第八章细菌和病毒的遗传学分析ppt课件.ppt

遗传学 第七章细菌和病毒的遗传学分析 细菌和病毒在遗传研究中的优越性细菌的遗传分析 噬菌体的遗传分析 一细菌和病毒在遗传研究中的优越性 繁殖世代所需时间短 易于管理和进行化学分析 遗传物质较简单 便于用作研究基因结构 功能及调控机制的材料 便于研究基因的突变 便于研究基因的作用 可作为研究高等生物的简单模型 二细菌的接合与染色体作图 1 接合现象的发现 细菌的接合首先是莱德伯格 Lederberg 和塔特姆 Tatum 在1946大肠杆菌杂交试验中发现的 a b a b a b 问题 得到的重组子a b 的频率很低 10 7 和回复突变频率相近 10 6 两者难以区别 莱德伯格解决方法 采用了大肠杆菌 Escherichiacoli K12菌株的两个营养缺陷型品系 品系Amet bio thi leu thr 品系Bmet bio thi leu thr 接合现象 质疑 细菌的杂交实验获得重组子可能原因 1950年戴维斯 Davis 设计了一种U型管实验 证实了A和B菌株之间确实是发生了杂交 细菌的杂交实验获得的重组子可能是转化的结果 培养基中含有某些代谢产物 混合后这些产物互相补充了对方的不足而得以在基本培养基上生长 结论 原养型不是转化或互养产生的 两菌株细胞的直接接触是产生原养型菌株的前提 2 海斯 W Hayes 的实验 1952 海斯在重复莱德伯格和泰特姆的细菌杂交实验之前 分别用高剂量的链霉素来处理A菌株和B菌株 大肠杆菌的两种类型 Hayes 1952 研究表明 大肠杆菌两种不同菌株 品系 接合过程中遗传物质的转移是单向的 从而认为大肠杆菌存在两种类型 雌性与雄性 分别作为接合过程中遗传物质的受体与供体 3 致育因子 fertilityfactor F 细菌染色体外的一个决定细菌雄性性别的共价环状DNA分子 称为致育因子 fertilityfactor 又称为F因子或F质粒 携带F因子的菌株称为供体菌或雄性 用F 表示 未携带F因子的菌株为受体菌或雌性 用F 表示 致育基因 fertilitygene 接合转移区 配对区 pairingregion 重组区 F因子结构 原点 origin 复制区 细菌含有F因子 并且F因子通过交换整合到主染色体上 这样的细菌叫Hfr细菌 Hfr的主染色体进入F 中的频率高 比F F 高1000倍 Hfr细菌 高频重组菌株 F F 和Hfr菌株 4 供体将F因子传递给受体的过程 接合管形成 直接将F因子通过接合管传递给受体菌 F因子整合到细菌染色体后通过接合管传递给受体菌 5 低频重组与高频重组 低频重组 lowfrequencyrecombination F 与F 的杂交中 F因子的转移频率很高 但供受体细菌染色体的重组频率却很低 约为10 6 因此F 品系称为低频重组品系 菌株 F因子整合到了细菌染色体上 与F 细胞接合后将供体染色体的一部分或全部传递给F 受体 当供体和受体的等位基因带有不同的遗传标记时 可观察到它们之间发生重组 频率可达到10 2以上 称为高频重组品系 菌株 高频重组 Highfrequencerecombination Hfr Hfr和F 的异同 相同都能和F 进行杂交产生重组后代 杂交时都要通过接合管和受体菌相连接 用高剂量链霉素处理后都不影响杂交 说明它们都是作为一种供体 不同产生的重组子频率不同 10 4 10 7F F 后代常为F 而Hfr F 后代绝大多数为F F 经吖啶橙处理后会变成F Hfr经吖啶橙处理后仍为Hfr 6 部分二倍体 当Hfr菌的部分染色体进入F 细胞后 F 细胞中就成为部分二倍体 partialdiploid 或部分合子 merozygote 7 细菌重组的特点 只有偶数次的交换才能保持细菌染色体的完整性 产生有活性的重组子 偶数次交换得到的重组子只有一种类型 相反重组子是一个线状片段 不能复制 随着细胞分裂而丢失 8 中断杂交与重组作图 雅科 Jacob