細(xì)菌與病毒遺傳5

第七章細(xì)菌和病毒的遺傳細(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。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)菌和病毒一、細(xì)菌

所有細(xì)菌都是比較小的單細(xì)胞，大約12μm長(zhǎng)，0.5μm寬大腸桿菌(E.coli)在細(xì)菌遺傳學(xué)研究中應(yīng)用十分廣泛,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(plasmid)。研究細(xì)菌遺傳的方法--平板培養(yǎng)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)菌的影印培養(yǎng)法二、病毒病毒沒有細(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，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。

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

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。T偶列噬菌體結(jié)構(gòu)如下圖

1、烈性噬菌體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λ和P1。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h–r+和h+r–同時(shí)感染B株，稱為雙重感染

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

親型噬菌斑h(yuǎn)-r+：透明、小

h+r-：半透明、大重組型噬菌斑h(yuǎn)-r-：透明、大h+r+：半透明、小重組型噬菌斑

重組值=×100%

總噬菌斑

h-r-+h+r+=×100%

h-r++h+r-+h-r-+h+r+

ra–h+r+h–

→24%

rb–h+r+h–

→

12.3%

rc–h+×r+h–

→

1.6%

表7－2四種噬菌斑數(shù)及重組值雜交組合每種基因型的%重組值r–h+r+h–r+h+r–h–ra–h+r+h–rb–h+r+h–rc–h+×r+h–34.032.039.042.056.059.012.05.90.712.06.40.924%12.3%1.6%分別作出ra、rb、rc與h的連鎖圖ra24

hrb12.3

hrc

1.6h×rarb

rc

h√

rarb

hrc√

rarc

hrb×rahrc

rb

為了確定基因排列順序，可先只考慮rb、rc及h來確定是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

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)）

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DNA的交換重組可以通過四種方式實(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片段通過重組整合到自己染色體組的過程。

轉(zhuǎn)化首先是Griffith(1928)在肺炎雙球菌中發(fā)現(xiàn)的殺死SⅢ片段RⅡSⅢ

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。

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10個(gè)

(4)受體細(xì)胞生理狀態(tài)；感受態(tài)（指細(xì)菌能夠從周圍環(huán)境中吸收DNA分子進(jìn)行轉(zhuǎn)化的生理狀態(tài)。）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

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轉(zhuǎn)化進(jìn)行作圖。如：

trp2+his2+tyr1+×trp2

his2tyr1↓重組型數(shù)Trp2-his2重組值=×100%

親型數(shù)+重組型數(shù)Trp2-his2→0.34Trp2-tyr1→0.40His2-tyr1→0.13

trp2his2tyr1

∣←──34─→∣←───13──∣

∣←─────40──────→∣

繪制細(xì)菌連鎖遺傳圖譜的基本原理：1.相鄰基因發(fā)生共同轉(zhuǎn)化的概率與兩者的距離間成正向關(guān)系，基因間距離越近，發(fā)生共同轉(zhuǎn)化的頻率越高；反之，基因間距離越遠(yuǎn)，發(fā)生共同轉(zhuǎn)化的頻率越低。因此，可以通過測(cè)定兩基因共同轉(zhuǎn)化的頻率來指示基因間的相對(duì)距離。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”的過程1946年，Lederberg和Tatum發(fā)現(xiàn)E.coli細(xì)胞之間通過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菌株圖7－10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)生的遺傳物質(zhì)交換和重組？為了解答這個(gè)問題，Davis(1950)設(shè)計(jì)了U型管實(shí)驗(yàn)在任何一臂內(nèi)都沒有出現(xiàn)原養(yǎng)型細(xì)菌。這說明兩個(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）

大腸桿菌Ｋ12中有兩個(gè)這樣的菌株：

A菌株：met-bio-thr+leu+thi+B菌株：met+bio+thr-leu-thi-Astrs菌株×Bstrr菌株Astrr菌株×Bstrs菌株基本培養(yǎng)基基本培養(yǎng)基產(chǎn)生原養(yǎng)型產(chǎn)生原養(yǎng)型Astrs菌株×Bstrr菌株Astrr菌株×Bstrs菌株

