第八章病毒遗传学(教案)

第八章病毒的遗传分析GeneticAnalysisinViruses Ebolavirus pictured 19000 Itcausesdeadlyhemorrhagicfevers 长白山雪景 长白山雪景 吉林市松花江边 吉林市松花江边 SWISS 一 噬菌体 病毒 的结构 分类与繁殖 一 形态结构 蛋白质外壳 核酸芯子病毒粒子类病 viroid 结构比病毒更简单 无蛋白质外壳 遗传物质为RNA 只能编码一个约70 80个氨基酸的多肽链 几种病毒的形态 见图 BacterialPhageT4 BacterialPhage InfluenzaVirus TobaccoMosaicVirus TMV Electronmicrographsofaselectionofviruses HIV T4噬菌体模式图 TheEbolaviruspicturedhere 19000 isoneofagropeofvirusesthecauseDeadlyhemorrhagicfevers Wildvertebratessuchasratsserveasreservoirhost 二 分类1 按宿主范围分 动物病毒植物病毒细菌病毒 包括真菌和藻类的病毒 2 按遗传物质分 DNA病毒 双链DNA病毒动物病毒多为双链DNA病毒 单链DNA病毒且多呈线状 RNA病毒 植物病毒多为RNA病毒 且多为单链RNA 也有双链RNA 遗传物质 细菌病毒 噬菌体 植物病毒 动物病毒 病毒种类与基因组结构 二 噬菌体的繁殖1 烈性噬菌体 virulentphage 及其感染周期 溶菌周期 lysis 烈性噬菌体感染细菌后 立即进行噬菌体自身繁殖 并裂解细菌细胞的过程 烈性噬菌体 感染细菌后 立即接管细胞的合成机构 进行噬菌体自身繁殖 最后裂解细菌细胞 这样的一类噬菌体 如 T 系列噬菌体 噬菌体基因表达的顺序依次为 early earlygenes表达 多为调节基因 启动自身基因表达 抑制宿主细胞的RNA合成 接管宿主细胞的合成机构 late earlygenes表达 产物是核酸酶及与DNA复制有关的酶 lategenes表达 产物是蛋白质 主要用于构造 组装外壳与尾管 尾丝等 最后是合成溶菌酶 溶解细菌细胞壁 释放出子代噬菌体 150子代噬菌体 细菌细胞 T4phagesinfectE colicell T4 ThelifecycleofphageT4 噬菌斑 plaque 噬菌体裂解细菌细胞后 在培养基表面菌膜上形成的一块透明 无菌的 空斑 一个噬菌斑是一个噬菌体反复进行裂解循环的结果 一个噬菌斑内有无数的噬菌体 它们都是一个噬菌体的后代 因此 遗传背景上是一致的 一个噬菌体感染并裂解一个大肠杆菌细胞后 释放约150个子代噬菌体 子代噬菌体构成一个colony 克隆一词的来源及克隆含义的广泛性 T4plaques 2 温和噬菌体及其感染周期 温和噬菌体 temperatephage 感染细菌后并不直接进入溶菌周期破坏细菌细胞 而是进入溶源周期与细菌共存 这种噬菌体被称为温和噬菌体 如 phage phage在细菌染色体上的整合 染色体结构线状染色体 两端各有12bp组成的粘性末端 供感染细胞后环化成为环状DNA用 Stickyend 12bases Stickyend 12bases phage的侵染过程 phage将线状染色体注入宿主细胞 DNA借用stickyends环化 phageC基因表达产物 阻竭蛋白抑制 基因组的所有基因表达 使其保持沉默状态 DNA与宿主DNA间 通过同源碱基系列间的交换 同源重组 整合宿主染色体中 以原噬菌体 prophage 的形式存在于细菌染色体上 C基因抑制所有 基因的表达 染色体的整合 溶源菌 原噬菌体 prophage DNA是在线性状态下 还是在环状状态下插入宿主DNA的 