微生物技术在环境领域的应用——基因工程与分子生态学
环境科学与工程学院
朱艳彬
【微生物技术在环境领域的应用】基于16S rDNA的指纹图谱法
为什么选择16S rRNA基因作为微生物进化
的遗传标记?
【微生物技术在环境领域的应用】核糖体
•细胞内一种核糖核蛋白颗粒(ribonucleoprotein
particle)，主要由RNA和蛋白质构成，其惟一
功能是按照mRNA的指令将氨基酸合成蛋白质
多肽链，所以核糖体是细胞内蛋白质合成的分
子机器。

【微生物技术在环境领域的应用】结构
•核糖体无膜结构，主要由蛋白质（40%）和RNA
（60%）构成。

•核糖体按沉降系数分为两类，
✓70S存在于细菌等原核生物中
✓80S存在于真核细胞的细胞质中
•有的漂浮在细胞内，有的结集在一起。

【微生物技术在环境领域的应用】沉降系数（sedimentation coefficient，s）☐沉降系数（sedimentation coefficient，s）
•根据1924年Svedberg（离心法创始人--瑞典蛋白质
化学家）对沉降系数下的定义：颗粒在单位离心
力场中粒子移动的速度。

☐沉降系数是以时间表示的。

•蛋白质，核酸等生物大分子的S实际上时常在10-13
次秒左右，故把沉降系数10-13次秒称为一个Svedberg单位，简写S，量纲为秒。

【微生物技术在环境领域的应用】功能
•核糖体是细胞内蛋白质合成的场所，被喻为蛋白质的“合成工厂”。

•当经过与DNA配对而转录形成的mRNA从细胞核的核孔出来后，核糖体便附着其上，开始滑动。

从起始密码子(例如：AUU,AUG等)开始，一直翻译到终止密码子(UAA, UAG和UGA)。

每翻译一个密码子便可通过转运RNA（tRNA）的搬运形成一个氨基酸分子，翻译的过程中，各氨基酸分子脱水缩合形成肽链，翻译完成后即形成初始的蛋白质多肽链。

【微生物技术在环境领域的应用】功能
以mRNA为模板的蛋白质多肽链在核糖体上的形成过程
【微生物技术在环境领域的应用】分类
☐按核糖体存在的部位
可分为三种类型:
•细胞质核糖体
•线粒体核糖体
•叶绿体核糖体。

☐按存在的生物类型
可分为两种类型：
•真核生物核糖体
•原核生物核糖体。

【微生物技术在环境领域的应用】原核细胞的核糖体
☐原核细胞的核糖体较小,沉降系数为70S，相对分子质量为
2.5×103kDa,由50S和30S两个亚基组成; 而真核细胞的核
糖体核糖体体积较大, 沉降系数是80S，相对分子质量为
3.9～
4.5×103kDa, 由60S和40S两个亚基组成。

☐典型的原核生物大肠杆菌核糖体是由50S大亚基和30S小亚基组成的。

✓在完整的核糖体中，rRNA约占2/3, 蛋白质约为1/3。

✓50S大亚基含有34多肽链和两种RNA分子，相对分子质量大的rRNA的沉降系数为23S，相对分子质量小的rRNA为
5S。

30S小亚基含有21多肽链和一个16S的rRNA分子。

【微生物技术在环境领域的应用】16S rRNA
•是原核细胞核糖体构成的基本原件。

【微生物技术在环境领域的应用】Carl Woese三域学说
•1977年，他根据16S rRNA的系统进化关系图，提出了著名的三域学说，提出了古菌这一说法。

16S rRNA系统进化分析也成为现今最为经典的微生物分类方法之一。

微生物分子生态的研究者也应该牢记Carl Woese这个名字，我们现
今最为流行的文库构建、DGGE、FISH等技术无不是以
16S rRNA为基础的。

•Carl Woese也在2003年的时候获得了生态学中的诺贝尔奖—Crafoord Prize。

【微生物技术在环境领域的应用】16S rRNA
•rRNA 参与生物蛋白质的合成过程，其功能是任何细胞型生物都必不可少的，而且在生物进化的漫长历程中保持不
变，可看作为生物演变的分子钟。

•在16S rRNA 分子中，不但含有高度保守的序列区域，又有中度保守和高度变化的序列区域，因而它适用于进化距
离不同的各类生物亲缘关系的研究。

•16S rRNA 的相对分子量大小适中，约1540bp，含有足够多的信息以便于亲缘关系研究，5S太短，而23S 的序列相对于当时的测序技术显得有点过长。

【微生物技术在环境领域的应用】16S rRNA的多样性
•Diversity of 16S rRNA Genes within Individual
Prokaryotic Genomes
•Diversity of 23S rRNA Genes within Individual
Prokaryotic Genomes
【微生物技术在环境领域的应用】16srRNA与16srDNA
•16S rRNA为核糖体的RNA的一个亚基，
16SrDNA就是编码该亚基的基因。

16S rDNA =16S rRNA gene
•提取DNA用于测序？实际上检测的是？
Thank you！。