第六章细菌的遗传分析.doc

遗传学教案第六章细菌的遗传分析第六章 细菌的遗传分析（4h）教学目的：掌握大肠杆菌的突变类型、转化、转导的概念及大肠杆菌的性别；明确细菌的中断杂交实验及重组过程；了解大肠杆菌的转化作图及转导作图。教学重点：中断杂交实验及重组过程。教学难点：大肠杆菌的转化作图及转导作图。第一节 细菌的细胞和染色体一、 细菌细胞二、 细菌染色体第二节 大肠杆菌的突变型及筛选一、大肠杆菌的突变类型二、突变型筛选（自学）第三节 大肠杆菌性别一、大肠杆菌性别的发现二、F因子三、F+、F-与Hfr四、附加体第四节 中断杂交与重组作图一、中断杂交实验二、中断杂交作图三、细菌重组特点四、重组作图 第五节 F因子与性导一、 F因子二、 F因子特点三、F菌株四、性导第六节 转化与转导作图一、细菌的转化与作图二、转导与作图第六章细菌的遗传分析（4h）第一节 细菌的细胞和染色体一、细菌细胞：在适宜的条件下，每20min繁殖一代。二、细菌的染色体：一般由双链DNA分子组成的环状，长度为250-35 000m。大肠杆菌：染色体长为1 333 m ，而细胞为2 m1 m。 第二节 大肠杆菌的突变型及筛选一、大肠杆菌细菌的突变类型1、合成代谢功能的突变型营养缺陷型合成代谢功能：原养型/野生型在基本培养基上，具有合成所有代谢和生长所必须的复杂有机分子的功能称为合成代谢功能。营养缺陷型：合成代谢过程需大量基本基因的表达。当其中某一基因发生突变，将使相应的代谢过程不能进行。基因型： 取其所不能合成的这种物质的英文名称前三个字母（第一个字母大写）在右肩上方标出“”。Met：甲硫氨酸缺陷型，Met：野生型/原养型。2.分解代谢功能的突变型分解代谢的功能突变型：一系列分解代谢功能的实现，也必须有许多有关基因的表达。其中任何一个基因突变，将使相应的生化反应过程不能进行。这种突变型分解代谢的功能突变型。Lac：不能分解乳糖，在以乳糖为唯一碳源的培养基上不能生长发育。Lac：野生型能分解乳糖。3.抗性突变型抗药突变型：抗链霉素突变型：Strr (野生型Strs)抗青霉素突变型：Penr ( 野生型Pens)抗phage突变型：抗T1phage突变型:（野生型Tons）第三节 大肠杆菌性别一、大肠杆菌性别的发现细菌主要是无性繁殖，直到1946年人们才注意到不同品系大肠杆菌间可以杂交，并进行了基因重组，从而首次发现了大肠杆菌也有“性别”。二、F因子/性因子/致育因子F因子：环状DNA，含6104个bp，约为大肠杆菌染色体的2。由原点、致育基因、配对区三部分组成。环状F因子模式图组成F因子各部分的功能原点：是转移的起点。这些基因使它具有感染性（具有供体的功能）。配对区：此处与大肠杆菌DNA多处核苷酸序列相对应（即同源序列），故可通过交换而使F因子整合到大肠杆菌DNA上。致育基因：其上的一些基因编码生成F纤毛的蛋白质，即F+细胞表面的管状结构，F纤毛与F-细胞表面的受体相结合，在两个细胞间形成细胞质桥。三、F+、F-与HfrF+：细胞质中具有F因子的大肠杆菌记为F+（供体）。F-：细胞质中没有F因子的大肠杆菌记为F-（受体）。附加体象F因子既可独立存在于染色体之外作为一个独立的复制子，也可整合到大肠杆菌染色体中作为大肠杆菌复制子的一部分的遗传因子，称为附加体。F因子转移的频率很高，但细菌DNA间的重组率很低，故称F+为低频重组品系（low frequence recombination，Lfr） ，重组率为百万分之一（10-6）。细菌DNA间的重组率很高，故称之为高频重组品系（high frequence recombination，Hfr），重组率为10-2。F因子转移的频率很低。四、附加体象F因子既可独立存在于染色体之外作为一个独立的复制子，也可整合到大肠杆菌染色体中作为大肠杆菌复制子的一部分的遗传物质(遗传因子)，称为附加体。 