相关名词概论 原噬菌体 prophage 以整合状态存在于宿主染色体上的噬菌体基因组 被称作原噬菌体 溶源菌 lysogeniccell 染色体上携带有原噬菌体的细菌 叫溶源菌 溶源性 lysogeny 细菌受温和噬菌体感染后 并不立即溶菌 而是在一定条件下与噬菌体共存的现象 或特性 叫细菌的溶源性 原噬菌体的诱导A U V 诱导 物理诱导 B 丝裂霉素C诱导 化学诱导 诱导 C 合子诱导Hfr F 无F 重组子出现 即 仅仅位于 整合位点之前的共体菌基因可能形成重组子 位于 整合位点之后的基因不能形成重组子 一旦被转入受体均 便立即进入裂解周期 裂解受体细胞 溶原菌的免疫性原噬菌体的cI基因产物 阻竭蛋白 它不但可以抑制原噬菌体自身DNA复制 也可以抑制再度感染而入的同类或近缘类噬菌体DNA的复制 即可以抵御同类噬菌体的超感染 3 其他的温和噬菌体以整合形式存在的温和噬菌体 P22 80等 以游离形式存在的温和噬菌体 P1 P11等 三 噬菌体的突变型1 形态突变型 r 野生型 菌斑小而边缘模糊 溶菌阻碍现象 r 快速溶菌突变性 菌噬斑大且边缘清晰 r r 2 宿住范围突变型T2 T4phage的宿住范围决定基因 h 3 噬菌体的条件致死突变型 温度敏感突变 temperaturesensitivemutation ts 野生型热敏感突变型冷敏感突型 噬菌体的抑制基因敏感突变 suppressor sensitivemutation sus A 宿主菌的 抑制基因 suppressor su 宿主菌 如E coli 细胞的tRNA基因 宿主菌的 抑制基因突变型 su 是反密码子发生了突变的tRNA基因 如果突变后的反密码子能够识别三种无意义密码子中的某一种 因而能避免翻译延伸过程中肽链因该无意义密码而中断 包括三种类型 起抑制作用的基因是什么基因 是该基因的什么状态 宿主菌的 抑制基因野生型 su 反密码子没有发生突变的tRNA基因 即野生型基因 野生型tRNA不能识别无义密码子 因而不具有抑制噬菌体无义突变的能力 B 噬菌体的抑制基因敏感突变 sus 抑制基因敏感突变 suppressorsensitivemutation sus phage结构基因发生的无义突变 UAA正常密码子终止密码子UAGUGA mutation 正常密码子 UAA susochre susoch 赭石突变 正常密码子 正常密码子 UGA susopal susop 乳白突变 突变 突变 突变 噬菌体的抑制基因敏感突变 sus 类型 UAG susamber susamb 琥珀突变 C 宿主菌 抑制基因 反密码子发生了突变的tRNA基因 的抑制对象及 抑制 作用机制 抑制 抑制 抑制 能在su ambcell内繁殖 抑制基因抑制对象及作用效果 噬菌体琥珀突变的抑制机制 UAG UAG E Colisu3菌株中 突变型tRNATye2识别噬菌体amber突变 并且抑制amber突变的过程 AUC PhagemRNA 5 3 3 5 MutanttRNATye E colisu3cell 5 GUA3 mutation 5 CUA3 Host E colisu CellwithwildtypetRNATye translation susabm抑制基因 su 的数量 或种类 su amb菌株的种类有多少 每一种氨基酸都不止一种tRNA 密码子具有摆动性 所以 凡是反密码子经过一个简单的碱基替换后能够识别UAG的tRNA基因 都是amber突变的潜在的抑制基因 因此 噬菌体的amber突变的潜在的抑制基因绝对不只是1 2个 噬菌体其他无意义突变的抑制基因数量呢 抑制基因su 的作用对象噬菌体的每一个基因内部都可能发生 一个乃至多个 amber突变 抑制基因su amb对所有这些amber突变都可能产生抑制用 余类推 E coli5种琥珀型抑制基因 