR的RNA 所决定，而不是二者的融合特征；

(6)从病斑中一再分离得到的子病毒的蛋白质外壳是HR蛋白质，而不是标准株的蛋白质外壳。以上实验结果说明杂种病毒的感染特征和蛋白质的特性 是由它的RNA所决定，而不是由蛋白质所决定，遗传物质是RNA。

图8-2 TMV病毒拆分重建实验

三、朊病毒的发现和思考

无论是DNA还是RNA作为遗传物质的基础已是无可辨驳的事实。但朊病毒(prion)的发现对“ 蛋

sc

白质不是遗传物质”的定论也带来一些疑云。prp(见第七章)是具有传染性的蛋 白质致病因子，迄今未发现该蛋白内有核酸。但已知的传染性疾病的传播因子必须含有核酸 (DNA或RNA)组成的遗传物质，才能感染宿主并在宿主体内自然繁殖。那么这是生命界的又一特例呢? 还是因为目前人们的

sc

认识和技术所限而尚未揭示的生命之谜呢? (如有人坚持认为prp中可能含有极微量的核酸)还有待

scc

生命科学家去认识和探索。但prp的致病性是由于prp改变折叠状态所致，这一广为证实的事实，已是当今分子生物学研究的热点之一——由蛋白质的折叠与生物功能之间的关系的研究延伸至与疾

sc

病的致病因子之间的关系的研究，为治疗和根除prp引起的疾病(有人称为构象病)开辟新的途径。 “第二遗传密码”——“折叠密码”? 1958年，DNA双螺旋结构模型的奠基人之一，英国科学家Crick以DNA→RNA→蛋白质(或多肽链)的单向传递形式，首次提出遗传信息传递的中心法则。三联密码将使RNA(mRNA)中的 核苷酸序列转变成新生肽链中的氨基酸序列。现已知道，新生肽链必须经过一系列极其复杂 的加工和成熟过程，形成特定空间结构后才能成为有活性的蛋白质，这个过程包括氨基 酸残基的化学修饰和正确、适时的折叠。60年代，Anfinsen曾提出蛋白质的氨基酸 序列已经包含了它的三维结构的全部信息，或一级结构决定高级结构，但是一级结构到底如 何决定高级结构的呢?如果说三联密码，即三个碱基决定一个氨基酸是“遗传密码”，那么多肽链中氨基酸序列如何决定蛋白质的空间结构是否也存在另一套密码——“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?这是现代分子生物学研究中尚未解决的核心问题之一。 第二节 微生物的基因组结构

基因组(genome)是指存在于细胞或病毒中的所有基因。细菌在一般情况下是一套基因，即单倍体(hoploid)；真核微生物通常是有二套基因又称二倍体(diploid)。基因组通常是指全部一套基因。由于现在发现许多非编码序列具有重要的功能，因此目前基因组的含义实际上是指细胞中基因以及非基因的DNA序列组成的总称，包括编码蛋白质的结构基因、调控序列以及目前功能还尚不清楚的DNA序列。但无论是原核还是真核微生物，其基因组一 般都比较小(表8-1)，其中最小的大肠杆菌噬菌体MS2只有3000bp，含3个基因。一般来说这些依赖于宿主生活的病毒基因组都很小。近年来对微生物基因组序列的测定表明，能进行独立生活的最小基因组是一种生殖道枝原体，只含473个基因，通过与流感嗜血菌序列比较研究，提出了256个基因可能是维持细胞生命活动所必需的最低数量的假说。

微生物基因组随不同类型(真细菌、古生菌、真核微生物)表现出多样性，下面分别以大肠杆菌、詹氏甲烷球菌和啤酒酵母为代表说明。

表8-1 微生物与几种代表生物的基因组 生物 MS2噬菌体(MS2 Phage) λ噬菌体(λ Phage) T40噬菌体(T4 Phage) 生殖道枝原体(Mycoplasma 473 0.58×10 6基因数 3 50 150 基组大小(bp) 3×10 5×10 2×10 543genitalium) 詹氏甲烷球菌(Methanococcus 1682 1.66×10 6jannaschii)* 幽门螺杆菌(Helicobacter pylori) 1.66×10 6 嗜热碱甲烷杆菌(Methanobacterium thermoautotrophicum) 流感嗜血菌(Hacmophilus influenzae) 闪烁古生球菌(Archaeoglobus fulgidus) 枯草杆菌(Bacillus subtilis) 3700 1760 1.25× 10 61.83×10 62.18×10 64.2×10 6