7第七章 细菌遗传学

第七章细菌和噬菌体的重组和连锁本章要点 细菌和病毒在遗传研究中的优越性 转化 接合 性导与转导的概念与基本原理 F 菌株 F 菌株 Hfr菌株 中断杂交作图F因子 F 因子 温和噬菌体 烈性噬菌体 原噬菌体 溶源性细菌与溶源性生活周期 原核细胞与真核细胞的区别 区别原核细胞真核细胞大小1 10 m10 100 m细胞核无核膜有双层的核膜染色体环状DNA分子线性DNA分子一个基因连锁群2个以上基因连锁群DNA裸露或结合少量蛋白质DNA同组蛋白和非组蛋白结合DNA序列无或很少有重复序列有重复序列基因表达RNA和蛋白质在同一区间合成RNA在核中合成和加工 蛋白质在细胞质中合成细胞增殖的方式直接分裂 无丝分裂 以有丝分裂为主内膜无独立的内膜有 分化成各种细胞器鞭毛构成鞭毛蛋白微管蛋白核糖体70S 50S 30S 80S 60S 40S 细胞壁肽聚糖 蛋白质 脂多糖 脂蛋白纤维素 植物细胞 图 细菌染色体的着膜复制 第七章细菌和噬菌体的重组和连锁 连锁与交换 真菌的遗传学分析减数分裂和分离的关系交叉和重组的关系真核类生物的基因传递方式 细菌原核生物噬菌体病毒遗传物质如何传递的 主要内容 第一节细菌和病毒的一些特点第二节细菌的遗传分析 重点 第三节噬菌体的遗传分析 第一节细菌和病毒的一些特点 一 细菌和病毒 一 细菌细胞细菌的结构细菌的生物学特征 细菌的生物学特征 细菌是单细胞生物 完成每个世代只需20分钟 而且容易得到它的生化突变型 它不仅在医学上和农业上重要 而且从进化角度上也是异常成功的 因为它占据地球上大部分的角落 研究细菌遗传的方法 主要是对细菌菌落形态的遗传研究 如图 霉菌菌落 霉菌菌落 大肠杆菌 E coli 细菌的生物学特征 原则上说 培养皿中每个细菌长成的菌落应具有共同的遗传组成 但是由于偶然发生的突变 形态性状的突变 生理特性的突变或抗性的突变 而使这些突变后的细菌所形成的菌落与其他的菌落有所不同 菌落形态性状的突变包括 菌落的形状 颜色和大小等 生理特性的突变包括 丧失合成某种营养物质能力的营养缺陷型 抗性突变包括 抗药性或抗感染性 一 细菌和病毒 二 病毒非细胞形态的生命 病毒的生物学特征病毒是比细菌更为简单的生物 它们也只有一条染色体 即单倍体 有些病毒的染色体是DNA 还有一些病毒是RNA 病毒的生物学特征 病毒主要是由蛋白质外壳及其包被的y一种核酸所组成的颗粒 病毒可根据宿主 动物 植物 细菌 或遗传物质 DNA或RNA 来分类 细菌病毒 Bacterialphage 称为噬菌体 phage 是目前经过广泛研究 了解比较清楚的一种病毒 细菌病毒 Bacterialphage 噬菌体 phage 的结构 头部颈部外鞘尾丝 T4噬菌体 疱疹病毒 人类天花病毒 图中深染的颗粒 病毒衣壳的排列方式 二 细菌和病毒是遗传学研究的好材料 1 结构简单 繁殖力强 世代时间短 容易人工培养 便于研究基因的作用 2 容易筛选营养缺陷型 研究基因的作用 突变型生长条件与基因作用 3 便于研究基因的突变 容易筛选不同的突变型 4 便于研究基因精细结构研究基因的重组 重组群体大 选择方法简便有效 5 便于研究基因表达调节 遗传物质比较简单 可作为研究高等生物的简单模型 二 细菌和病毒是遗传学研究的好材料 同时 微生物的应用领域日益扩大 成就突出 微生物工程 在遗传工程 包括动植物 中 作为重要研究材料 工具 也具有决定性作用 细菌和病毒作为遗传研究材料具有独特优势 了解微生物遗传研究有助于理解多年来分子生物学 分子遗传学理论发展 细菌和病毒的拟有性过程 虽然细菌和病毒不具备象真核生物配子进行融合的有性过程 但它们的遗传物质也能从一个细胞传递到另一个细胞 