F 和沃尔曼 Wollman E 在五十年代设计了一个著名的中断杂交试验 interruptedmatingexperiment 他们采用的菌株基因型为 Hfr thr leu azistonslac gal strsF thr leu azirtonrlac gal strr 中断杂交的过程 上述事实说明 Hfr菌株的基因是按一定的线性顺序依次进入F 菌株的 染色体从原点以直线方式进入F 细胞 基因位点离原点愈近 进入F 细胞愈早 反之则晚 根据中断杂交的实验 用Hfr基因在F 细胞中出现的时间为标准 可以作出大肠杆菌的遗传连锁图 用不同的Hfr菌株进行中断杂交实验所作出的大肠杆菌基因连锁图 其基因向F 细胞转移的顺序大不相同 重组作图 当转移时间间隔在两分钟之内 如已知lac与ade紧密连锁 距离约为1分钟 中断杂交作图就不可靠 须用传统的重组作图 recombinationmapping 1 不用亲本类型 2 两对基因间的交换频率 必须在形成部分二倍体的条件下 计算重组率 3 部分二倍体如果不发生重组 无法鉴别 4 接合重组不产生相反的重组类型 接合重组作图的特点 与减数分裂生物的区别 重组子的产生 重组频率的计算 1分钟相当于20 重组值 即 1min 20cM 三细菌转化 是指某些细菌 或其他生物 能通过其细胞膜摄取周围供体 donor 的染色体片段 并将此外源DNA片段通过重组整合到自己染色体组的过程 1 转化 transformation 大部分的转化工作是用肺炎双球菌 Streptococcuspneumoniae 枯草杆菌 Bacillussubtilis 和流感嗜血杆菌 Hemophilusinfluenzae 进行的 受体细胞的生理状态 感受态 感受态指细菌能够从周围环境中吸收DNA分子进行转化的生理状态 一般认为感受态出现在细菌对数生长后期 并且某些处理过程可以诱导或加强感受态 以大肠杆菌为例 如用Ca2 如Cacl2 处理对数生长后期的大肠杆菌可以增强其感受能力 2 转化应具备的条件 DNA片段的大小 形态和浓度 大小 肺炎双球菌转化 800bp 枯草杆菌的转化 16KB 形态 双链浓度 在细胞膜上感受位点未饱和前 浓度和转化率成正比 外源DNA片段与受体DNA的同源程度 3转化的过程 供体 donor DNA与受体 receptor 细胞结合 binding 结合发生在受体细胞特定部位 结合过程是一个可逆过程 DNA的穿入和摄取 当细菌结合点饱和之后 细菌开始摄取外源DNA 往往只有一条DNA单链进入细胞 另一条链在膜上降解 联会 synapsis 与外源DNA片段整合 integration 整合就是指单链的转化DNA与受体DNA对应位点的置换 稳定地掺入到受体DNA中的过程 整合是一个遗传重组的过程 杂合DNA复制后 形成一个亲代类型的DNA和一个重组类型的DNA并导致转化细胞的形成与表达 转化的进程 4共转化与遗传图谱绘制 共转化 供体的一条DNA片段上的两个基因同时转换的现象 利用共同转化绘制细菌连锁遗传图谱的基本原理 相邻基因发生共同转化的概率与两者的距离间成正向关系 基因间距离越近 发生共同转化的频率越高 反之越低 因此可能通过测定两基因共同转化的频率来指示基因间的相对距离 判断两个基因是否连锁 例如 黎德伯格等人用枯草杆菌 以trp2 his2 tyr1 为供体 以trp2 his2 tyr1 为受体进行转化 结果如表 转化子数 重组体数 亲组合数 转化子数 计算重组率及作图 RF trp2 his2 34 RF trp2 tyr1 40 RF his2 tyr1 13 四性导 F因子整合到宿主细菌染色体的过程是可逆的 当发生环出 loopingout 时 F因子又重新离开染色体 然而F因子偶然在环出时不够准确 它携带有染色体的一些基因 这种带有宿主染色体基因的F因子称为F 因子 性导 sexduction 是指接合时由F 因子所携带的外源DNA转移到细菌染色体的过程 