細菌和病毒的遺傳培訓課件

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，特別是對于分子遺傳學的發(fā)展具有重大作用。7/29/20231細菌和病毒的遺傳第一節(jié)細菌和病毒的特點遺傳學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。7/29/20232細菌和病毒的遺傳一、細菌的特點及培養(yǎng)技術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)在細菌遺傳學研究中應用十分廣泛,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。

7/29/20233細菌和病毒的遺傳圖10-2大腸桿菌擬核的電子顯微鏡圖，顯示釋放出的染色體DNA及數(shù)個質(zhì)粒DNA

7/29/20234細菌和病毒的遺傳研究細菌遺傳的方法--平板培養(yǎng)7/29/20235細菌和病毒的遺傳細菌菌落的表現(xiàn)型：原養(yǎng)型（野生型）形態(tài)性狀：菌落形狀、突變型顏色、大小生理特性營養(yǎng)缺陷型

抗性-抗藥或抗感染為了測定所發(fā)生的突變，Lederberg設計了影印培養(yǎng)法

7/29/20236細菌和病毒的遺傳細菌的影印培養(yǎng)法7/29/20237細菌和病毒的遺傳二、病毒的特點及種類病毒沒有細胞結(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。7/29/20238細菌和病毒的遺傳二、病毒的特點及種類噬菌體：感染細菌的病毒叫噬菌體。噬菌體是目前了解比較清楚的病毒，有：單鏈DNA;單鏈RNA;雙鏈DNA;雙鏈RNA等四種類型。

7/29/20239細菌和病毒的遺傳三、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分析；(3)遺傳物質(zhì)簡單，便于研究基因的結(jié)構(gòu)和功能；(4)便于研究基因的突變和重組；

(5)可用作研究高等生物的簡單模型；(6)便于進行遺傳操作。

7/29/202310細菌和病毒的遺傳四、細菌和病毒的擬有性過程

細菌獲取外源遺傳物質(zhì)的四種方式轉(zhuǎn)化(transformation)接合(conjugation)性導(sexduction)轉(zhuǎn)導(transduction)當不同的病毒顆粒同時侵染一個細菌時，它們能夠在細菌體內(nèi)交換遺傳物質(zhì)，并形成重組體。

7/29/202311細菌和病毒的遺傳第二節(jié)噬菌體的遺傳分析一、噬菌體的結(jié)構(gòu)遺傳學上應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系列噬菌體結(jié)構(gòu)如下：

7/29/202312細菌和病毒的遺傳1、烈性噬菌體7/29/202313細菌和病毒的遺傳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P17/29/202314細菌和病毒的遺傳二、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7/29/202315細菌和病毒的遺傳二、噬菌體的基因重組與作圖

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。

7/29/202316細菌和病毒的遺傳

透明、小

h-r+

×h+r-半透明、大

↓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7/29/202317細菌和病毒的遺傳重組型噬菌斑

重組值=×100%

總噬菌斑h+r++h-r-=×100%

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

ra–h+

ra+h–

→24%rb–h+rb+h–

→

12.3%

rc–h+

rc+h–

→

1.6%

7/29/202318細菌和病毒的遺傳分別作出ra、rb、rc與h的連鎖圖ra24

hrb12.3

hrc1.6h×rarbrch√rarbhrc√

rarchrb×rahrcrb

7/29/202319細菌和病毒的遺傳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應位于rb及rc之間，又因為T2噬菌體的連鎖圖是環(huán)狀的

7/29/202320細菌和病毒的遺傳三、噬菌體的基因重組與作圖sco1mi×+++相當于前面介紹的三點測驗（自學）

7/29/202321細菌和病毒的遺傳第三節(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、轉(zhuǎn)導一、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.7/29/202322細菌和病毒的遺傳轉(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。

7/29/202323細菌和病毒的遺傳(一)轉(zhuǎn)化機制1、供體DNA與受體細胞間最初相互作用

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)。7/29/202324細菌和病毒的遺傳2、轉(zhuǎn)化過程