第四节 中断杂交与重组作图1954年Wollmun与Jacob以大肠杆菌为材料，他们想了解Hfr品系什么时候把它的基因授给F-细胞。 一、中断杂交实验HfrF+：Strs azir tonr lac gal （链霉素） （叠氮化钠） （T1phage） （乳糖） （半乳糖） F：Str r azi s tons lac gal实验方法-中断杂交实验Hfr F + F 在液体培养基里，通气混合培养，定时取样，猛烈搅拌以中断杂交，释稀菌液，在含Str的基本培养基上培养。二、中断杂交作图实验结果：8 ：出现的菌落与 F相同，说明Hfr的基因未进入F。9 ：出现少量的azir 菌落，说明azir 己从Hfr 转移到F。11 ：出现azir tonr 型的F菌落。18 ：出现azir tonr lac型的F菌落。24 ：出现azir tonrlacgal型的F菌落。实验结果说明：上述四个基因azir 、tonr、lac、gal在混合后24分钟内，以一定顺序和时间间隔，先后从Hfr F进入 F的细菌中去。从上述实验结果可想象：Hfr F的DNA从一端开始，以线性方式逐段进入F，这一端叫原点或O点。O点 azir tonr lac gal。离O点越近的基因越早进入 F，其曲线斜率大，最大值也大（图中可见）。反之，离O点越远，越晚进入F，其曲线斜率小，最大值也小。时间单位法：以转移时间单位（每分钟）作为基因间距单位，可作出Hfr F的“染色体”上的基因分布图（基因连锁图）。假如让Hfr FF杂交持续2小时后中断杂交，发现一些F F，这说明Hfr的全部基因转移到F内，排列到最后的F因子才进入F，使F F。Wollman 和Jacob用不同的Hfr品系进行大量的中断杂交试验，并作出基因连锁图。粗看表，5个Hfr品系基因转移的顺序好象很不相同。细看之：发现一规律，任一行中任何一对相邻的基因在其他各行中也是相邻的。例如，H：trp和xyl位于mal之两侧，为trp mal xyl。在其他品系中也是如此。这说明每个品系的基因排列顺序都是相同的，不同之处是原点和转移的方向。 H品系的原点在thr 与thi 之间，方向为Othrazilac。T4品系的原点在thi与thr之间，方向为OthimetBthr。H与T4的原点相同，但转移方向正好相反。根据上述实验结果分析，大肠杆菌DNA应是环状。三、细菌重组的特点1、形成部分二倍体Hfr F由于供体的染色体一段一段转移到F。且它们间的接合随时会断裂。所以F得到的位置是Hfr的部分基因形成部分合子。又因为致育基因位于大肠杆菌基因的最后，所以只有当Hfr的基因全部转移进去，致育基因才转进入。部分二倍体：这种含有一个亲体F全部基因组和另一亲体部分基因组的合子叫部分合子/部分二倍体。2、 偶数次交换，形成有活性的重组体部分二倍体中，假如发生一次交换，只产生二倍性线状体，在分裂过程中被淘汰，只有发生偶数次交换，才产生有活性的重组体。单交换 二倍体线状体双交换 重组体线性片断偶次交换结果：只产生一种重组体，而无相应的重组体。三、 重组作图Hfr lac+ade+ F- lac-ade- ；转移顺序： lacadelac-ade的重组值的计算第五节 F因子与性导F因子：Hfr的染色体上的F因子脱离下来，带有细菌染色体的部分基因，这种新的F因子称为F因子。特点：能独立复制。F菌株：具有F因子的菌株。性导：通过F因子将供体细胞的基因导入受体形成部分二倍体的过程叫性导。F因子的形成性导第六节 转化与转导作图一、细菌的转化与作图转化作用：是指一种细胞或生物接受另一种细胞或生物的遗传物质而表现出后者的性状或遗传性状发生改变的现象。转化作用首先由Avery等人于1944年在肺炎双球菌中发现，此后在其它细菌中也发现有这种转化作用。发生转化的频率很低：大约为1的受体细菌可吸收外源DNA并发生转化。