2023.7.11华中农业大学全英文选修课程生物技术中的微生物学课程第三节课程要点

注：内容可能存在不准确情况，配套本人已投稿视频进行观看  

细菌基因组中包含DNA，且它们只有一个染色体。此外，可能还有质粒，它们是小的环状DNA片段，可以包含额外的基因，并可以在细菌之间交换。总体而言，细菌基因组的结构相对于真核生物基因组来说相对简单。主要讨论了细菌和真核生物的基因组结构的不同。细菌基因组通常由一个染色体和一个或多个小环状DNA分子（质粒）组成，而真核生物基因组则通常由多个染色体组成，这些染色体通过紧密包装来适应细胞核的大小。真核生物通常是二倍体，即具有两个相同的染色体，而细菌则通常是单倍体，只有一个染色体。真核生物通过性交来产生后代，这也是为什么它们通常是二倍体的原因之一。此外，真核生物的基因组通常比细菌的基因组大得多，并且由于基因转录的调控更加严格，因此需要紧密包装其DNA。关于染色体的包装和DNA的结构。首先讨论了染色体如何被包装，它们由蛋白质组成的组成单元——组蛋白进行包装，形成了“珠串”的结构。接着，珠串被包装成30纳米的纤维，再被特殊的SMC蛋白质夹住形成染色体。然后，讨论了DNA的结构和剪接，DNA包括外显子和内含子，内含子会被剪掉以保证基因的正常表达。最后，讨论了基因结构，为什么内含子需要被剪掉，因为内含子和开放阅读框不在同一阅读框架，如果不剪掉，就会影响蛋白质的正常合成。MRI信号的引导机制：MRI中的splicious zone通过识别特定的序列来标记内含子，然后将其剪切出去。基因结构中的启动子：Ukaryouts中的启动子通常比较长，可以有5000个碱基对，而细菌中的启动子则比较短。在细菌中，启动子与起始密码子之间的距离非常重要，必须精确匹配，而在Ukaryouts中，启动子与起始密码子之间的距离并不重要。在生物技术中使用E.coli：E.coli被广泛用作构建质粒的模型生物，因为它能够承载外源质粒，并进行表达。细胞的大小限制：由于表面积与体积的比例限制，细胞的大小受到限制。随着细胞体积的增加，营养物质无法充分扩散到细胞的中心，从而限制了细胞的大小。真核细胞与细菌细胞的大小差异：真核细胞比细菌细胞大，这是因为真核细胞内有线粒体等细胞器，可以产生营养物质，并帮助这些营养物质扩散到细胞内。细胞分裂的原因：细胞的大小限制是导致细胞分裂的主要原因。当细胞体积达到一定限制时，细胞将分裂成两个较小的细胞，以便更好地获取营养物质。表面积与体积的比例限制：表面积与体积的比例限制是导致细胞大小受限的根本原因，因为随着细胞体积的增加，其表面积不能够保持与体积的比例增长。

讲解了生物技术中的操作子（operans）及其在基因调控中的作用。首先，操作子通常指一组基因排列在一起，能够同时被调控。在真核生物中，基因通常分散在染色体上，而在原核生物中，基因会紧密排列在一起形成操作子。基因调控是指控制转录的时间和水平，以避免浪费能量。基因调控机制包括：信号因子（Sigma factors）通过调节RNA聚合酶的结合选择性来控制基因转录；小RNA通过结合RNA干扰子来抑制翻译；Ribo开关（Ribo switch）通过结合化学物质来阻止转录后的翻译；转录因子（transcription factors）通过结合特定的启动子来调控基因转录，不同的转录因子可以在不同启动子上工作，还可以启动或抑制基因。这些基因调控机制是研究操作子的重要内容，同时也是生物技术中重要的调控手段。讲述了转录调控和操纵子的概念及其特征。操纵子是一系列基因ABCE，通常很紧密地排在一起，指向同一方向，共同具有一些功能。四个操纵子的特征是：1. 同源性，即基因顺序保持不变；2. 共同调控，通常有一个启动子控制整个操纵子；3. 多顺反式转录，一个RNA转录本可以编码多个蛋白质；4. 具有共享功能，例如核糖体基因的操纵子。操纵子可以具有更复杂的调控机制，例如内在启动子、双向启动子和读通终止子等。操纵子是生物技术中表达蛋白质的重要工具，例如著名的Lac操纵子。