并且也能形成重组体 无性生殖1946年莱德伯格和塔特姆发现在细菌之间可以通过接合转移遗传物质 有性过程 细菌和病毒的拟有性过程 细菌获取外源遗传物质有四种不同的方式 转化 接合 性导和转导 当一个细菌被一个以上的病毒粒子所侵染时 噬菌体也能在细菌体内交换遗传物质 如果两个噬菌体属于不同品系 它们之间可以发生遗传物质的部分交换 重组 下面将叙述细菌和噬菌体遗传物质的交换过程 并且将利用这些方法作出细菌和噬菌体的染色体图 三 细菌遗传的实验研究方法 一 细胞计数 培养物细胞浓度 二 建立纯系的方法 三 选择培养法鉴定突变型与重组型 四 突变型与重组型的批量筛选方法 细菌培养 一 细胞计数 培养物细胞浓度 培养物中微生物计数方法是微生物学的基本实验技术 其基本思路是 对原培养物进行连续稀释 进行平板涂抹培养 由于每个细胞形成一个菌落 计数菌落数 根据稀释倍数计算原培养物中的细胞浓度 细胞计数 培养物细胞浓度 二 建立纯系的方法 纯培养 挑取由单个细胞繁殖而来的菌落进行培养就可以获得由一个细胞繁殖而来的纯系 通常采用平板表面涂布法或划线法可以获得单菌落 这种方法获得的纯系 称为 菌种纯 有时采用显微操纵器进行菌丝尖端切割等方法从单个细胞直接培养建立纯系 采用这种方法获得的纯系称为 菌株纯 建立纯系的方法 纯培养 三 选择培养法鉴定突变型与重组型 许多细菌的突变都与培养基营养成分及培养条件有关 营养缺陷型的筛选 鉴定 选择培养法是根据菌株在基本培养基和营养培养基上的生长表现将菌株分为原养型 也称为原生营养型 与营养缺陷型 在基本培养基上不能正常生长 只能在相应的营养培养基上生长 营养突变型的筛选 鉴定方法与红色面包霉生化突变型的鉴定方法基本一致 三 选择培养法鉴定突变型与重组型 许多细菌的突变都与培养基营养成分及培养条件有关 其它突变类型的筛选 鉴定 对于其它的突变类型 如温度敏感型 也可以通过培养条件的选择培养来筛选与鉴定 四 突变型与重组型的批量筛选方法 选择培养法一次可鉴定 筛选一种突变型 但要检测分离含有多种突变型的混和菌株 仅采用选择培养法要进行多次试验才能够达到目的 效率太低 高效检测 分离混和群体用影印培养法 四 突变型与重组型的批量筛选方法 为高效检测 分离混和群体中不同突变型 黎德伯格夫妇设计了影印培养法 该方法原理与选择培养法一致 但是采用影印法将在完全培养基上单菌落同时接种到不同选择培养基上同时对所有菌落进行选择培养 鉴定效率大大提高 四 突变型与重组型的批量筛选方法 注意 1 最初的培养基必须是非选择性的 即各种突变型都能够在其上生长 2 必须采用适当的方法如涂布或划线法 以使培养物菌落之间要分开 第二节细菌的遗传重组 1 接合 是指通过细胞的直接接触 遗传信息从供体单向转移到受体的过程 2 性导 是指接合时由F 因子所携带的外源DNA整合到细菌染色体的过程 3 转化 某一基因型的细胞从周围介质中吸收来自另一基因型的DNA而使它的基因型和表现型发生相应变化的现象 转导是指以噬菌体为媒介所进行的细菌遗传物质的重组过程 第二节细菌的遗传分析 一 细菌染色体细菌染色体大多为裸露的环状闭合DNA双链 没有组蛋白和其他蛋白质结合 也不形成核小体结构 这种结构有利于外源DNA的插入 细菌染色体1000um细菌直径0 5 5um 图 大肠杆菌染色体的基本结构特征 二 E coli基因组概况 E coli的染色体为闭合双链环状DNA 长约1333um 2001年10月15日完成了E coliK12菌株的基因组全序列测定 总共4639221bp 4279个蛋白质编码基因 115个编码rRNA和tRNA的基因 GenBank编号 U00096 三 细菌的杂交 接合 