原因：受体细菌的受体部位的数目是有限的。受体细菌壁上并非任何区域都允许外源DNA片段通过，只是在特定区域形成临时性通道，这一特定区域称为受体部位。外源DNA的进入，除受体部位外，还必须有酶或蛋白质分子，以及能量等的协同作用。外源DNA只有在酶促旺盛的受体部位进入。感受态细胞与感受态因子感受态细胞：这种能接受外源DNA分子并被转化的细菌细胞。感受态因子：促进转化作用的酶或蛋白质的分子。转化的主要步骤：双链（供体细胞）DNA分子与细胞表面受体部位进行可逆性结合。供体DNA片段被吸入受体细胞，并要防止受体DNA酶的破坏。供体DNA进入受体后，立即DNA双链 DNA单链，其中一条被降解。未被降解的一条单链DNA部分或整个插入受体细胞的DNA链中，形成杂合DNA分子。这种杂合DNA复制，分离后形成一个受体亲代类型的DNA和一个供体与受体DNA结合的杂种双链DNA，从而导致基因重组形成各种类型的转化子。供体trp2+his2+try1+DNA向受体trp2-his2-try1-转化实验中转化体的类别及重组值的计算，作出三个基因的连锁图。二、转导与作图 转导作用：以噬菌体为媒介，将细菌的小片段DNA或基因，从一个细菌转移到另一细菌的过程叫转导作用。1、普遍性转导与作图我们已学过了大肠杆菌的不同品系间可以进行杂交。杂交即通过细胞间接触接合而完成的，那么在沙门氏菌里是否也有接合现象呢?J.Lederberg 和 N.Zinder 做了这样一个杂交试验：U型管实验LT22：Phe trp tyr his+LT2: Phe+ trp+ tyr+ hisLA22+LA2混合培养得野生型（10-5）实验结果：右臂得到了野生型细胞实验结果的解释：p22 的释放：LA22是带有P22原phage的细菌；在培养过程中，少数LA22细菌自溶释放出游离的p22。p22的侵染： 这种游离的p22通过滤孔进入左臂而感染了LA2细菌。转导噬菌体的形成：在裂解LA2过程中，宿主LA2环状染色体被裂解成小片段，某些片段在p22phage组装时偶尔被装入头部，形成转导噬菌体。这种转导噬菌体就将LA2的基因转入LA22。形成部分二倍体，经重组后形成原养型菌落。 普遍性转导的概念：象P22、P1这类phage可以转移细菌DNA，很多不同部分，这种转导作用，称为普遍性转导。普遍性转导的频率较低，约为10-5，两个基因同时转导的频率则更低， 仅有10-5 10-5=10-10共转导/并发转导：两个基因同时转导的现象确定3个基因的顺序：双因子转导：就是每次观察2个基因的转导，通过确定每2个基因之间的共转导率可确定它们在染色体上的次序。（3次）三因子转导：1次实验可确定3个基因的次序。供体：大肠杆菌trpA+、supC+、pyrF+受体：大肠杆菌trpA-、supC-、pyrF-最初选择的是supC+转导子，检查另2个基因被转导的情况，结果如下：supC+ trpA+ pyrF+ 36supC+ trpA+ pyrF- 114supC+ trpA- pyrF+ 0supC+ trpA- pyrF- 453总计 603supC+与pyrF+的共转导率是最低的（0），故三者的排序： supC+ trpA- pyrF+ supC+ trpA+的共转导率：（36+114）/603=0.25supC+ pyrF+ 的共转导率：36/603=0.062个基因的共转导率：0-1d=L（1-3x ）d：2个基因的图距L：转导DNA的平均长度（一个phage基因组的大小）x：2个基因共转导率2、局限性转导/特异性转导这类噬菌体只能转移供体基因中的特定基因/特定部分。如l噬菌体是一种附加体, 即可作为一个复制因子独立存在，又可以整合到细菌染色体上的特定位点attB位点,而形成原噬菌体。attB位点一边是gal基因，另一边是bio。在紫外线诱导下，原噬菌体从细菌染色体上离开时，偶尔带有宿主