性导的遗传重组 F 因子以极高的比率转移它的基因 如同F 细菌以极高的比率转移它的F 因子一样 F 因子有极高的自然整合率 而且整合在一定的座位上 因为它有与细菌染色体的同源区段 F 因子使细菌带有某些突出的特点 不同的F 因子带有不同的细菌DNA片段 利用不同的F 的性导可以测定不同基因在一起转移的频率 观察由性导形成的杂合部分二倍体中某一性状的表现 可以确定这一性状的等位基因的显隐关系 性导形成的部分二倍体也可用作互补测验 确定两个突变型是同属于一个基因还是不同基因 性导在大肠杆菌的遗传学研究中意义 互补测验 根据基因的功能确定两个基因是否等位的测验方法 互补作用 两个突变型细胞的两条同源染色体同处在一个杂合子时 野生型基因补偿突变基因的缺陷而使表型恢复正常 否则 两种突变型一定具有相同的功能损伤 顺式构型 两个突变分别位于一同源染色体上的基因组合 反式构型 两个突变分别位于两条同源染色体上的基因组合 病毒分三类 植物病毒 动物病毒和噬菌体 噬菌体 指侵染细菌 放线菌以及真菌的病毒 包括温和 烈性两种 单一核酸分子 DNA或RNA 称为基因带或染色体 五噬菌体的遗传学分析 1 噬菌体的结构和形态 2噬菌体的繁殖和感染周期 烈性噬菌体 如T噬菌体 烈性噬菌体的感染周期 噢 一只倒霉的大肠杆菌遇了细菌病毒T4噬菌体 病毒马上抓住猎物不放 但是大肠杆菌体积是病毒的1000倍 病毒怎么办呢 T4噬菌体的生命旅程 请看 病毒的蛋白质外壳发挥作用 将病毒的核酸物质注入大肠杆菌体内 请注意病毒的外壳最后会被弃在寄主体外 左图 病毒核酸链接入到寄主核酸链中右图 病毒核酸链指挥大量复制自己 病毒的核酸链 蓝色部分 经过一系列作用 接入寄主的核酸链 橙色部分 中 进而控制寄主的生命活动 利用寄主本身的营养物质复制出成千上万的病毒核酸 同时新产生的病毒核酸链 黄色部分 又指挥寄主的细胞 利用寄主的营养物质大量地生产病毒外壳蛋白质 最后把外壳与病毒核酸一起装配成完整的新病毒 最后 大肠杆菌死亡并破裂 释放出里面的病毒 新一代病毒开始新的生命旅程 随着时间的推移 细菌的数量变得越来越少 这是因为它们被细菌病毒杀死了 这种现象也称为 溶菌 现象 温和噬菌体 如 噬菌体 温和噬菌体侵入相应宿主细胞后 由于前者的基因组整合到后者的基因组上 并随后者的复制而进行同步复制 因此 这种温和噬菌体的侵入并不引起宿主细胞裂解 此即称溶源性或溶源现象 溶源性 lysogeny 原噬菌体 prophage 当温和噬菌体侵入其敏感宿主的细胞后 前者的核酸可整合到后者的核基因组 genome 即核染色体 上 这种处于整合态的噬菌体核酸 称作原噬菌体 prophage 凡能引起溶源性的噬菌体即称温和噬菌体 而其宿主就称溶源菌 溶源菌是一类能与温和噬菌体长期共存 一般不会出现有害影响的宿主细胞 溶源菌 lysogen或lysogenicbacteria 温和噬菌体的溶源性反应 3噬菌体的突变型 条件致死突变型 1 温度敏感突变 2 抑制因子敏感突变宿主范围突变型 E coliBE coliB2E coliB E coliB2h 半透明噬菌斑h 透明噬菌斑噬菌斑形态突变型 1 r 小噬菌斑 边缘模糊 2 r 大噬菌斑 边缘清晰 快速溶菌 rapidlysis 4烈性噬菌体与基因定位 双重感染 是指用两种噬菌体同时感染某一菌株 例如 噬菌体 h r 即能感染B和B2菌株产生噬菌斑小而边缘模糊 即透明 小噬菌斑 噬菌体 h r 能感染B株 产生约大两倍的边缘清楚的噬菌斑 即为半透明 大的噬菌斑 用h r 和h r 两种噬菌体同时感染B株 进行双重感染 h r 半透明 大42h r 半透明 小12h r 透明 小34h r 透明 大12 重组率 h r h r 100 总噬菌斑数 T2phage重组试验结果 有四种可能的排列顺序 六转导 transduction 以噬菌体为媒介 把某一细菌的DNA转移到另一细菌 进行基因重组的过程 转导的遗传重组 普