細(xì)菌和病毒的遺傳學(xué)分析專家講座

遺傳學(xué)數(shù)理與生物工程學(xué)院細(xì)菌和病毒的遺傳學(xué)分析專家講座第1頁第七章細(xì)菌和病毒遺傳學(xué)分析細(xì)菌和病毒在遺傳研究中優(yōu)越性細(xì)菌遺傳分析*噬菌體遺傳分析細(xì)菌和病毒的遺傳學(xué)分析專家講座第2頁一細(xì)菌和病毒在遺傳研究中優(yōu)越性繁殖世代所需時(shí)間短；易于管理和進(jìn)行化學(xué)分析；遺傳物質(zhì)較簡單，便于用作研究基因結(jié)構(gòu)、功效及調(diào)控機(jī)制材料。便于研究基因突變；便于研究基因作用；可作為研究高等生物簡單模型；細(xì)菌和病毒的遺傳學(xué)分析專家講座第3頁二細(xì)菌接合與染色體作圖1.接合現(xiàn)象發(fā)覺細(xì)菌接合首先是萊德伯格（Lederberg

）和塔特姆（Tatum

）在1946大腸桿菌雜交試驗(yàn)中發(fā)覺。a+b－a－b+×a+b+問題：得到重組子a＋b＋頻率很低（10-7）和回復(fù)突變頻率相近（10-6），二者難以區(qū)分。細(xì)菌和病毒的遺傳學(xué)分析專家講座第4頁萊德伯格處理方法：采取了大腸桿菌(Escherichiacoli)K12菌株兩個(gè)營養(yǎng)缺點(diǎn)型品系：品系A(chǔ)met－

bio－

thi＋

leu＋

thr＋

品系Bmet＋

bio＋

thi－

leu－

thr－

細(xì)菌和病毒的遺傳學(xué)分析專家講座第5頁接合現(xiàn)象細(xì)菌和病毒的遺傳學(xué)分析專家講座第6頁

質(zhì)疑：細(xì)菌雜交試驗(yàn)取得重組子可能原因：1950年戴維斯（Davis）設(shè)計(jì)了一個(gè)U型管試驗(yàn)，證實(shí)了A和B菌株之間確實(shí)是發(fā)生了雜交。細(xì)菌雜交試驗(yàn)取得重組子可能是轉(zhuǎn)化結(jié)果。培養(yǎng)基中含有一些代謝產(chǎn)物，混合后這些產(chǎn)物相互補(bǔ)充了對方不足而得以在基本培養(yǎng)基上生長。細(xì)菌和病毒的遺傳學(xué)分析專家講座第7頁細(xì)菌和病毒的遺傳學(xué)分析專家講座第8頁結(jié)論:原養(yǎng)型不是轉(zhuǎn)化或互養(yǎng)產(chǎn)生;兩菌株細(xì)胞直接接觸是產(chǎn)生原養(yǎng)型菌株前提。

細(xì)菌和病毒的遺傳學(xué)分析專家講座第9頁2.海斯（W.Hayes）試驗(yàn)（1952）海斯在重復(fù)萊德伯格和泰特姆細(xì)菌雜交試驗(yàn)之前，分別用高劑量鏈霉素來處理A菌株和B菌株。AStrB出現(xiàn)原養(yǎng)型菌落ABStr