A接合现象的发现和证实BF因子及其在杂交中的行为C中断杂交试验作图 三 细菌的杂交 A接合现象的发现和证实1946年莱德伯格 Lederberg J 和塔特姆 Tatum 发现在细菌之间可以通过接合 conjugation 转移遗传物质 细菌接合是指通过细胞的直接接触 遗传信息从供体单向转移到受体的过程 三 细菌的杂交A接合现象的发现和证实 他们选用两个E coliK12多重突变品系 A 甲硫氨酸缺陷型met 和生物素缺陷型bio B 苏氨酸缺陷型thr 和亮氨酸缺陷型leu A品系 met bio thi leu thr 硫胺素 B品系 met bio thi leu thr 细菌的杂交 将A品系 B品系分别接种于基本培养基上都不能生长 若将A B混和后 经离心洗涤 除去完全培养基 再制成悬液以对照组相同的浓度接种于基本培养基 固体 涂布培养 结果 平板上长出野生型 原养型菌落 其出现的频率为10 7 图细菌的杂交1 基本培养基 完全培养基 10 7 基本培养基 基本培养基 莱德伯格 Lederberg J 和塔特姆 Tatum 细菌的杂交图1 几种可能解释及其分析 对上述试验结果原养型菌落可能产生于 亲本细菌A或B发生了回复突变 X 两品系细胞通过培养基交换养料 互养作用 两品系间发生了转化作用 发生细胞融合 形成了异核体或杂合二倍体 X 三 细菌的杂交A接合现象的发现和证实 为了验证这些原养型菌落产生的可能 设计了很多试验 其中 野生型的出现是由于营养上的互补还是由于杂交引起了遗传物质的交换 1950年戴维斯 B D Davis 设计了U形管实验 菌株A 菌株B U形管实验 在U形管中培养一定时间后 再测定每一臂的细菌 没有一个能在基本培养基上生长 细菌不能通过 培养液和营养物质能通过 过滤器 细菌的杂交 实验说明了菌株通过接触以后 就象高等生物的有性生殖一样 发生了杂交 遗传物质有了交换 产生了野生型met bio thi leu thr 即原养型菌落 说明在Lederbery和Tatum及其它类似试验中 细菌发生了某种的遗传重组方式 称之为接合 所以 接合是指通过细胞的直接接触 遗传信息从供体单向转移到受体的过程 细菌的杂交B F因子及其在杂交中的行为四 单向转移与F因子 1952年海斯 W Hayes 在重复细菌杂交 AxB 实验之前 分别用高剂量的链霉素来处理A品系和B品系 链霉素处理A品系xB品系有杂交链霉素处理B品系xA品系没有杂交发生 Hayes 1952 研究表明 大肠杆菌两个品系在杂交的过程中作用是不相同的 两种不同菌株 品系 接合过程中遗传物质的转移是单向的 意味着两个亲本在杂交中有供体和受体之分 相当于雄性和雌性 接合 conjugation 遗传物质从供体 donor 雄性 转移到受体 receptor 雌性 的重组过程 接合管 B F因子及其在杂交中的行为 F因子 致育因子 性因子Hayes等进一步研究发现 大肠杆菌在接合中作供体的能力受细胞内一种致育因子 F因子 fertilityfactor 性因子sexfactor 控制 携带F因子的菌株称供体菌或雄性 用F 表示 没有F因子的菌株称为雌性 用F 表示 F因子 后来发现 供体和受体的区别是由于一种可转移的因子引起的 F因子可以在细菌细胞间进行转移并传递遗传物质 F因子的化学本质是DNA 可以自主状态存在于细胞质中或整合到细菌的染色体上 F因子及其在杂交中的行为 当F 细菌和F 细菌接合时 F F F因子的新拷贝能在接合过程中转移到F 细胞中去 使F 细胞转变成F 细胞 在接合管形成后 F因子DNA双链之一被切断 从断端转移到F 细胞 在那里发生DNA复制 当F因子复制完成后 F 变成F 图 图1 F F 的杂交后代皆为F 