細(xì)菌與病毒的遺傳選修

1、 第七章 細(xì)菌和病毒的遺傳 細(xì)菌與病毒的遺傳選修細(xì)菌屬于原核生物，不進(jìn)行典型的有絲分裂和減數(shù)分裂，因此，其染色體傳遞和重組方式與真核生物不盡相同。病毒甚至不進(jìn)行分裂，它在宿主細(xì)胞內(nèi)以集團(tuán)形式產(chǎn)生。細(xì)菌和病毒的遺傳分析對(duì)整個(gè)遺傳學(xué)，特別是對(duì)于分子遺傳學(xué)的發(fā)展具有重大作用。 細(xì)菌與病毒的遺傳選修第一節(jié) 細(xì)菌和病毒遺傳研究 的意義 遺傳學(xué)研究從細(xì)胞水平推進(jìn)到分子水平，是由于兩大發(fā)展：（1）對(duì)基因的化學(xué)和物理結(jié)構(gòu) 的了解日益深入（2）研究材料采用了新的生物 類型-細(xì)菌和病毒細(xì)菌與病毒的遺傳選修一、細(xì)菌所有細(xì)菌都是比較小的單細(xì)胞，大約12m長(zhǎng)，0.5m寬 大腸桿菌(E.coli)在細(xì)菌遺傳學(xué)研究中應(yīng)用十

2、分廣泛 ,其染色體為一條環(huán)狀的裸露DNA分子。其細(xì)胞里通常還具有一個(gè)或多個(gè)小的染色體-質(zhì)粒 細(xì)菌與病毒的遺傳選修研究細(xì)菌遺傳的方法-平板培養(yǎng)細(xì)菌與病毒的遺傳選修細(xì)菌菌落的表現(xiàn)型：原養(yǎng)型（野生型） 形態(tài)性狀：菌落形狀、顏色突變型 大小 生理特性 營(yíng)養(yǎng)缺陷型 抗性-抗藥或抗感染 為了測(cè)定所發(fā)生的突變， Lederberg設(shè)計(jì)了影印培養(yǎng)法 細(xì)菌與病毒的遺傳選修細(xì)菌的影印培養(yǎng)法細(xì)菌與病毒的遺傳選修二、病毒病毒沒(méi)有細(xì)胞結(jié)構(gòu)，既不屬于原核生物，也不屬于真核生物。 病毒結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單，僅含DNA或RNA和一個(gè)蛋白質(zhì)外殼，沒(méi)有合成蛋白質(zhì)外殼所必須的核糖體。所以，病毒必須感染活細(xì)胞，改變和利用活細(xì)胞的代謝合成機(jī)器

3、，才能合成新的病毒后代。感染細(xì)菌的病毒叫噬菌體，是目前了解比較清楚的病毒，有：?jiǎn)捂淒NA、單鏈RNA、雙鏈DNA和雙鏈RNA等四種類型。 細(xì)菌與病毒的遺傳選修三、細(xì)菌和病毒在遺傳研究中 的優(yōu)越性 (1)世代周期短。大腸桿菌每20分鐘可繁殖 一代，病毒每小時(shí)可繁殖數(shù)百個(gè)后代(2)易于管理和進(jìn)行化學(xué)分析(3)便于研究基因的突變 (4)便于研究基因的作用 (5)便于基因重組的研究 (6)便于用作研究基因結(jié)構(gòu)、功能及調(diào)控機(jī) 制的材料(7)便于進(jìn)行遺傳操作 細(xì)菌與病毒的遺傳選修第二節(jié) 噬菌體的遺傳分析 一、噬菌體的結(jié)構(gòu) 遺傳學(xué)上應(yīng)用最廣泛的是大腸桿菌的T噬菌體系列(T1到T7)。其結(jié)構(gòu)大同小異，呈蝌蚪狀

4、。T偶列噬菌體結(jié)構(gòu)如下圖 細(xì)菌與病毒的遺傳選修1、烈性噬菌體 細(xì)菌與病毒的遺傳選修2、溫和性噬菌體溫和性噬菌體具有溶源性的生活周期，即在噬菌體侵入后，細(xì)菌并不裂解，以兩種形式出現(xiàn)，如和P1細(xì)菌與病毒的遺傳選修二、T2噬菌體的基因重組與作圖 噬菌斑形態(tài) 正常r+:小、邊緣模糊噬菌體 突變r(jià)-:大、邊緣清楚性狀 宿主范圍：感染和裂 正常h+:B株 解的菌株 突變h-:B株 不同 或B/2株由于h和h+均能感染B株，用T2的兩親本hr+和h+r同時(shí)感染B株，稱為雙重感染 細(xì)菌與病毒的遺傳選修 h-r+ h+r- B株 h-r+ h+r- h-r- h+r+ 接種在同時(shí)長(zhǎng)有B株及B/2株的培養(yǎng)基上 親