不出現(xiàn)原養(yǎng)型菌落基本培養(yǎng)基+str細(xì)菌和病毒的遺傳學(xué)分析專家講座第10頁大腸桿菌兩種類型Hayes(1952)研究表明：大腸桿菌兩種不一樣菌株(品系)接合過程中遺傳物質(zhì)轉(zhuǎn)移是單向；從而認(rèn)為大腸桿菌存在兩種類型：雌性與雄性，分別作為接合過程中遺傳物質(zhì)受體與供體。細(xì)菌和病毒的遺傳學(xué)分析專家講座第11頁3.致育因子（fertilityfactor，F(xiàn)）細(xì)菌染色體外一個(gè)決定細(xì)菌雄性性別共價(jià)環(huán)狀DNA分子，稱為致育因子(fertilityfactor)，又稱為F因子或F質(zhì)粒。攜帶F因子菌株稱為供體菌或雄性，用F＋表示。未攜帶F因子菌株為受體菌或雌性，用F－表示。細(xì)菌和病毒的遺傳學(xué)分析專家講座第12頁致育基因(fertilitygene):(接合轉(zhuǎn)移區(qū))配對區(qū)(pairingregion):(重組區(qū))F因子結(jié)構(gòu)原點(diǎn)(origin):(復(fù)制區(qū))細(xì)菌和病毒的遺傳學(xué)分析專家講座第13頁細(xì)菌含有F因子，而且F因子經(jīng)過交換整合到主染色體上，這么細(xì)菌叫Hfr細(xì)菌。Hfr主染色體進(jìn)入F-中頻率高，比F+×F-高1000倍。Hfr細(xì)菌（高頻重組菌株）細(xì)菌和病毒的遺傳學(xué)分析專家講座第14頁F+、F-和Hfr菌株細(xì)菌和病毒的遺傳學(xué)分析專家講座第15頁4.供體將F因子傳遞給受體過程接合管形成細(xì)菌和病毒的遺傳學(xué)分析專家講座第16頁直接將F因子經(jīng)過接合管傳遞給受體菌細(xì)菌和病毒的遺傳學(xué)分析專家講座第17頁F因子整合到細(xì)菌染色體后經(jīng)過接合管傳遞給受體菌細(xì)菌和病毒的遺傳學(xué)分析專家講座第18頁細(xì)菌和病毒的遺傳學(xué)分析專家講座第19頁5.低頻重組與高頻重組低頻重組(lowfrequencyrecombination）：

F+與F-雜交中，F(xiàn)因子轉(zhuǎn)移頻率很高，但供受體細(xì)菌染色體重組頻率卻很低，約為10-6，所以F+品系稱為低頻重組品系(菌株)。細(xì)菌和病毒的遺傳學(xué)分析專家講座第20頁F因子整合到了細(xì)菌染色體上，與F-細(xì)胞接合后將供體染色體一部分或全部傳遞給F-受體，當(dāng)供體和受體等位基因帶有不一樣遺傳標(biāo)識(shí)時(shí)，可觀察到它們之間發(fā)生重組，頻率可到達(dá)10-2以上，稱為高頻重組品系（菌株）高頻重組(Highfrequencerecombination,Hfr)細(xì)菌和病毒的遺傳學(xué)分析專家講座第21頁Hfr和F+異同相同都能和F-進(jìn)行雜交產(chǎn)生重組后代；雜交時(shí)都要經(jīng)過接合管和受體菌相連接；用高劑量鏈霉素處理后都不影響雜交，說明它們都是作為一個(gè)供體。不一樣產(chǎn)生重組子頻率不一樣；10-4，10-7F+×F-后代常為F+，而Hfr×F-后代絕大多數(shù)為F-；