鏈霉素培養(yǎng)基鏈霉素培養(yǎng)基產(chǎn)生原養(yǎng)型不產(chǎn)生原養(yǎng)型原因解釋：菌株A相當(dāng)于雄性，是遺傳物質(zhì)的供體（donor)，而菌株B相當(dāng)于雌性，是遺傳物質(zhì)的受體。1.在含有鏈霉素的培養(yǎng)基中，Astrs菌株×Bstrr菌株這一雜交組合可以得到原養(yǎng)型。原因是供體雖然對(duì)鏈霉素敏感，細(xì)胞不能分裂，但并不影響供體的基因轉(zhuǎn)移；受體對(duì)鏈霉素有抗性，所以不影響細(xì)胞分裂，也不影響接受外源遺傳物質(zhì)發(fā)生重組，從而出現(xiàn)原養(yǎng)型菌落。2.而反交（A

strr菌株×B

strs菌株）就不能得到原養(yǎng)型，因?yàn)槭荏w對(duì)鏈霉素敏感，雖然供體轉(zhuǎn)移遺傳物質(zhì)，但受體細(xì)胞不能分裂，所以不能重組成原養(yǎng)型菌落。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：供體含有F因子，此菌株就稱為F+，受體不含F(xiàn)因子，此菌株就稱為F-

。原點(diǎn)致育基因配對(duì)區(qū)域使它具有感染性，其中一些編碼F纖毛（性馓毛）轉(zhuǎn)移起始點(diǎn)與受體染色體上同源序列配對(duì)，交換整合到受體菌中，成為受體染色體的一部分E.coliF因子存在狀態(tài)有三種類型：①?zèng)]有F因子，即F–②游離狀態(tài)的F因子，即F+③整合的F因子，即Hfr

低頻重組與高頻重組F+品系稱為低頻重組（lowfrequencyrecombination，Lfr)：F因子轉(zhuǎn)移頻率很高，但兩者染色體之間重組頻率很低，大約是每百萬個(gè)細(xì)胞發(fā)生一次重組。Hfr品系稱為高頻重組（highfrequencyrecombination，Hfr）：因?yàn)镠fr細(xì)胞與F-細(xì)胞接合后可以將供體染色體的一部分或全部傳遞給受體F-，當(dāng)供體和受體的等位基因帶有不同標(biāo)記時(shí)，在她們之間就可以發(fā)生重組，重組頻率可達(dá)到0.01以上。F+×F-↓

F+→F+

F-→F+

這種F因子的傳遞與細(xì)菌染色體無關(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’圖7－13兩個(gè)E.Coli細(xì)胞雜交的電子顯微鏡照片(X34,300)

性傘毛/接合管

Hfr×F-↓

Hfr

→HfrF-

→F-

接合開始，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)移過程常常中斷

5’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、半合子供體與受體的重組是內(nèi)基因子（F-染色體DNA）與外基因子（Hfr部分染色體DNA）的同源部分配對(duì)、交換，產(chǎn)生重組子。其中單交換產(chǎn)生的是不平衡的部分二倍體線性染色體，而雙交換產(chǎn)生的是有活性的環(huán)狀重組子和片段。細(xì)菌重組的特點(diǎn)（a）：接合后形成的部分二倍體，包括外基因子和內(nèi)基因子；（b）：內(nèi)基因子和外基因子之間單交換形成一個(gè)線性染色體；（c）：雙交換形成一個(gè)完整的重組染色體和一個(gè)游離片段，這一片段隨以后的分裂而丟失。--可見：原核類中的交換并不像真核生物那樣在兩整套基因組間進(jìn)行，而是在一完整的基因組（F-內(nèi)基因子）與一不完整的基因組（Hfr外基因子）間進(jìn)行，即在部分二倍體間進(jìn)行。因此，在細(xì)菌的重組中有下列兩個(gè)特點(diǎn)：1、只有偶數(shù)次交換才能產(chǎn)生平衡的重組子2、不出現(xiàn)相反的重組子，所以在選擇培養(yǎng)基上只出現(xiàn)一種重組子。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50年代設(shè)計(jì)了一個(gè)著名的中斷雜交試驗(yàn)