讲述了两个基因组的例子：Lac operon和Ara operon。这些基因组是用来调控细菌对于不同糖类的消化。Lac operon是用来调控对于乳糖的消化，而Ara operon是用来调控对于阿拉伯糖的消化。这些基因组由不同的基因和转录因子构成，并通过控制转录过程来调控基因的表达。这些基因组的调控机制各不相同，但都是用来控制糖的消化在生物技术领域，我们可以使用这些基因组的调控机制来控制目标基因的表达。例如，在一个质粒中，我们可以将目标基因的前面与Lac operon的启动子和调控子结合，然后将Lac抑制因子的基因加入其中。这样，当我们向培养基中加入IPTG时，Lac operon的启动子就会被激活，从而启动目标基因的表达。

讲述了关于质粒（plasmid）的定义、特点和用途。质粒是一种环形DNA分子，通常大小为3,000到20,000个碱基对之间，它们位于染色体之外。质粒可以被用作运载基因的载体，通过细菌间的接合作用，它们可以在细菌中传递和复制。在生物技术中，质粒有多种用途，例如可以用来储存DNA、建立基因库（library）以及进行基因研究。建立质粒基因库可以存储多个基因序列，这些质粒通常被保存在冷冻的细菌库中，以备后续研究使用。此外，质粒也可以被用来传递抗性基因等特定基因序列，以满足特定的研究需求。质粒是可用于存储DNA并创建DNA库的工具。在生物技术中，质粒可用于构建基因电路。构建质粒时需要一个支架，也称为骨架，用于容纳基因、启动子和终止子等。可通过质粒实现基因信息的转移和整合。质粒的构建和应用需要掌握相关的专业术语，如“backbone”、“gateway”、“destination”和“selection cassette”等。质粒通常有一个名称编码，名称中的字母和数字可以反映出质粒的特征。质粒的大小和选择基因也是质粒重要的特征。在生物技术中，质粒常用于构建基因电路和转移基因信息，以及进行细胞选择和表达蛋白质等应用。质粒通常包括起始密码子、启动子、多克隆位点、抗性基因、转录因子基因、终止子和起源。多克隆位点是插入位点，用于将目标基因插入质粒中。多克隆位点通常具有多个限制酶切位点，这些限制酶可用于切割和重组质粒和目标基因。质粒起源是招募DNA聚合酶的区域，以产生多个质粒副本。高复制质粒具有高复制起源，可产生多达600个副本/细胞。低复制质粒具有低复制起源，可能只有1-10个副本/细胞。高复制质粒通常用于大量生产特定蛋白质，而低复制质粒则用于研究可能具有毒性的基因。还有可诱导起源，添加特定的化学物质可以刺激质粒复制。转录因子是一种蛋白质，可结合启动子并调节基因表达。质粒中的抗性基因可使质粒在特定抗生素存在的情况下存活。终止子是DNA序列，在转录过程中指示RNA聚合酶停止转录。

讲述了关于质粒的特征、制备以及常见类型的内容。其中提到，制备质粒的过程通常被称为“mini prep”，需要将细胞破裂并分离出核酸，随后用柱层析法纯化DNA，并通过向其添加适当的缓冲液进行洗脱。常见的质粒类型包括pet、peabad、pbsk和pet duet等。此外，还介绍了一种用于果蝇插入的p uas p att b质粒。在实验室中，经常需要进行质粒制备和电泳检测等操作，因此这些知识点非常重要。

讲解了微生物学和生物技术的重要性，特别是在基因转移过程中的应用。在进行生物技术研究时，需要先在大肠杆菌中构建质粒，然后将其转移到其他生物中进行基因转移。因此，大肠杆菌是生物技术的关键步骤。质粒通常具有抗生素选殖标记和大肠杆菌起源，以确保它们可以在大肠杆菌中扩增并进行选择。对于果蝇转基因，也需要使用大肠杆菌进行构建，然后将其转移到果蝇中。但是，转基因果蝇的选择标记并非使用抗生素，而是使用其他基因标记，例如白色基因。因此，在生物技术研究中，了解微生物学和掌握基本技能是极为重要的。