長江大學(xué)遺傳學(xué)第七章 細菌和病毒遺傳

第七章細菌和病毒的遺傳本章內(nèi)容第一節(jié)細菌和病毒遺傳研究的意義第二節(jié)噬菌體的遺傳分析第三節(jié)細菌的遺傳分析

1、轉(zhuǎn)化、接合2、性導(dǎo)、轉(zhuǎn)導(dǎo)細菌屬于原核生物，不進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。病毒甚至不進行分裂，它在宿主細胞內(nèi)以集團形式產(chǎn)生。細菌和病毒的遺傳分析對整個遺傳學(xué)，特別是對于分子遺傳學(xué)的發(fā)展具有重大作用。第一節(jié)細菌和病毒遺傳研究的意義遺傳學(xué)研究從細胞水平推進到分子水平，是由于兩大發(fā)展：（1）對基因的化學(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-細菌和病毒一、細菌所有細菌都是比較小的單細胞，大約12μm長，0.5μm寬大腸桿菌(E.coli)在細菌遺傳學(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。其細胞里通常還具有一個或多個小的染色體-質(zhì)粒研究細菌遺傳的方法--平板培養(yǎng)

單細胞菌落（克?。?.1ML0.1ML0.1ML0.1ML微生物稀釋培養(yǎng)細菌菌落的表現(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養(yǎng)缺陷型抗性-抗藥或抗感染

缺賴氨酸缺精氨酸缺亮氨酸測定突變的方法──影印法

二、病毒病毒沒有細胞結(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)十分簡單，僅含DNA或RNA和一個蛋白質(zhì)外殼，沒有合成蛋白質(zhì)外殼所必須的核糖體。所以，病毒必須感染活細胞，改變和利用活細胞的代謝合成機器，才能合成新的病毒后代。三、細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，病毒每小時可繁殖數(shù)百個后代(2)易于管理和進行化學(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)控機制的材料(7)便于進行遺傳操作

第二節(jié)噬菌體的遺傳分析一、噬菌體的結(jié)構(gòu)細菌染色體1、烈性噬菌體侵染細菌的途徑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，細菌并不裂解，以兩種形式出現(xiàn)，如λ和P1λ型裂解途徑P1型裂解途徑二、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-: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+

↓接種在同時長有B株及B/2株的培養(yǎng)基上

親型噬菌斑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+

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ra24hrb12.3hrc1.6hrarbrchrarbhrcrarchrbrahrcrb×√√×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，又因為T2噬菌體的連鎖圖是環(huán)狀的

第三節(jié)細菌的遺傳分析一個細菌DNA與另一個細菌DNA的交換重組可以通過四種方式實現(xiàn)

轉(zhuǎn)化、接合、性導(dǎo)、轉(zhuǎn)導(dǎo)一、轉(zhuǎn)化

轉(zhuǎn)化：某些細菌(或其他生物)通過其細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，轉(zhuǎn)化因子是DNA。這個極其重要的發(fā)現(xiàn)，不僅證實遺傳物質(zhì)是DNA，而且表明轉(zhuǎn)化是細菌交換基因的方式之一。

1、供體DNA與受體細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：每個細胞攝取的DNA分子數(shù)不超過10個(4)受體細胞生理狀態(tài)；感受態(tài)2、轉(zhuǎn)化DNA的攝取和整合

(1)結(jié)合與穿入(2)聯(lián)會(3)整合，整合或DNA重組對同源DNA具有特異性3、轉(zhuǎn)化和基因重組作圖當兩個基因緊密連鎖時，它們就有較多的機會包括在同一個DNA片段中，并同時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)座位轉(zhuǎn)化子類型trp2＋－－－＋＋＋his2＋＋－＋－－＋tyr1＋＋＋－－＋－數(shù)目11940366068541826001071180親本類型重組類型重組值Trp2-his2Trp2-tyr1His2-tyr1Trp2-his2→0.34Trp2-tyr1→0.40His2-tyr1→0.13

trp2his2tyr1

∣←──34─→∣←───13──∣

∣←─────40──────→∣

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細胞之間通過接合可以交換遺傳物質(zhì)。他們選擇了兩個不同營養(yǎng)缺陷型的E.coli菌株黎德伯格和塔特姆的接合(雜交)發(fā)現(xiàn)長出了一些原養(yǎng)型的菌落。這種原養(yǎng)型細胞的出現(xiàn)是由于轉(zhuǎn)化還是由于細胞與細胞直接接觸而發(fā)生的遺傳物質(zhì)交換和重組？為了解答這個問題，Davi(1950)設(shè)計了U型管實驗。DNA大分子能通過沒有出現(xiàn)A菌株Met-bio-thr+leu+B菌株Met+bio+thr-leu-說明什么?Met+bio+thr+leu+在任何一臂內(nèi)都沒有出現(xiàn)原養(yǎng)型細菌。這說明兩個菌株間的直接接觸--接合，是原養(yǎng)型細胞出現(xiàn)的必要條件。Hayes（1952)試驗證明，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）