图1 F F 的杂交后代皆为F 总之 F因子是一种质粒 plasmid 由共价环状闭合DNA双链构成 全长94 5Kb 1 有F因子的细菌称为F 细菌增殖时可把F因子传递给后代 2 没有F因子的细菌称为F F 细菌经吖啶橙处理而丢失 成为F F因子一经丢失 细胞中便不再出现 3 F 可以和F 杂交 而不能和F 杂交 4 F F 的杂交后代皆为F 而且可以10 7频率获得重组体后代 F因子的存在状态 以大肠杆菌为例 F因子能够以三种状态存在 没有F因子 即F 包含一个自由状态的F因子 即F 包含一个整合到自己染色体组内的F因子 即Hfr 如图 图 F因子的存在状态 图F因子的整合形成高频重组菌株Hfr 有一类菌株 与F 杂交时 出现重组子的频率很高 几乎比F xF 杂交高一千倍 这种新的菌株叫做高频重组菌株 Hfr菌株 Hfr实际上是由于F因子整合到细菌的染色体上 具有较高频率的重组能力 但在HfrXF 杂交中 F 细菌很少转变为F 高频转导 HfrxF 五 高频重组菌株Hfr Hfr F 接合时 F 细菌很少转变成Hfr 当Hfr F 接合时 F 细菌很少转变成Hfr 这是因为当Hfr与F 接合时 整合的F DNA从一端被内切酶切成单链切口 细菌染色体由这一小段单链的F因子作为前导转移到F 受体 一边进入一边合成 在大多数情况下 只有一小部分细菌染色体转移 接合即出现中断 受体细胞仍保持为F 因为F因子仍留在供体内 图高频转导 HfrxF 大肠杆菌Hfr的形成及其染色体向F 细胞的转移图解 图Hfr的形成 很少情况下F 细菌转变转化为F Hfr品系与F 菌株 相同1 都能和F 杂交 2 杂交都要通过接合管和受体菌相联接 3 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1 产生重组子频率不同 Hfr F 10 4 F F 10 7 2 F F 后代F Hfr F 后代F 3 F 细菌经吖啶橙处理变成F Hfr经吖啶橙处理仍为Hfr F因子及其在杂交中的行为七 细菌的交换过程 当F 或Hfr的细菌染色体进入F 后 在一个短时期内 F 细胞中对某些位点来说总有一段二倍体的DNA 这样的细菌称为部分二倍体或部分合子 新染色体的DNA称为供体外基因子 而宿主的染色体则称为受体内基因子 部分二倍体中发生单数交换 可使环状染色体打开 产生一个线性染色体 这种细胞不能成活 只有发生偶数的交换 才能产生遗传的重组体和片段 图 图7 11单交换 7 12双交换 部分二倍体中发生单数交换 可使环状染色体打开 产生一个线性染色体 这种细胞不能成活 只有发生偶数的交换 才能产生遗传的重组体和片段 图解 六 用中断杂交实验作染色体连锁图 Wollman和Jacob等人想了解Hfr细菌在交配中 什么时候把基因转移给F 细菌的 于是设计了中断杂交试验 用以证明接合时遗传物质从供体细胞的转移是直线式进行的 他们把Hfr菌株与F 菌株混合在一起进行杂交培养 Hfr菌株的基因型是 strsazirtonArgalb lac F 菌株的基因型是 strrazistonAsgalb lac str代表链霉素 s代表敏感性 r代表抗性 代表原养型或抗性 代表营养缺陷型 P220 六 用中断杂交实验作染色体连锁图 每隔一定时间取样 把菌液放在食物搅拌器内搅拌 以中断杂交 经过稀释 接种到含有链霉素的完全培养基上 这样将杀死所有Hfr细胞 然后对形成菌落的F 细胞用影印培养法测试其基因型 以便确定每个基因转移到F 细胞的时间 如图 影印培养法 包有灭菌丝绒布的圆木柱 选择培养基 非选择性培养基 六 中断杂交试验作图 图7 4杂交中断后对标记基因的鉴定 六 