(1)結(jié)合：供體DNA與受體位點的結(jié)合， 供體DNA由雙鏈向單鏈的轉(zhuǎn)變；(2)穿入：單鏈供體DNA的穿入；(3)聯(lián)會：單鏈供體DNA與受體染色體之 間的聯(lián)會；(4)整合：整合或DNA重組對同源DNA具有特異性。

7/29/202325細菌和病毒的遺傳7/29/202326細菌和病毒的遺傳(二)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：7/29/202327細菌和病毒的遺傳(二)轉(zhuǎn)化和基因重組作圖供體受體

trp2+his2+tyr1+×trp2

his2tyr1↓重組型數(shù)Trp2-his2重組率=×100%

親型數(shù)+重組型數(shù)7/29/202328細菌和病毒的遺傳Trp2-his2→0.34Trp2-tyr1→0.40His2-tyr1→0.13

trp2his2tyr1

∣←──34─→∣←───13──∣

∣←─────40──────→∣

7/29/202329細菌和病毒的遺傳二、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：7/29/202330細菌和病毒的遺傳圖10-12黎德伯格和泰特姆的雜交試驗，證明大腸桿菌發(fā)生遺傳重組+-7/29/202331細菌和病毒的遺傳發(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，Davis(1950)設計了U型管實驗細菌不能透過，但大分子（DNA）可以7/29/202332細菌和病毒的遺傳在任何一臂內(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）

7/29/202333細菌和病毒的遺傳1、F因子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)。其組成結(jié)構(gòu)：

7/29/202334細菌和病毒的遺傳E.coliF因子存在狀態(tài)有三種類型：①沒有F因子，即“F–”②自主狀態(tài)的F因子，即“F+”③整合的F因子，即“Hfr”

7/29/202335細菌和病毒的遺傳2、接合過程F+×F-↓

F+→F+

F-→F+

F因子偶然地(10000個F+細胞中有一個)能整合到細菌染色體中去，就可能引起染色體的轉(zhuǎn)移

5’7/29/202336細菌和病毒的遺傳圖10－16兩個E.Coli細胞雜交的電子顯微鏡照片(X34,300)

性傘毛/接合管

7/29/202337細菌和病毒的遺傳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

5’7/29/202338細菌和病毒的遺傳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、半合子發(fā)生單交換時：發(fā)生雙交換時：7/29/202339細菌和病毒的遺傳第三節(jié)細菌的遺傳分析一、轉(zhuǎn)化二、接合F因子（F-、F+、Hfr）供體受體第一節(jié)細菌和病毒的特點第二節(jié)噬菌體的遺傳分析7/29/202340細菌和病毒的遺傳3、中斷雜交試驗及染色體作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，1957年Wollman和Jacob設計了一個著名的中斷雜交試驗：

7/29/202341細菌和病毒的遺傳

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

7/29/202342細菌和病毒的遺傳圖10－19中斷雜交后，重組體中Hfr遺傳性狀出現(xiàn)的頻率

7/29/202343細菌和病毒的遺傳圖10-20沃爾曼和雅各布的中斷雜交試驗表示Hfr菌株的基因是以直線方式進入F–細胞的

7/29/202344細菌和病毒的遺傳

thrleuazitonlacgaFO88.59111825min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。7/29/202345細菌和病毒的遺傳Hfr的類型基因轉(zhuǎn)移順序HfrH123AB3120thrprolacpurgalhisglythi0thrthiglyhisgalpurlacpro0prothrthiglyhisgalpurlac0purlacprothrthiglyhisgal0thithrprolacpurgalhisgly表10－6用中斷雜交法確定的幾個Hfr菌株的基因順序7/29/202346細菌和病毒的遺傳如果兩個基因間的轉(zhuǎn)移時間小于2min，用中斷雜交法所得的圖距不太可靠，應采用傳統(tǒng)的重組作圖法。lac+ade+基本培養(yǎng)基lac+ade–完全培養(yǎng)基-ade