5、型噬菌斑 h-r+：透明、小 h+r-：半透明、大重組型噬菌斑 h-r-：透明、大 h+r+：半透明、小細(xì)菌與病毒的遺傳選修 重組型噬菌斑 重組值= 100% 總噬菌斑 h-r- + h+r+ = 100% h-r+ + h+r- + h-r- + h+r+ rah+ r+h 24% rbh+ r+h 12.3% rch+r+h 1.6% 細(xì)菌與病毒的遺傳選修表72 四種噬菌斑數(shù)及重組值雜交組合每 種 基 因 型 的%重 組 值rh+r+hr+h+rhrah+ r+hrbh+ r+hrch+r+h34.032.039.042.056.059.012.05.90.712.06.40.924%12

6、.3%1.6%細(xì)菌與病毒的遺傳選修分別作出ra、rb、rc與h的連鎖圖 ra 24 h rb 12.3 h rc 1.6 h ra rb rc h ra rb h rc ra rc h rb ra h rc rb 細(xì)菌與病毒的遺傳選修為了確定基因排列順序，可先只考慮rb、rc及h來(lái)確定是rchrb還是hrcrb。為此作： rb+rc- rb-rc+ 重組值約14% 可知h應(yīng)位于rb及rc之間，又因?yàn)門2噬菌體的連鎖圖是環(huán)狀的 細(xì)菌與病毒的遺傳選修三、噬菌體的基因重組與作圖 sco1mi+ 相當(dāng)于前面介紹的三點(diǎn)測(cè)驗(yàn) （自學(xué)） 細(xì)菌與病毒的遺傳選修第三節(jié) 細(xì)菌的遺傳分析 一個(gè)細(xì)菌DNA與另一個(gè)細(xì)菌

7、DNA的交換重組可以通過(guò)四種方式實(shí)現(xiàn) 轉(zhuǎn)化、接合、性導(dǎo)、轉(zhuǎn)導(dǎo)一、轉(zhuǎn)化 轉(zhuǎn)化：某些細(xì)菌(或其他生物)通過(guò)其細(xì)胞膜攝取周圍供體的染色體片段，并將此外源DNA片段通過(guò)重組整合到自己染色體組的過(guò)程 細(xì)菌與病毒的遺傳選修轉(zhuǎn)化首先是Griffith(1928)在肺炎雙球菌中發(fā)現(xiàn)的 殺死S片段 R S Avery(1944)等研究證實(shí)，轉(zhuǎn)化因子是DNA。這個(gè)極其重要的發(fā)現(xiàn)，不僅證實(shí)遺傳物質(zhì)是DNA，而且表明轉(zhuǎn)化是細(xì)菌交換基因的方式之一。 細(xì)菌與病毒的遺傳選修1、供體DNA與受體細(xì)胞間的接觸 與互作 影響因素包括：(1)轉(zhuǎn)化片段大小:肺炎雙球菌的成功轉(zhuǎn) 化，轉(zhuǎn)化DNA片段至少要有800bp， 枯草桿菌最少需要

8、16000bp(2)轉(zhuǎn)化片段形態(tài):轉(zhuǎn)化片段必須是雙鏈(3)轉(zhuǎn)化片段濃度：每個(gè)細(xì)胞攝取的DNA 分子數(shù)不超過(guò)10個(gè) (4)受體細(xì)胞生理狀態(tài)；感受態(tài)細(xì)菌與病毒的遺傳選修2、轉(zhuǎn)化DNA的攝取和整合 (1)結(jié)合與穿入 (2)聯(lián)會(huì) (3)整合，整合或DNA重組對(duì)同源DNA具 有特異性 細(xì)菌與病毒的遺傳選修3、轉(zhuǎn)化和基因重組作圖 當(dāng)兩個(gè)基因緊密連鎖時(shí)，它們就有較多的機(jī)會(huì)包括在同一個(gè)DNA片段中，并同時(shí)整合到受體染色體中。因此，緊密連鎖的基因可以通過(guò)轉(zhuǎn)化進(jìn)行作圖。如： trp2+ his2+ tyr1+trp2 his2 tyr1 重組型數(shù)Trp2-his2重組值 = 100% 親型數(shù)+重組型數(shù)細(xì)菌與病毒的