用中断杂交实验作染色体连锁图 上图表示利用这个方法所获得的结果 混合9分钟后取样时 开始出现少量对叠氮化物有抗性的菌落 说明抗叠氮化物的基因此时已进入F 细胞中 但对T1噬菌体来说 全部F 细胞还属于敏感型 说明tonA基因还没有进入F 细胞中 混合11分钟后 才开始出现抗噬菌体T1的F 细菌 混合18分钟和24分钟取样时 又分别出现乳糖发酵和半乳糖发酵的基因 这说明Hfr菌株的基因是按一定的线性顺序依次进入F 菌株 也就是说 染色体从原点开始以直线方式进入F 细胞的 基因转入时间thr 8leu 8 5Azir9Tonr11lac 18gal 25 0 Thr Tons lac gal F leu Azis 中断杂交的实验结果 六 用中断杂交实验作染色体连锁图 根据中断杂交的实验 以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连锁遗传图 根据供体基因进入受体细胞的顺序和时间绘制连锁图的技术 称为中断杂交技术 表7 3 用不同的Hfr菌株进行中断杂交实验 F因子和细菌染色体都是环状的 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 其基因进入F 细胞的转移的顺序不大相同 这个实验进一步说明F因子和细菌染色体都是环状的 而Hfr细胞染色体的形成 则因F因子插入环状染色体的不同位置 因而形成了不同的转移原点和转移方向 如图 F因子插入环状染色体的不同位置 因而形成了不同的转移原点和转移方向 不同Hfr中 F因子插入位置与方向不同 F因子一种质粒 plasmid 一种附加体 整合到染色体上 F因子的结构 1 原点2 形成性伞毛的基因群3 DNA复制酶基因4 插入序列IS P225 4 七 细菌的交换过程 前面 讨论的是杂交中遗传信息的转移过程 这是根据杂交中产生的重组子推论出来的 然而重组子被检出之前 转移的基因如何通过交换过程整合到受体的基因组的呢 真核生物的遗传交换发生在两套基因组之间 而原核类中遗传物质的交换是在一完整的基因组 F 内基因子 与一不完整的基因组 供体外基因子 之间进行的是在部分二倍体或部分合子间进行的 F因子和细菌染色体都是环状的 单交换 部分二倍体 部分合子 的概念F 染色体与Hfr染色体之间发生单交换没有意义 只产生不平衡的部分二倍体线形染色体 二者之间只有发生双交换才能产生有活性的重组子 供体外基因子 F 内基因子 部分二倍体或部分合子模式图 双交换 双交换 双交换 只有发生双交换才能产生有活性的重组子 图7 11单交换 7 12双交换 八 重组作图 在中断杂实验中 可以根据基因转移的先后顺序 以时间为单位 得到基因的连锁关系 如果两个基因间的转移时间小于2分钟 用中断杂交法所得的图距不太可靠 应采用传统的重组作图法 例如 有两个紧密连锁的基因lac 乳糖不发酵 和ade 腺嘌呤缺陷型 为了求得两个基因间的距离 可采用Hfrlac ade 和F lac ade 的杂交实验 八 重组作图 P229 Hfrlac ade strsXF lac ade strrlac 乳糖不发酵 ade 腺嘌呤缺陷型 str代表链霉素 s敏感性 r抗性由于ade进入F 细胞的顺序较lac为晚 因此只要ade进入F 细胞 lac自然也已经进入 如果选出ade 同时也是lac 说明lac和ade间没有发生过交换 如果是lac 说明两者之间发生过交换 根据中断杂交法 用完全培养基但不加腺嘌呤 可以选出F ade 的菌落 Hfrlac ade strsXF lac ade strr混合60分钟 至含链霉素的基本培养基 Hfr死 未杂交的F 死 选出ade F lac ade