lac–ade–lac-ade+

7/29/202347細菌和病毒的遺傳

lac-ade+

重組頻率=×100%=22%lac+ade++lac-ade+這兩個位點間的時間單位約為1min→20%重組率

7/29/202348細菌和病毒的遺傳

圖10-24大腸桿菌的環(huán)狀連鎖圖。圖距用min表示，總長為100min

7/29/202349細菌和病毒的遺傳第三節(jié)細菌的遺傳分析一、轉(zhuǎn)化二、接合三、性導

第一節(jié)細菌和病毒的特點第二節(jié)噬菌體的遺傳分析7/29/202350細菌和病毒的遺傳三、性導

性導：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。

7/29/202351細菌和病毒的遺傳性導產(chǎn)生的F′因子

7/29/202352細菌和病毒的遺傳

F′因子特點（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，因為它有與細菌染色體的同源區(qū)段；

性導作用（1）確定等位基因的顯隱性關系；（2）利用并發(fā)性導進行細菌染色體作圖（3）性導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。7/29/202353細菌和病毒的遺傳四、轉(zhuǎn)導

轉(zhuǎn)導：指以噬菌體為媒介所進行的細菌遺傳物質(zhì)重組的過程。

1、普遍性轉(zhuǎn)導

轉(zhuǎn)導噬菌體可以轉(zhuǎn)移細菌染色體組的任何不同部分的轉(zhuǎn)導。7/29/202354細菌和病毒的遺傳Zinder和Lederberg（1952)首先在鼠傷寒沙門氏菌中發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)導現(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)

？7/29/202355細菌和病毒的遺傳

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）7/29/202356細菌和病毒的遺傳轉(zhuǎn)導顆粒7/29/202357細菌和病毒的遺傳→兩個基因同在一起轉(zhuǎn)導就是合轉(zhuǎn)導

或叫并發(fā)轉(zhuǎn)導→合轉(zhuǎn)導的頻率愈高，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)導頻率就可以確定基因之間的次序和距離7/29/202358細菌和病毒的遺傳（1）兩因子轉(zhuǎn)導：通過觀察兩個基因的轉(zhuǎn)導，計算并比較每兩個基因之間的合轉(zhuǎn)導頻率，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)導頻率很高，a和c基因的合轉(zhuǎn)導頻率也很高，而b和c很少或完全不在一起轉(zhuǎn)導，這三個基因的次序就應為：bac7/29/202359細菌和病毒的遺傳（2）三因子轉(zhuǎn)導：只需分析一個實驗的結(jié)果就可以推出3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)導體應代表最難于轉(zhuǎn)導的情況，這種轉(zhuǎn)導體是同時發(fā)生交換次數(shù)最多的一類，這種轉(zhuǎn)導體的兩邊應為供體基因，而中間為受體基因，如為a+bc+，則正確次序就應為abc。假定由實驗得到的最少的轉(zhuǎn)導體類別為a+b+c，則可以確定，這3個基因的正確次序應當是acb或bca。

7/29/202360細菌和病毒的遺傳圖10－27轉(zhuǎn)導顆粒與受體染色體之間，通過四交換形成轉(zhuǎn)導體，這種轉(zhuǎn)導體的頻率最低

7/29/202361細菌和病毒的遺傳

利用并發(fā)轉(zhuǎn)導進行細菌基因重組作圖

P1侵染帶leu+thr+aziRE.coli用轉(zhuǎn)導顆粒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

7/29/202362細菌和病毒的遺傳

表10-7用P1噬菌體普遍性轉(zhuǎn)導測定大腸桿菌基因間的連鎖關系實驗選擇的標記基因未選擇的標記基因

1

leu+50%aziR2%thr+

2thr+3%leu+0%aziR

3leu+thr+0%aziR