9、遺傳選修Trp2-his2 0.34 Trp2-tyr1 0.40 His2-tyr1 0.13 trp2 his2 tyr1 34 13 40 細(xì)菌與病毒的遺傳選修二、接合 接合：在原核生物中，是指遺傳物質(zhì)從供體-“雄性”轉(zhuǎn)移到受體-“雌性”的過(guò)程1946年，Lederberg和Tatum發(fā)現(xiàn)E.coli細(xì)胞之間通過(guò)接合可以交換遺傳物質(zhì)。他們選擇了兩個(gè)不同營(yíng)養(yǎng)缺陷型的E.coli菌株細(xì)菌與病毒的遺傳選修圖 710 黎德伯格和塔特姆的接合(雜交)試驗(yàn) 證明大腸桿菌發(fā)生遺傳重組 細(xì)菌與病毒的遺傳選修發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)出了一些原養(yǎng)型的菌落。這種原養(yǎng)型細(xì)胞的出現(xiàn)是由于轉(zhuǎn)化還是由于細(xì)胞與細(xì)胞直接接觸而發(fā)生的遺傳物

10、質(zhì)交換和重組？為了解答這個(gè)問(wèn)題，Davis(1950)設(shè)計(jì)了U型管實(shí)驗(yàn)細(xì)菌與病毒的遺傳選修在任何一臂內(nèi)都沒(méi)有出現(xiàn)原養(yǎng)型細(xì)菌。這說(shuō)明兩個(gè)菌株間的直接接觸-接合，是原養(yǎng)型細(xì)胞出現(xiàn)的必要條件。Hayes（1952)試驗(yàn)證明，在接合過(guò)程中遺傳物質(zhì)的交換是一種單向的轉(zhuǎn)移： 供體（雄性） 受體（雌性） 細(xì)菌與病毒的遺傳選修1、F因子及F+/Hfr向F的轉(zhuǎn)移Hayes和Cavalli-Sforza（1953)發(fā)現(xiàn)，供體有一個(gè)性因子即致育因子-F因子，由DNA組成，是染色體外的遺傳物質(zhì)。其組成： 細(xì)菌與病毒的遺傳選修E.coliF因子存在狀態(tài)有三種類型：沒(méi)有F因子，即F游離狀態(tài)的F因子，即F+整合的F因子，即

11、Hfr 細(xì)菌與病毒的遺傳選修F+F- F+ F+ F- F+ 這種F因子的傳遞與細(xì)菌染色體無(wú)關(guān)。但是F因子偶然地(10000個(gè)F+細(xì)胞中有一個(gè))能整合到細(xì)菌染色體中去，就可能引起染色體的轉(zhuǎn)移 5細(xì)菌與病毒的遺傳選修圖 713 兩個(gè)E.Coli 細(xì)胞雜交的電子顯微鏡照片(X 34,300) 性傘毛/接合管 細(xì)菌與病毒的遺傳選修 HfrF- Hfr Hfr F- F- 接合開(kāi)始，F(xiàn)因子僅有一部分進(jìn)入F細(xì)胞，剩下部分基因只有等到細(xì)菌染色體全部進(jìn)入到F細(xì)胞之后才能進(jìn)入，然而轉(zhuǎn)移過(guò)程常常中斷 5細(xì)菌與病毒的遺傳選修受體細(xì)胞常常只接受部分的供體染色體，這些染色體稱為供體外基因子，而受體的完整染色體則稱為受