F+

經(jīng)吖啶橙處理后會(huì)變成F-，Hfr經(jīng)吖啶橙處理后仍為Hfr。細(xì)菌和病毒的遺傳學(xué)分析專家講座第22頁6.部分二倍體：當(dāng)Hfr菌部分染色體進(jìn)入F－細(xì)胞后，F(xiàn)－細(xì)胞中就成為部分二倍體（partialdiploid）或部分合子（merozygote）。外基因子內(nèi)基因子細(xì)菌和病毒的遺傳學(xué)分析專家講座第23頁7.細(xì)菌重組特點(diǎn)供體DNA片段受體細(xì)胞染色體細(xì)胞死亡只有偶數(shù)次交換才能保持細(xì)菌染色體完整性，產(chǎn)生有活性重組子。偶數(shù)次交換得到重組子只有一個(gè)類型，相反重組子是一個(gè)線狀片段，不能復(fù)制，伴隨細(xì)胞分裂而丟失細(xì)菌和病毒的遺傳學(xué)分析專家講座第24頁8.中止雜交與重組作圖雅科(Jacob，F(xiàn))和沃爾曼(Wollman，E.)在五十年代設(shè)計(jì)了一個(gè)著名中止雜交試驗(yàn)(interruptedmatingexperiment)。他們采取菌株基因型為：Hfr:thr+leu+azistonslac+gal+strsF–:thr–leu–azirtonrlac–gal-strr細(xì)菌和病毒的遺傳學(xué)分析專家講座第25頁中止雜交過程細(xì)菌和病毒的遺傳學(xué)分析專家講座第26頁細(xì)菌和病毒的遺傳學(xué)分析專家講座第27頁細(xì)菌和病毒的遺傳學(xué)分析專家講座第28頁上述事實(shí)說明，Hfr菌株基因是按一定線性次序依次進(jìn)入F–菌株，染色體從原點(diǎn)以直線方式進(jìn)入F–細(xì)胞?；蛭稽c(diǎn)離原點(diǎn)愈近，進(jìn)入F–細(xì)胞愈早，反之則晚。依據(jù)中止雜交試驗(yàn)，用Hfr基因在F–細(xì)胞中出現(xiàn)時(shí)間為標(biāo)準(zhǔn)，能夠作出大腸桿菌遺傳連鎖圖。88.59111825gal細(xì)菌和病毒的遺傳學(xué)分析專家講座第29頁用不一樣Hfr菌株進(jìn)行中止雜交試驗(yàn)所作出大腸桿菌基因連鎖圖，其基因向F-細(xì)胞轉(zhuǎn)移次序大不相同。細(xì)菌和病毒的遺傳學(xué)分析專家講座第30頁細(xì)菌和病毒的遺傳學(xué)分析專家講座第31頁重組作圖

當(dāng)轉(zhuǎn)移時(shí)間間隔在兩分鐘之內(nèi)，如已知lac與ade緊密連鎖，距離約為1分鐘，中止雜交作圖就不可靠，須用傳統(tǒng)重組作圖(recombinationmapping)細(xì)菌和病毒的遺傳學(xué)分析專家講座第32頁(1)不用親本類型(2)兩對基因間交換頻率，必須在形成部分二倍體條件下，計(jì)算重組率。(3)部分二倍體假如不發(fā)生重組，無法判別。(4)接合重組不產(chǎn)生相反重組類型接合重組作圖特點(diǎn)：（與減數(shù)分裂生物區(qū)分）細(xì)菌和病毒的遺傳學(xué)分析專家講座第33頁

紫紅色菌落：lac+ade+780（親本型）白色或粉紅色菌落：lac-

ade+220（重組型）Hfr:lac+ade+strsXF-:lac-ade-strr

混合60min

F-：ade+strr

1000

MM+str影印EMB細(xì)菌和病毒的遺傳學(xué)分析專家講座第34頁lac-ade+strrlac+ade+strrlac+ade+strslac-ade-strrlac-ade-strslac+ade+strslac-ade-strrlac+ade-strs重組子產(chǎn)生細(xì)菌和病毒的遺傳學(xué)分析專家講座第35頁重組頻率計(jì)算RFlac-ade=*100%lac-ade+lac+ade++lac-ade+

=*100%=22%=22cM22010001分鐘相當(dāng)于20%重組值，即：1min=20cM細(xì)菌和病毒的遺傳學(xué)分析專家講座第36頁三細(xì)菌轉(zhuǎn)化細(xì)菌和病毒的遺傳學(xué)分析專家講座第37頁

是指一些細(xì)菌(或其它生物)能經(jīng)過其細(xì)胞膜攝取周圍供體(donor)染色體片段，并將另外源DNA片段經(jīng)過重組整合到自己染色體組過程。1.轉(zhuǎn)化(transformation)