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

圖7－17中斷雜交后，重組體中Hfr遺傳性狀出現(xiàn)的頻率

thrleuazitonlacgaFO88.59111825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，說明F因子和細(xì)菌染色體都是環(huán)狀的Hfr的類型基因轉(zhuǎn)移順序HfrH123AB3120thrprolacpurgalhisglythi0thrthiglyhisgalpurlacpro0prothrthiglyhisgalpurlac0purlacprothrthiglyhisgal0thithrprolacpurgalhisgly表7－5用中斷雜交法確定的幾個(gè)Hfr菌株的基因順序如果兩個(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–lac–ade–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

如果2個(gè)基因間的轉(zhuǎn)移時(shí)間<2min則用中斷雜交作圖不可靠，應(yīng)采用傳統(tǒng)的重組作圖法?！耠s交Hfrlac+ade+×F-lac-ade-

lac+乳糖不發(fā)酵ade-胸嘌呤缺陷型用完全培養(yǎng)基但不加腺嘌呤，可選出F-ade+的菌落●由于lac+ade-近，兩者相繼進(jìn)入時(shí)間相距很短，難以準(zhǔn)確界定，所以只能根據(jù)產(chǎn)物確定?！袢绻x出ade+同時(shí)也選出lac+，說明lac-ade-間沒有發(fā)生過交換；如果是lac-ade+說明發(fā)生交換。

Hfr

lac+ade+F-lac-ade-

F-lac-ade-Hfr

lac+ade+F-lac+ade+

F-lac-ade-Hfr

lac+ade+F-lac-ade+F-lac-ade-

A：外基因子與內(nèi)基因子之間未發(fā)生重組；B：lac-ade兩基因之外發(fā)生雙交換；C：lac-ade兩基因間發(fā)生交換產(chǎn)生重組子。A:B:C:三、性導(dǎo)

性導(dǎo)：指接合時(shí)由F′因子所攜帶的外源DNA轉(zhuǎn)移到細(xì)菌染色體的過程F因子整合到宿主細(xì)菌染色體的過程是可逆的，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

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)重組的過程

Lederberg和Zinder（1951)首先在鼠傷寒沙門氏菌中發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)導(dǎo)現(xiàn)象

phetrptyr

×

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）

？

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，以防止細(xì)胞直接接觸，但允許比細(xì)菌小的物質(zhì)通過，獲得了野生型重組體，

說明不是接合

→這種重組是通過一種過濾性因子(FA)而實(shí)現(xiàn)的。FA不受DNA酶的影響，說明不是轉(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）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?！鷥蓚€(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（1）兩因子轉(zhuǎn)導(dǎo)：通過觀察兩個(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（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。

圖7－23轉(zhuǎn)導(dǎo)顆粒與受體染色體之間，通過四交換形成轉(zhuǎn)導(dǎo)體，這種轉(zhuǎn)導(dǎo)體的頻率最低

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，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

P1侵染帶leu+thr+aziRE.coli用轉(zhuǎn)導(dǎo)顆粒P1再侵染帶leu-thr-azisE.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)eu+才生長(zhǎng)，leu-不生長(zhǎng)

thr可能為thr+/thr-azi可能為aziR/aziS

表7-7用P1噬菌體普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)測(cè)定大腸桿菌基因間的連鎖關(guān)系實(shí)驗(yàn)選擇的標(biāo)記基因未選擇的標(biāo)記基因

1

leu+50%aziR2%thr+

2thr+3%leu+0%aziR