12、體內(nèi)基因子，這樣的細(xì)菌稱為部分二倍體或部分合子、半合子細(xì)菌與病毒的遺傳選修2、中斷雜交試驗(yàn)及染色體連鎖 圖 為了證明接合時(shí)遺傳物質(zhì)從供體到受體細(xì)胞的轉(zhuǎn)移是直線式進(jìn)行的，Jacob和Wollman在五十年代設(shè)計(jì)了一個(gè)著名的中斷雜交試驗(yàn) 細(xì)菌與病毒的遺傳選修Hfr:thr+leu+lac+gal+azistonsstrsF- : thr-leu-lac-gal-aziRtonRstrR 每隔一定時(shí)間取樣，放在食物攪拌器內(nèi)攪拌 培養(yǎng)在含str的完全培養(yǎng)基上， Hfr被殺死 用影印培養(yǎng)法測(cè)試形成的F-菌落的基因型，確定每個(gè)基因轉(zhuǎn)入F-的順序（時(shí)間） 根據(jù)基因轉(zhuǎn)入F-的時(shí)間，進(jìn)行細(xì)菌染色體作圖 細(xì)菌與病

13、毒的遺傳選修圖717 中斷雜交后，重組體中Hfr遺傳性狀出現(xiàn)的頻率 細(xì)菌與病毒的遺傳選修 thr leu azi ton lac ga FO 8 8.5 9 11 18 25根據(jù)中斷雜交實(shí)驗(yàn)作出的大腸桿菌連鎖圖 用不同的Hfr菌株進(jìn)行中斷雜交實(shí)驗(yàn)，基因轉(zhuǎn)移的原點(diǎn)(O)和轉(zhuǎn)移的方向不同，說(shuō)明F因子和細(xì)菌染色體都是環(huán)狀的 細(xì)菌與病毒的遺傳選修Hfr的類型基 因 轉(zhuǎn) 移 順 序HfrH123AB3120 thr pro lac pur gal his gly thi0 thr thi gly his gal pur lac pro0 pro thr thi gly his gal pur lac0

14、pur lac pro thr thi gly his gal0 thi thr pro lac pur gal his gly 表 75 用中斷雜交法確定的幾個(gè)Hfr菌株的基因順序細(xì)菌與病毒的遺傳選修如果兩個(gè)基因間的轉(zhuǎn)移時(shí)間小于2分鐘，用中斷雜交法所得的圖距不太可靠，應(yīng)采用傳統(tǒng)的重組作圖法。 lac+ade+ 基本培養(yǎng)基 lac+ ade lacade lac-ade+ 完全培養(yǎng)基- ade lac-ade+ 重組頻率= 100% = 22% lac+ade+ + lac-ade+這兩個(gè)位點(diǎn)間的時(shí)間單位約為1分鐘 20%重組值 細(xì)菌與病毒的遺傳選修三、性導(dǎo) 性導(dǎo)：指接合時(shí)由F因子所攜帶的外源

15、DNA轉(zhuǎn)移到細(xì)菌染色體的過(guò)程 F因子整合到宿主細(xì)菌染色體的過(guò)程是可逆的，當(dāng)發(fā)生環(huán)出時(shí)偶然不夠準(zhǔn)確，攜帶有染色體的一些基因，稱這種F因子為F因子 細(xì)菌與病毒的遺傳選修 F因子特點(diǎn)（1）以極高的比率轉(zhuǎn)移它的基因（2）有極高的自然整合率，而且整合在 一定的座位上，因?yàn)樗信c細(xì)菌染 色體的同源區(qū)段 性導(dǎo)作用（1）確定等位基因的顯隱性關(guān)系（2）利用并發(fā)性導(dǎo)進(jìn)行細(xì)菌染色體作圖（3）性導(dǎo)形成的部分二倍體也可用作互 補(bǔ)測(cè)驗(yàn)，確定兩個(gè)突變型是同屬于 一個(gè)基因還是不同基因 細(xì)菌與病毒的遺傳選修四、轉(zhuǎn)導(dǎo) 轉(zhuǎn)導(dǎo)：指以噬菌體為媒介所進(jìn)行的細(xì)菌遺傳物質(zhì)重組的過(guò)程 Lederberg和Zinder（1951)首先在鼠傷寒沙