同时也能抑制赭石型突变 susamb的几种不同抑制菌株 susoch和susop能否也有多种不同的抑制基因 与野生型phage相比 X174的条件致死突变型 在携带不同专一性抑制基因的宿主细胞中 sus突变型噬菌体的繁殖情况 密码子摆动 能产生子代 不产生子代 提示 一个氨基酸不只有一个tRNA 但只要有一个突变型tRNA 如su amb 就能抑制susamb 请回答问题 课堂作业 以下是 X174的一些突变品系和几个E coli抑制基因突变型菌株 请用连接线指出 哪种噬菌体可以在哪种细菌细胞内繁殖 突变型噬菌体品系细菌突变型品系susam8su ambsusoch6su ochsusam33su opsusoch5su susop6 四 噬菌体的互补实验有时 不同的突变影响到同一性状 这时人们需要弄清楚 是否因为这两个不同的突变型 其突变位点在同一个基因 是同一基因内不同位点的突变 1 互补实验与顺反子 概念 互补实验 是一种实验方法 它被用来测定影响同一性状的两种突变 是属于同一功能单位 基因 还是分别位于不同的功能单位 基因 A 顺式与反式 顺式 cis 两个突变位点位于一条染色体上 反式 trans 两个突变位点分别位于一对同源染色体的两个成员上 顺式排列 反式排列 注意下述问题 两个突变位点在染色体上的不同排列方式 cis或trans 与表型的关系如何 如何得到 或创造出 一个反式杂合体 请带着上述问题学习下面的内容 两个突变位点存在于一个基因内 结论 两个突变位点存在于不同的基因中 根据反式排列时的表型 判断两突变是否存在与同一基因内 结论 结论 顺反实验的意义 根据反式排列时的表型 判断二个不同的突变位点是否在一个基因内部 当反式杂合体具有野生型表型时 二个突变位点分别存在于二个不同的基因中 它们是不同基因内的突变 当反式杂合体具有突变型表型时 二个突变位点存在于一个基因内部 它们是一个基因内部两个不同位点的突变 如何得到反式杂合体 顺反位置效应 cis transpositioneffect 二倍体生物中 两突变位点在染色体上的不同排列方式 顺式或反式 使得生物体的性状表型不同 即顺式排列为野生型 反式排列为突变型 遗传学上把这种现象称为顺反位置效应 顺式排列为野生型 反式排列为突变型 顺反子 cistron 两个不同位点的突变 它们在染色体上的其排列方式具有顺反位置效应 顺式排列为野生型 反式排列为突变型 遗传学上把这种具有顺反位置效应的功能单位称为顺反子 一个顺反子就是一个功能基因 不同顺反子 不同基因 内的突变位点之间 是否有顺反位置效应 为什么 问题 1 何谓顺式和反式排列 2 何谓顺反子 3 顺反实验的意义何在 4 如何构建一个反式排列的二倍体生物 5 两个突变型互补的前体条件是什么 2 噬菌体的互补实验例 X174条件致死突变的互补测验 phage X174的繁殖 X174的条件致死突变型 am9 am30 am9 am30 am9 am30 X174条件致死突变品系的互补实验 混合感染 单独感染 单独感染 结果说明什么 思考题 请您预测 am16与am86共感染细菌时 这两种噬菌体能否繁殖出子代噬菌体 am86与am30共感染细菌时情况又如何 你能否给出一个指导性的意见 即 哪些类别间可能发生互补 哪写则不会发生互补作用 回到上表 五 噬菌体的重组实验 T2 T4 噬菌体发育 形态建成 2 T2噬菌体重组实验 ElectronmicrographofT4 Plaques 2 T2噬菌体重组实验r h r h E coliB B 2 RF r h 3 T4噬菌体的重组试验T4噬菌体的三点试验 phagestrain1 m 小菌斑r 快速溶菌tu 浑浊菌斑phagestrain2 野生型 R h plagues rh plaques totalofplaques 100 