F lac ade 外基因子 内基因子 将重组子菌落影印培养于EMB培养基上 lac 菌落紫红色lac 菌落粉红色 Hfrlac ade F lac ade F lac ade Hfrlac ade F lac ade F lac ade Hfrlac ade F lac ade F lac ade 没有发生交换 两个基因都交换到受体上 交换发生在两个基因之间 重组作图 1 选择在腺甘酸 ade 缺乏的培养基上生长的类型 它们表明ade基因已转入细胞 2 选出的lac ade 类型即是重组子 因为ade 已进入 表明lac 也已进入 而lac ade 表型就是供体受体lac ade两个基因间发生交换的结果 可用此来计算重组值 重组值的计算lac ade之间的图距为 ade进入F 细胞的顺序较lac为晚 八 重组作图 两基因间的重组值约等于22 而这两个位点间的时间单位约为1分钟 可见1个时间单位 分钟 大约相当于20 的重组值 根据大肠杆菌接合实验的研究 利用中断杂交 基因重组等方法已绘制出大肠杆菌K12的环状遗传图 AmapoftheE coligenome showingselectedgenes E coliK12菌株的基因组 九 性导与F 因子 Adelberg在大肠杆菌中发现一种新的F因子 F 因子F因子整合到宿主细菌染色体上的一种可逆过程 能够低频被切除 正常切除 F因子重新离开细菌染色体 形成F 细胞 然而Hfr菌上的F因子偶然环出时不够准确 从染色体上不精确解离 带有了细菌染色体的基因 这种带有了染色体基因的F因子称为F F prime 因子 图 F因子整合到宿主细菌染色体上的一种可逆过程 图 F因子的整合 不规则环出得到F 因子 九 F 与性导 F 携带部分染色体的基因转移到F 使得F 成为F 并在新的F 细胞内形成了部分二倍体 部分基因以二倍体形式存在 利用F 因子形成部分二倍体的过程 称为性导 或 性导是指接合时由F 因子所携带的外源DNA整合到细菌染色体的过程 F 质粒 性导部分二倍体 Hfr菌上的F因子从染色体上不精确解离 带有了细菌染色体的基因 九 性导与F 因子 由性导产生的部分二倍体 一方面为确定等位基因显隐性关系提供了重要方法 另一方面由于分离出大量的F 因子 每个F 因子携带不同的大肠杆菌的基因 包括全部染色体基因 因此 并发性导是建立遗传图的另一手段 即两个位点必须密切相连才能处在同一个F 因子上 这样通过两个位点间重组频率的计算就可以获得每个片段的连锁群 性导 sexduction 与F 因子 F 和F因子 F 品系转变成Hfr品系的频率要高于F 品系 F 变成Hfr时F 因子整合到相同位点上 而F 变成Hfr时可整合到不同位点 F F 高频传递特定的基因 形成部分二倍体 而F F 产生F 但不转移任何基因 或以10 7将宿主的基因按顺序转入受体 受体仍为F 所转移的基因是不同的 性导在大肠杆菌的遗传分析中的重要作用 1 F 因子可以自主复制2 性导形成的部分二倍体可用于不同突变型之间的互补实验 以确定这两个突变型是属于同一或两个不同的基因3 确定显隐关系4 不同F 因子携带大肠杆菌的不同基因 因此 并发性导是建立遗传图的另一手段 即两个位点必须密切相连才能处在同一个F 因子上 这样通过两个位点间重组频率的计算就可以获得每个片段的连锁群 三种不同致育因子的相互关系 FF Hfr p234 1 F 是带有部分细菌染色体的F因子 其性质在F和Hfr之间 图7 17 2 F 因子连同她所带有的部分细菌染色体可一起转移到F 中 其转移速率近于F因子 利用F 可以形成部分二倍体 进行重组研究 3 有F因子的细胞是F 细胞 无F因子的细胞是F 细胞 