兩個E.Coli細胞雜交的電子顯微鏡照片(X34,300)

性傘毛/接合管

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：

E.coliF因子存在狀態(tài)有三種類型：①沒有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

F+×F-F+→F+F-→F+

Hfr×F-↓

Hfr

→HfrF-→F-

接合開始，F(xiàn)因子僅有一部分進入F–細胞，剩下部分基因只有等到細菌染色體全部進入到F–細胞之后才能進入，然而轉(zhuǎn)移過程常常中斷

受體細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，這樣的細菌稱為部分二倍體或部分合子、半合子2、中斷雜交試驗及染色體連鎖圖為了證明接合時遺傳物質(zhì)從供體到受體細胞的轉(zhuǎn)移是直線式進行的，Jacob和Wollman在五十年代設(shè)計了一個著名的中斷雜交試驗

Hfr:thr+leu+lac+gal+azistonsstrsF-:thr-leu-lac-gal-aziRtonRstrR

每隔一定時間取樣，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)法測試形成的F-菌落的基因型，確定每個基因轉(zhuǎn)入F-的順序（時間）根據(jù)基因轉(zhuǎn)入F-的時間，進行細菌染色體作圖

混合培養(yǎng)圖7－17中斷雜交后，重組體中Hfr遺傳性狀出現(xiàn)的頻率

Thr+Leu+

thrleuazitonlacgaFO88.59111825根據(jù)中斷雜交實驗作出的大腸桿菌連鎖圖

用不同的Hfr菌株進行中斷雜交實驗，基因轉(zhuǎn)移的原點(O)和轉(zhuǎn)移的方向不同，說明F因子和細菌染色體都是環(huán)狀的Hfr的類型基因轉(zhuǎn)移順序HfrH123AB3120thrprolacpurgalhisglythi0thrthiglyhisgalpurlacpro0prothrthi

glyhisgal

purlac0purlacprothrthi

glyhisgal0thithrprolacpur

galhisgly表7－5用中斷雜交法確定的幾個Hfr菌株的基因順序起點方向最后轉(zhuǎn)移如果兩個基因間的轉(zhuǎn)移時間小于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。有兩個緊密連鎖的基因乳糖發(fā)酵lac+和腺嘌呤缺陷型ade-

Lac-ade+ade+lac+

+Lac-ade+=22%

可見１分鐘單位大約20％三、性導(dǎo)

性導(dǎo)：指接合時由F′因子所攜帶的外源DNA轉(zhuǎn)移到細菌染色體的過程。F因子整合到宿主細菌染色體的過程是可逆的，當發(fā)生環(huán)出時偶然不夠準確，攜帶有染色體的一些基因，稱這種F因子為F′因子

雅科和阿代爾伯格發(fā)現(xiàn)：特殊的Hfr菌株能把lac+等位基因高頻率地轉(zhuǎn)移到Flac-受體中l(wèi)ac基因位于遠端，中斷雜交實驗中只有1/1000重組率由F'攜帶lac+基因進入受體后可在lac位點上形成部分二倍體F'lac+/lac-。

F′因子特點有極高的自然整合率，而且整合在一定的座位上，因為它有與細菌染色體的同源區(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)進行細菌染色體作圖（3）性導(dǎo)形成的部分二倍體也可用作互補測驗，確定兩個突變型是同屬于一個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行的細菌遺傳物質(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

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）

？

U型管試驗

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，以防止細胞直接接觸，但允許比細菌小的物質(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)而實現(xiàn)的。FA不受DNA酶的影響，說明不是轉(zhuǎn)化進一步研究證明，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)細菌染色體組的任何不同部分

兩個基因同在一起轉(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，表明兩個基因在染色體上的距離愈近，連鎖愈密切；相反，如果兩個基因的合轉(zhuǎn)導(dǎo)頻率很低，就說明它們之間距離較遠.因此，測定兩基因的合轉(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)：通過觀察兩個基因的轉(zhuǎn)導(dǎo)，計算并比較每兩個基因之間的合轉(zhuǎn)導(dǎo)頻率，就可以確定三個或三個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)，這三個基因的次序就應(yīng)為：bac（2）三因子轉(zhuǎn)導(dǎo)：只需分析一個實驗的結(jié)果就可以推出三個基因的次序例如：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，如正確次序為abc，就應(yīng)為a+bc+。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

如果把三個基因中每兩個基因的合轉(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的平均長度X=兩個基因合轉(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-azis

E.coli

將受體細菌特定培養(yǎng)：培養(yǎng)在一種可選擇1-2個標記基因而不選擇其余標記基因的培養(yǎng)基上

例如：0azi+thr培養(yǎng)基，leu為標記基因因為：只有l(wèi)eu+才生長，leu-不生長

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)