T4的mrtu 三点测交结果 遗传作图 12 920 8 mrtu 27 1 3 3 2 33 7 4 X174噬菌体的杂交试验 利用 X174的sus突变 抑制基因敏感突变 测验两基因间以及一个基因内部重组的可能性及重组值 X174的条件致死突变型 X174的三点试验与基因定位病毒品系 品系 amAtsC 品系 amB基因说明 amA geneA的一个amber突变amB geneB的一个amber突变tsC geneC的一个温度敏感突变 42 时不能繁殖 30 能繁殖 实验目的 确定三基因在染色体上的位置关系 试验设计 提示 两个病毒品系对繁殖条件 宿主 环境 的要求是什么 病毒的重组在哪里进行 只有搞清楚了这二个问题才能做好实验设计 根据对二品系的遗传分析设计实验A 基因型分析 都是amber突变 因而都不能单独在E colisu 细胞内繁殖 但是能够在E colisu amb细胞内繁殖 tsC突变基因存在 适当该基因携带者只能在30 培养温度条件下繁殖 不能在42 下繁殖 二品系 amAtsC amB 间重组能够产生出 tsC和 基因型的重组子 而这两种重组子可以利用温度条件进行筛选 两种噬菌体的重组 是在共同感染宿主细胞时 在宿主细胞中进行DNA后实现的 amA tsC tsCamA amAtsC amB amB amB tsC在中间 amAtsCamB tsC SCO SCO 二者数量差异不大 tsC SCO DCO tsC DCO SCO B 三基因间可能的排列顺序以及重组结果的预测 多少 少多 tsC更靠近amB即 amAamBtsC tsC更靠近amA即 tsCamAamB 实验设计 a 选择被感染的宿主菌和培养条件 以提供两种基因型噬菌体重组的机会 重组条件 感染培养 su amb 30 b 将裂解液与大肠杆菌su 细胞混合涂布 并在许可条件下培养 筛选出野生型重组子 30 条件下培养 tsC都能繁殖 c 将su 细胞 30 下形成的噬菌体做影印培养 限制条件42 筛选分辨热敏感与野生型噬菌体 d 比较 噬菌体与 tsC噬菌体的数量 确定基因顺序 amAtsC amB Host E colisu amb Temperature 30 Centrifugecelllyses phageoffsbringinsupernatant 裂解液 E Colisu 30 重组噬菌体筛选 tsC C 实验设计 tsC 影印培养 培养温度 42 噬菌斑基因型 X174三基因的排列顺序是 amAamBtsC 六 噬菌体的基因组与 原噬菌体1 噬菌体的基因组 48 502bps 22 22 2 原噬菌体的整合与切除 DNA在细菌染色体的整合 或插入 a 整合具有位点专一性 DNA上的整合位点 attP 遗传图谱 物理图谱 E colichromosome DNA在细菌染色体上的整合位点 att b DNA的整合过程的分子遗传学 O区 同源序列区域 BOB 110 11 E ColiattB attp c DNA整合与脱离宿主菌染色体过程的化学表达式BOB POP BOP POB BOB POP BOP POB Int IHF Int IHF Xis Int IHF XIS Int IHF Int integrase基因的产物IHF 宿主整合因子Xis 外切核酸酶 d 原噬菌体的不规则脱离与 dgal dbio转导噬菌体的形成 dgal dbio 基本概念 转导噬菌体 transducingparticles transducing dgal dbio 携带有宿主菌染色体片段的噬菌体 转导子 transductant 获得了由噬菌体转导而来的外源基因组片段 通常是另一个细菌基因组片段 的细菌细胞 叫转导子 转导子又分为稳定转导子与不稳定转导子两种 外源基因组片段 外基因子 通过偶数双交换整合到了宿主体菌基因组的细胞