4 Hfr能以高频率把细菌染色体转移到F 细菌中 而F因子因位于Hfr染色体的最末端 极少进入 F 因子和F因子很容易转移到F 细胞中 但供体染色体的转移率很低 大肠杆菌内F F Hfr的转化 图7 17 F Hfr F 的接合对照 转化 transformation 一 细菌转化实验 二 转化过程 三 共同转化与遗传图谱绘制 转化 转化 游离的DNA片段被受体细胞吸收 结果发生遗传性状改变的现象 一 细菌转化实验 1 基础知识野生型肺炎双球菌 Strep tococcuspneumoniae 菌落为光滑型 一种突变型为粗糙型 两者根本差异在于荚膜形成 荚膜的主要成分是多糖 具特殊的抗原性 不同抗原型是遗传的 稳定的 一般情况下不发生互变 2 Griffith转化研究 1928 Griffith对其试验结论及发展 根据上述研究结果Griffith认为 有毒 死细菌中的某种物质转移到 无毒 活细菌中 并使之具有毒性 导致小家鼠死亡 他将这种细菌遗传类型的转变称为转化 并将引起转化的物质称为转化因子 tranformingprinciple 但是当时的化学与生化分析技术还无法鉴定杀死细菌中的成分 因而不知转化因子为何物 Griffith对其试验结论及发展 以后一些研究者重复上述试验 并且加入了体外培养试验 即 将加热杀死的SIII细菌与无毒RII细菌混合培养 然后注入小家鼠体内 同样导致家鼠死亡 表明 细菌在培养条件下也能够实现遗传类型间的定向转化 3 阿维利 Avery 等的转化实验 1944 实验结论 上述实验结果表明 来源于加热杀死的SIII细菌 并使RII细菌转化成为SIII型细菌的转化因子是DNA 正是在这一认识的基础上 将转化定义为 某一基因型的细胞从周围介质中吸收来自另一基因型的DNA而使它的基因型和表现型发生相应变化的现象 实验结论 Avery等人的实验实际上也表明 决定细菌遗传类型的物质是DNA 即证明了DNA就是遗传物质 但由于他们采用的实验方法当时不被人们广泛接受 而且得出的结论与当时人们的传统观念 认为蛋白质是遗传物质 不符合 而长期没有得到人们的承认 转化的主要步骤 双链DNA分子与细胞表面感受位点进行可逆性结合 供体DNA片断被吸入受体细胞 侵入受体细胞的供体DNA转为单链 其中一条被降解 未被降解的一条链部分或整个插入受体细胞的DNA中 杂合的DNA经复制可以形成亲代类型和重组类型的DNA 导致转化细胞的形成与表达 二 转化过程 转化现象在细菌中是一种普遍现象 不同细菌转化过程有一定差异 但是它们都存在几个共同特征 即 1 感受态与感受态因子 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 感受态主要受一类蛋白质 感受态因子 影响 感受态因子可以在细菌间进行转移 从感受态细菌中传递到非感受态细菌中 可以使后者变为感受态 二 转化过程 1 感受态与感受态因子 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 用Ca2 处理对数生长后期的大肠杆菌可以增强其感受能力 2 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 结合点 对供体DNA片段有一定要求 结合过程是一个可逆过程 二 转化过程 3 DNA摄取 当细菌结合点饱和之后 细菌开始摄取外源DNA 细菌在摄取外源DNA时 由DNA移位酶降解其中一条链 并利用降解这条链产生的能量 将另一条链拉进细胞中 二 转化过程 4 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 