大部分轉(zhuǎn)化工作是用肺炎雙球菌(Streptococcuspneumoniae)、枯草桿菌(Bacillussubtilis)和流感嗜血桿菌(Hemophilusinfluenzae)進(jìn)行。細(xì)菌和病毒的遺傳學(xué)分析專家講座第38頁受體細(xì)胞生理狀態(tài)-感受態(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)化生理狀態(tài)。普通認(rèn)為感受態(tài)出現(xiàn)在細(xì)菌對數(shù)生長后期，而且一些處理過程能夠誘導(dǎo)或加強(qiáng)感受態(tài)。以大腸桿菌為例，如用Ca2+(如Cacl2)處理對數(shù)生長后期大腸桿菌能夠增強(qiáng)其感受能力。2.轉(zhuǎn)化應(yīng)具備條件細(xì)菌和病毒的遺傳學(xué)分析專家講座第39頁DNA片段大小，形態(tài)和濃度大小：肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化(＞800bp);枯草桿菌轉(zhuǎn)化(＞16KB)。形態(tài)：雙鏈濃度：在細(xì)胞膜上感受位點(diǎn)未飽和前，濃度和轉(zhuǎn)化率成正比外源DNA片段與受體DNA同源程度細(xì)菌和病毒的遺傳學(xué)分析專家講座第40頁3轉(zhuǎn)化過程供體(donor)DNA與受體(receptor)細(xì)胞結(jié)合(binding)結(jié)合發(fā)生在受體細(xì)胞特定部位；結(jié)合過程是一個(gè)可逆過程。細(xì)菌和病毒的遺傳學(xué)分析專家講座第41頁DNA穿入和攝?。寒?dāng)細(xì)菌結(jié)合點(diǎn)飽和之后，細(xì)菌開始攝取外源DNA；往往只有一條DNA單鏈進(jìn)入細(xì)胞，另一條鏈在膜上降解。細(xì)菌和病毒的遺傳學(xué)分析專家講座第42頁聯(lián)會(huì)(synapsis)與外源DNA片段整合(integration)：整合就是指單鏈轉(zhuǎn)化DNA與受體DNA對應(yīng)位點(diǎn)置換，穩(wěn)定地?fù)饺氲绞荏wDNA中過程。整合是一個(gè)遺傳重組過程。細(xì)菌和病毒的遺傳學(xué)分析專家講座第43頁雜合DNA復(fù)制后，形成一個(gè)親代類型DNA和一個(gè)重組類型DNA并造成轉(zhuǎn)化細(xì)胞形成與表示。細(xì)菌和病毒的遺傳學(xué)分析專家講座第44頁轉(zhuǎn)化進(jìn)程細(xì)菌和病毒的遺傳學(xué)分析專家講座第45頁4共轉(zhuǎn)化與遺傳圖譜繪制共轉(zhuǎn)化：供體一條DNA片段上兩個(gè)基因同時(shí)轉(zhuǎn)換現(xiàn)象。利用共同轉(zhuǎn)化繪制細(xì)菌連鎖遺傳圖譜基本原理：相鄰基因發(fā)生共同轉(zhuǎn)化概率與二者距離間成正向關(guān)系，基因間距離越近，發(fā)生共同轉(zhuǎn)化頻率越高，反之越低。所以可能經(jīng)過測定兩基因共同轉(zhuǎn)化頻率來指示基因間相對距離。細(xì)菌和病毒的遺傳學(xué)分析專家講座第46頁DNA濃度下降比率A轉(zhuǎn)化率下降比率B轉(zhuǎn)化率下降比率A與B共轉(zhuǎn)化率下降比率A與B關(guān)系1/21/21/21/2連鎖1/21/21/21/4不連鎖判斷兩個(gè)基因是否連鎖比如：黎德伯格等人用枯草桿菌:以trp2+his2+tyr1+為供體，以trp2-his2-tyr1-

為受體進(jìn)行轉(zhuǎn)化，結(jié)果如表細(xì)菌和病毒的遺傳學(xué)分析專家講座第47頁trp2+his2+tyr1+trp2-his2-tyr1-×細(xì)菌和病毒的遺傳學(xué)分析專家講座第48頁

轉(zhuǎn)化子數(shù)(重組體數(shù))

親組合數(shù)+轉(zhuǎn)化子數(shù)

(+-)+(-+)(++)+(+-)+(-+)