16、門氏菌中發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)導(dǎo)現(xiàn)象 phetrptryr methis 在基本培養(yǎng)基上發(fā)現(xiàn)原養(yǎng)型的菌落 可能性：（1）接合 （2）轉(zhuǎn)化 （3） ？細(xì)菌與病毒的遺傳選修 U型管試驗(yàn) 將上述兩種菌株分別放在戴維斯U型管 的兩臂內(nèi)，中間用玻璃濾板隔開(kāi)，以 防止細(xì)胞直接接觸，但允許比細(xì)菌小 的物質(zhì)通過(guò)，獲得了野生型重組體， 說(shuō)明不是接合 這種重組是通過(guò)一種過(guò)濾性因子(FA) 而實(shí)現(xiàn)的。FA不受DNA酶的影響，說(shuō)明 不是轉(zhuǎn)化 進(jìn)一步研究證明，F(xiàn)A是一種噬菌體， 稱為P22（用抗P22血清處理后失活） 細(xì)菌與病毒的遺傳選修轉(zhuǎn)導(dǎo)分為普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)和特殊性轉(zhuǎn)導(dǎo)1、普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)可以轉(zhuǎn)導(dǎo)細(xì)菌染色體組的任何不同部分 轉(zhuǎn)導(dǎo)顆粒細(xì)菌與病毒

17、的遺傳選修兩個(gè)基因同在一起轉(zhuǎn)導(dǎo)就是合轉(zhuǎn)導(dǎo) 或叫并發(fā)轉(zhuǎn)導(dǎo)合轉(zhuǎn)導(dǎo)的頻率愈高，表明兩個(gè)基因 在染色體上的距離愈近，連鎖愈密 切；相反，如果兩個(gè)基因的合轉(zhuǎn)導(dǎo) 頻率很低，就說(shuō)明它們之間距離較 遠(yuǎn)因此，測(cè)定兩基因的合轉(zhuǎn)導(dǎo)頻率就 可以確定基因之間的次序和距離細(xì)菌與病毒的遺傳選修（1）兩因子轉(zhuǎn)導(dǎo)：通過(guò)觀察兩個(gè)基因的轉(zhuǎn)導(dǎo)，計(jì)算并比較每?jī)蓚€(gè)基因之間的合轉(zhuǎn)導(dǎo)頻率，就可以確定三個(gè)或三個(gè)以上基因在染色體上的排列順序例如：a基因和b基因的合轉(zhuǎn)導(dǎo)頻率很高，a和c基因的合轉(zhuǎn)導(dǎo)頻率也很高，而b和c很少或完全不在一起轉(zhuǎn)導(dǎo)，這三個(gè)基因的次序就應(yīng)為：bac細(xì)菌與病毒的遺傳選修（2）三因子轉(zhuǎn)導(dǎo)：只需分析一個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果就可以推出三個(gè)基因

18、的次序例如：供體大腸桿菌具有基因型a+b+c+，受體的基因型為abc。最少的一類轉(zhuǎn)導(dǎo)體應(yīng)代表最難于轉(zhuǎn)導(dǎo)的情況，這種轉(zhuǎn)導(dǎo)體是同時(shí)發(fā)生交換次數(shù)最多的一類。這種轉(zhuǎn)導(dǎo)體的兩邊應(yīng)為供體基因，而中間為受體基因，如正確次序?yàn)閍bc，就應(yīng)為a+bc+。假定由實(shí)驗(yàn)得到的最少的轉(zhuǎn)導(dǎo)體類別為a+b+c，那么就可以確定，這三個(gè)基因的正確次序應(yīng)當(dāng)是acb或bca。 細(xì)菌與病毒的遺傳選修圖723 轉(zhuǎn)導(dǎo)顆粒與受體染色體之間，通過(guò)四交換形成轉(zhuǎn)導(dǎo)體，這種轉(zhuǎn)導(dǎo)體的頻率最低 細(xì)菌與病毒的遺傳選修如果把三個(gè)基因中每?jī)蓚€(gè)基因的合轉(zhuǎn)導(dǎo)頻率算出來(lái)，還可根據(jù)這一頻率推算出三個(gè)基因之間的物理距離： d =L(1- 3 X ) d=同一染色體上兩基因之間的物理距離L=轉(zhuǎn)導(dǎo)DNA的平均長(zhǎng)度 X=兩個(gè)基因合轉(zhuǎn)導(dǎo)的頻率 細(xì)菌與病毒的遺傳選修P1侵染帶leu+ thr+aziR E.coli 用轉(zhuǎn)導(dǎo)顆粒P1再侵染帶leu- thr- azis E.coli 將受體細(xì)菌特定培養(yǎng)：培養(yǎng)在一種可選擇1-2個(gè)標(biāo)記基因而不選擇其余標(biāo)記基因的培養(yǎng)基上 例如：0azi+thr培養(yǎng)基，leu為標(biāo)記基因因?yàn)椋褐挥衛(wèi)e