从而稳定地掺入到受体DNA中的过程 实际上就是一个遗传重组的过程 因而研究整合的分子机制事实上也为遗传重组的分子机制作出了贡献 转化的主要步骤 图 双链DNA分子与细胞表面感受位点进行可逆性结合 供体DNA片断被吸入受体细胞 侵入受体细胞的供体DNA转为单链 其中一条被降解 未被降解的一条链部分或整个插入受体细胞的DNA中 杂合的DNA经复制可以形成亲代类型和重组类型的DNA 导致转化细胞的形成与表达 细菌转化过程吸附DNA 吸收 整合 三 共同转化与遗传图谱绘制 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 一二 烈性噬菌体和温和噬菌体 烈性噬菌体2 温和噬菌体 溶源周期 裂解周期 三 转导 转导2 普遍性转导3 特异性转导 局限性转导 第三节噬菌体的遗传分析 着重几个概念 四 噬菌体的遗传重组转导 一 烈性噬菌体 T偶数系列噬菌体的尾丝附着在大肠杆菌表面时 通过尾鞘的收缩将噬菌体DNA经中空尾部注入寄主细胞 破坏寄主细胞的遗传物质 并合成大量的噬菌体DNA和蛋白质 组成许多新的子噬菌体 最后使细菌裂解 释放出无数个子噬菌体 所以这样的T偶数系列噬菌体称为烈性噬菌体 烈性噬菌体产生溶菌反应 细菌裂解 释放出子噬菌体 二 温和噬菌体 温和噬菌体侵入细菌后 细菌并不裂解 即它们有溶源性的生活周期 例如 和P1噬菌体可代表略有不同的溶源性类型 噬菌体附着在大肠杆菌染色体的gal和bio位点之间的att 座位上 它能通过交换而整合到细菌染色体上 整合的噬菌体称为原噬菌体 图 噬菌体的溶源化和原噬菌体形成 温和噬菌体一般不出现溶菌反应 不出现溶菌反应 温和噬菌体两种增殖周期 溶源周期细胞不裂解原噬菌体 某些温和噬菌体侵染细胞后 其DNA整合到宿主细菌染色体中 这种处于整合状态的噬菌体DNA称为原噬菌体 含有原噬菌体的细胞称为溶源性细菌或溶源菌 体 原噬菌体不进行DNA复制和蛋白质合成 随宿主细菌染色体的复制而同步复制 并且随着宿主细菌细胞分裂而平均分配到两个子细胞中 代代相传 进入溶源周期 溶菌周期细胞裂解 温和噬菌体的生活周期 细胞不裂解 形成溶源性细菌或溶源菌 体 进入溶源周期整合的原噬菌体也可能被诱导进入裂解周期 也可能自然消失 温和噬菌体两种增殖周期 溶源周期细胞不裂解溶菌周期细胞裂解在某些情况下 溶源性细菌培养物中会有很小一部分 10 3 10 6 由于原噬菌体脱离整合状态 增殖产生大量子噬菌体而导致细菌细胞裂解 三 转导 转导是指以噬菌体为媒介所进行的细菌遗传物质的重组过程 或 转导 一个细菌通过温和噬菌体或缺陷型噬菌体把其遗传物质传递给另一细菌 类型普遍性转导 象噬菌体P22可以转导沙门氏菌染色体组的任何不同的部分 特异性转导 象 噬菌体等只能转导细菌染色体的特定的部分 三 转导 黎德伯格等1956年在伤寒沙门氏菌中发现了转导现象 他们用一个不能合成苯丙氨酸 色氨酸和酪氨酸的营养缺陷型和另一个不能合成甲硫氨酸和组氨酸的营养缺陷型杂交 结果在基本培养基上出现原养型菌落 三 转导 黎德伯格将上述两种菌株分别放在戴维斯U型管的两臂内 中间用玻璃滤板隔开 以防止细胞接触 但可以允许比细菌小的物质通过 结果也获得了野生型重组体 这样确定 这种野生型重组体是通过一种过滤性因子实现的 以后的研究工作表明 这种过滤性因子是噬菌体P22 P22的遗传信息可以整合到宿主的染色体中 噬菌体P22可以转导沙门氏菌染色体组的任何不同的部分 因此称为普遍性转导 三 转导 P22侵染细菌后 细菌染色体断裂成片段 在形成噬菌体颗粒时 偶尔错误地把细菌染色体片段包装在噬菌体蛋白质外壳内 其中并不包含有噬菌体的遗传物质 这种假噬菌体称为转导颗粒 由于决