重組值=

=計(jì)算重組率及作圖RF(trp2—his2)=34%RF(trp2—tyr1)=40%RF(his2—tyr1)=13%細(xì)菌和病毒的遺傳學(xué)分析專家講座第49頁四性導(dǎo)F因子整合到宿主細(xì)菌染色體過程是可逆，當(dāng)發(fā)生環(huán)出(loopingout)時(shí)，F(xiàn)因子又重新離開染色體。然而F因子偶然在環(huán)出時(shí)不夠準(zhǔn)確，它攜帶有染色體一些基因。細(xì)菌和病毒的遺傳學(xué)分析專家講座第50頁F-plasmidHfrchromosomeaF’-plasmidRecombinationpointachromosomewithdeletiona這種帶有宿主染色體基因F因子稱為F?因子。細(xì)菌和病毒的遺傳學(xué)分析專家講座第51頁性導(dǎo)(sexduction)：是指接合時(shí)由F′因子所攜帶外源DNA轉(zhuǎn)移到細(xì)菌染色體過程。性導(dǎo)遺傳重組細(xì)菌和病毒的遺傳學(xué)分析專家講座第52頁F′因子以極高比率轉(zhuǎn)移它基因，如同F(xiàn)+細(xì)菌以極高比率轉(zhuǎn)移它F+因子一樣；F′因子有極高自然整合率，而且整合在一定座位上，因?yàn)樗信c細(xì)菌染色體同源區(qū)段。F′因子使細(xì)菌帶有一些突出特點(diǎn)：細(xì)菌和病毒的遺傳學(xué)分析專家講座第53頁細(xì)菌和病毒的遺傳學(xué)分析專家講座第54頁不一樣F′因子帶有不一樣細(xì)菌DNA片段，利用不一樣F′性導(dǎo)能夠測定不一樣基因在一起轉(zhuǎn)移頻率。觀察由性導(dǎo)形成雜合部分二倍體中某一性狀表現(xiàn)，能夠確定這一性狀等位基因顯隱關(guān)系。性導(dǎo)形成部分二倍體也可用作互補(bǔ)測驗(yàn)，確定兩個(gè)突變型是同屬于一個(gè)基因還是不一樣基因。性導(dǎo)在大腸桿菌遺傳學(xué)研究中意義：細(xì)菌和病毒的遺傳學(xué)分析專家講座第55頁互補(bǔ)測驗(yàn)：依據(jù)基因功效確定兩個(gè)基因是否等位測驗(yàn)方法。互補(bǔ)作用：兩個(gè)突變型細(xì)胞兩條同源染色體同處于一個(gè)雜合子時(shí)，野生型基因賠償突變基因缺點(diǎn)而使表型恢復(fù)正常。不然，兩種突變型一定含有相同功效損傷。細(xì)菌和病毒的遺傳學(xué)分析專家講座第56頁順式構(gòu)型：兩個(gè)突變分別位于一同源染色體上基因組合。反式構(gòu)型：兩個(gè)突變分別位于兩條同源染色體上基因組合。細(xì)菌和病毒的遺傳學(xué)分析專家講座第57頁細(xì)菌和病毒的遺傳學(xué)分析專家講座第58頁細(xì)菌和病毒的遺傳學(xué)分析專家講座第59頁細(xì)菌和病毒的遺傳學(xué)分析專家講座第60頁病毒分三類：植物病毒、動(dòng)物病毒和噬菌體。噬菌體:指侵染細(xì)菌、放線菌以及真菌病毒。包含溫和、烈性兩種。單一核酸分子（DNA或RNA）稱為基因帶或染色體。五噬菌體遺傳學(xué)分析細(xì)菌和病毒的遺傳學(xué)分析專家講座第61頁1.噬菌體結(jié)構(gòu)和形態(tài)T噬菌體結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)外殼核酸細(xì)菌和病毒的遺傳學(xué)分析專家講座第62頁2噬菌體繁殖和感染周期烈性噬菌體:如T噬菌體吸附細(xì)菌裂解,釋放出子代噬菌體顆粒細(xì)菌染色體降解噬菌體DNA和蛋白質(zhì)外殼包裝成子代噬菌體顆粒細(xì)菌和病毒的遺傳學(xué)分析專家講座第63頁烈性噬菌體感染周期細(xì)菌和病毒的遺傳學(xué)分析專家講座第64頁噢，一只倒霉大腸桿菌遇了細(xì)菌病毒T4噬菌體！

病毒馬上抓住獵物不放，不過大腸桿菌體積是病毒1000倍。病毒怎么辦呢？T4

噬菌體生命旅程細(xì)菌和病毒的遺傳學(xué)分析專家講座第65頁請看：病毒蛋白質(zhì)外殼發(fā)揮作用，將病毒核酸物質(zhì)注入大腸桿菌體內(nèi)，請注意病毒外殼最終會(huì)被棄在寄主體外。細(xì)菌和病毒的遺傳學(xué)分析專家講座第66頁左圖：病毒核酸鏈接入到寄主核酸鏈中右圖：病毒核酸鏈指揮大量復(fù)制自己

病毒核酸鏈（藍(lán)色部分）經(jīng)過一系列作用，接入寄主核酸鏈（橙色部分）中，進(jìn)而控制寄主生命活動(dòng)。利用寄主本身營養(yǎng)物質(zhì)復(fù)制出成千上萬病毒核酸，同時(shí)新產(chǎn)生病毒核酸鏈（黃色部分）又指揮寄主細(xì)胞，利用寄主營養(yǎng)物質(zhì)大量地生產(chǎn)病毒外殼蛋白質(zhì)，最終把外殼與病毒核酸一起裝配成完整新病毒。細(xì)菌和病毒的遺傳學(xué)分析專家講座第67頁最終:

大腸桿菌死亡并破裂，釋放出里面病毒，新一代病毒開始新生命旅程細(xì)菌和病毒的遺傳學(xué)分析專家講座第68頁

伴隨時(shí)間推移，細(xì)菌數(shù)量變得越來越少，這是因?yàn)樗鼈儽患?xì)菌病毒殺死了，這種現(xiàn)象也稱為“溶菌”現(xiàn)象。細(xì)菌和病毒的遺傳學(xué)分析專家講座第69頁溫和噬菌體吸附溶菌周期-uv誘導(dǎo)細(xì)菌裂解溶源周期原噬菌體如噬菌體:細(xì)菌和病毒的遺傳學(xué)分析專家講座第70頁

溫和噬菌體侵入對應(yīng)宿主細(xì)胞后，因?yàn)榍罢呋蚪M整合到后者基因組上，并隨即者復(fù)制而進(jìn)行同時(shí)復(fù)制，所以，這種溫和噬菌體侵入并不引發(fā)宿主細(xì)胞裂解，此即稱溶源性或溶源現(xiàn)象。溶源性（lysogeny）細(xì)菌和病毒的遺傳學(xué)分析專家講座第71頁原噬菌體（prophage）

當(dāng)溫和噬菌體侵入其敏感宿主細(xì)胞后，前者核酸可整合到后者核基因組（genome，即核染色體）上，這種處于整合態(tài)噬菌體核酸，稱作原噬菌體（prophage）。細(xì)菌和病毒的遺傳學(xué)分析專家講座第72頁

凡能引發(fā)溶源性噬菌體即稱溫和噬菌體，而其宿主就稱溶源菌。溶源菌是一類能與溫和噬菌體長久共存，普通不會(huì)出現(xiàn)有害影響宿主細(xì)胞。溶源菌（lysogen或lysogenicbacteria）細(xì)菌和病毒的遺傳學(xué)分析專家講座第73頁溫和噬菌體溶源性反應(yīng)：細(xì)菌和病毒的遺傳學(xué)分析專家講座第74頁3噬菌體突變型條件致死突變型:(1).溫度敏感突變

(2).抑制因子敏感突變宿主范圍突變型:E.coliBE.coliB2E.coliB+E.coliB2h++ -半透明噬菌斑

h- + + 透明噬菌斑噬菌斑形態(tài)突變型: