普通遗传学(第六章)

1、第六章第六章 细菌的遗传分析细菌的遗传分析学习要点：学习要点： 名词概念名词概念 质粒、质粒、F F因子、因子、HfrHfr、转化子、转导子、性导、转化子、转导子、性导、 半合子、附加体、高频转导、低频转导、半合子、附加体、高频转导、低频转导、 感受态因子、特异性转导、合子诱导感受态因子、特异性转导、合子诱导 2 2 了解细菌染色体大小与结构；了解细菌染色体大小与结构； 3 3 细菌的突变型的类型；细菌的突变型的类型； 4 4 细菌菌株的类型、接合的组合方式与重组特点；细菌菌株的类型、接合的组合方式与重组特点； 5 5 中断杂交实验作图的原理与方法；中断杂交实验作图的原理与方法； 6 6 细菌

2、基因重组的特点；细菌基因重组的特点； 7 7 转化、转导转移遗传物质的特点与共转率作图。转化、转导转移遗传物质的特点与共转率作图。 第一节第一节 细菌的细胞和染色体细菌的细胞和染色体一一 细菌细胞细菌细胞 大小：大小：1-2 1-2 m m； 繁殖方式：二裂式均等分裂，繁殖方式：二裂式均等分裂，1 1代代/20/20minmin 分裂特点：均等分裂，无基因重组分裂特点：均等分裂，无基因重组二二 细菌染色体细菌染色体 P145 P145 表表6-16-1 1 1 结构结构: : 环状双链环状双链DNADNA，单倍性，以折叠或螺旋状态存在，单倍性，以折叠或螺旋状态存在 2 2 大小大小：长约：长约

3、250-35000250-35000 m(m(未螺旋未螺旋) ) 3 3 复制方式：复制方式： 复制复制 第二节第二节 大肠杆菌的突变型及筛选大肠杆菌的突变型及筛选一一 细菌作遗传研究材料的优点细菌作遗传研究材料的优点1 1 有许多营养缺陷型有许多营养缺陷型 , ,且易于选择和鉴定且易于选择和鉴定2 2 生活周期短生活周期短: : 繁殖快繁殖快, ,积累代谢物质多积累代谢物质多3 3 繁殖快繁殖快, ,数量大数量大, ,易发现和鉴定突变型易发现和鉴定突变型4 4 结构简单结构简单: : DNADNA裸露裸露, ,单倍性单倍性, ,利于基因精利于基因精 细结构和基因功能表达调控的研究细结构和基因

4、功能表达调控的研究二二 细菌的突变型细菌的突变型( (一一) )合成代谢功能的突变型合成代谢功能的突变型: :（营养缺陷型）（营养缺陷型） 基本培养基、补充培养基、完全培养基、选基本培养基、补充培养基、完全培养基、选择培养基择培养基( (二二) )分解代谢功能的突变型：分解代谢功能的突变型：( (三三) )抗药性突变型抗药性突变型: : 青霉素青霉素: : penpenr r, , penpens s 链霉素链霉素: : strstrr r, str, strs s Pen Penicillin icillin StrStreptomycineptomycin 抗性抗性: : r resist

5、ance esistance 敏感敏感: : s sensitive ensitive （四）抗噬菌体突变型四）抗噬菌体突变型 T T1 1噬菌体噬菌体 TonTonr r Ton Tons s T T2 2噬菌体噬菌体 TtoTtor r Tto Ttos s三三 突变型的筛选突变型的筛选例如：例如： 营养缺陷型的筛选营养缺陷型的筛选: : u.v u.v 野生型细菌野生型细菌 完全培养基：完全培养基： 影印培养影印培养基本培养基：基本培养基： 补充培养基补充培养基 ： 氨基酸类氨基酸类 维生素类维生素类 系列氨基酸系列氨基酸补充培养基：赖氨酸补充培养基：赖氨酸 脯氨酸脯氨酸 精氨酸精氨酸.

6、 .第三节第三节 大肠杆菌的性别大肠杆菌的性别一一 细菌的接合细菌的接合经典的杂交实验经典的杂交实验 19461946年年 Lederberg; Tatum Lederberg; Tatum 图图7-17-1 品系品系A A 品系品系B B基因型基因型: : metmet- -biobio- -thrthr+ +leuleu+ +thithi+ + metmet+ +biobio+ +thrthr- -leuleu- -thithi- - 基本培养基基本培养基: :无菌落无菌落 有有1010-7-7 无菌落无菌落2 2 出现野生型菌落的可能原因：出现野生型菌落的可能原因： 回复突变、转化、互养

7、、细菌间发生了基因重组回复突变、转化、互养、细菌间发生了基因重组3 3 转化、互养的排除转化、互养的排除U U 型管试验型管试验 无无 无无结论结论: : 1:1:野生型不是野生型不是转化转化( (DNase)DNase)或互养产生或互养产生的的 2: 2:直接接触对野生型的产生是必要的直接接触对野生型的产生是必要的证明：证明：细菌发生了基因重组细菌发生了基因重组 基本培养基基本培养基二二 E.coliE.coli性别的发现性别的发现1 1 Hayes Hayes 的实验的实验A: metA: met- -biobio- -thrthr+ +leuleu+ +thithi+ +strstrs

8、s 加链霉素加链霉素B:B: metmet+ +biobio+ +thrthr- -leuleu- -thithi- -strstrr r 基本培养基基本培养基+ +str:str:出现菌落出现菌落metmet- -biobio- -thrthr+ +leuleu+ +thithi+ + strstrr r 加链霉素加链霉素metmet+ +biobio+ +thrthr- -leuleu- -thithi- - strstrs s 无菌落无菌落 2 2 结果得出结论结果得出结论: : (1) (1) E.coliE.coli有相当于高等生物的性别有相当于高等生物的性别? ? (2) (2)

9、E.coliE.coli的遗传物质是由的遗传物质是由单向传递的单向传递的3 Hayes3 Hayes的解释的解释（1 1）细菌是有性别的细菌是有性别的, ,细菌的性别由性因子细菌的性别由性因子F F( (F Fertilityertility)()(质粒质粒) )决定的决定的: : F+ F+ , , F- F- （2 2）F F因子可以自发地丢失或者得到因子可以自发地丢失或者得到 F+ F+ - -+ + F- F- （3 3）杂交时雄性亲本必是杂交时雄性亲本必是F+F+, ,杂交后都转变成杂交后都转变成F+F+ A F+ A F+ B F- B F- A F+ A F+， B F+ B F

10、+F F因子因子/ /致育因子致育因子/ /F F质粒质粒/ /性因子性因子/ /附加体附加体质质 粒粒: : 指任何染色体以外的稳定遗传的遗传结构指任何染色体以外的稳定遗传的遗传结构附加体附加体: : 在细胞中或以游离状态或与染色体相结在细胞中或以游离状态或与染色体相结 合状态存在的可稳定遗传的遗传结构合状态存在的可稳定遗传的遗传结构 三三 因子与高频重组因子与高频重组1 1 F F因子的结构因子的结构F F因子因子/ /致育因子致育因子/ /F F质粒质粒/ /性因子性因子/ /附加体附加体1)1)原点原点：转移的起点：转移的起点2)2)致育基因致育基因：其上一些基：其上一些基因编码生成因

11、编码生成F F纤毛纤毛的蛋白的蛋白质，即质，即F F+ +细胞表面的管状细胞表面的管状结构。结构。F F纤毛与纤毛与F F- -细胞表细胞表面的受体相结合，在两面的受体相结合，在两个细胞间形成细胞质桥。个细胞间形成细胞质桥。还有大量和还有大量和F F因子转移有因子转移有关的基因关的基因3)3)配对区：配对区：与大肠杆菌基与大肠杆菌基因组同源的序列，是同因组同源的序列，是同源重组的必须的。通过源重组的必须的。通过同源重组使同源重组使F F因子整合到因子整合到大肠杆菌染色体上（大肠杆菌染色体上（DNADNA）2 2 F F因子的整合与解离因子的整合与解离 图图6-12 6-12 图图6-136-1

12、33 3 F F因子与高频重组菌株因子与高频重组菌株 ( (Hfr:High frequency recombination)Hfr:High frequency recombination)接合接合的概念的概念F F因子与因子与F F 因子因子3 3 F F因子状态与遗传物质转移特点因子状态与遗传物质转移特点因子状态因子状态 游离游离 整合整合菌株类型菌株类型 + + F F frfr - - 菌株性别菌株性别 杂交类型杂交类型 + +- - F F- - frfr- - - - - 传递特点传递特点 转移因子转移因子 不转移细菌不转移细菌 基因基因- - 转转 变成变成 F+F+不能不能进

13、行进行极少转移极少转移因子因子, ,大量转大量转移细菌基因移细菌基因转移转移F F因子因子还转移细菌个还转移细菌个别基因别基因, ,F-F-转转变成变成F F4 4 高频重组菌株高频重组菌株frfrHfrHfr的因子转移特点的因子转移特点: :(1)(1)F F整合后呈线状整合后呈线状(2)(2)转移起点转移起点0 0位于线状位于线状F F中间中间(3)(3)先转移先转移F F因子的一部分因子的一部分, , F F的后面部分最后转移的后面部分最后转移(4)(4)大量转移细菌基因大量转移细菌基因四四 细菌基因重组的特点细菌基因重组的特点 部分二倍体部分二倍体: :指完整基指完整基因组和部分基因组

14、的细因组和部分基因组的细胞胞( (半合子半合子) )P151P151 内基因子内基因子: :P151P151 外基因子外基因子: :P151P151 细菌基因重组的特点细菌基因重组的特点: : (1) (1) 细菌基因重组是在部细菌基因重组是在部分二倍体中进行分二倍体中进行 (2) (2) 只有只有偶数偶数交换才产生交换才产生有活性的重组体有活性的重组体 (3)(3)对应重组子不出现对应重组子不出现 Ab/aB(ABAb/aB(AB没有没有abab) ) 交换仍然是相互的，但是交换仍然是相互的，但是重组结果不是相互的重组结果不是相互的 第四节第四节 中断杂交与重组作图中断杂交与重组作图一一 中

15、断杂交实验作图中断杂交实验作图1 1 中断杂交实验中断杂交实验 HfrHfr thr+ leu+ azi thr+ leu+ azir r Ton Tonr r lac+ gal+ strlac+ gal+ strs s F F- - thrthr- - leu leu- - azi azis s ton tons s lac- gal- strlac- gal- strr r 8 9 11 18 8 9 11 18 完全培养基完全培养基+ +strstr 影印接种影印接种: : thr leu azi Ton thr leu azi Ton 表表6-7 6-7 HfrHfr的未选择性标记基因

16、进入的未选择性标记基因进入F-F-所需时间所需时间转入时间转入时间 出现在出现在F-F-中的频率中的频率（分钟）（分钟）8 8 thr+ thr+ ( (选择性标记选择性标记) )100%100%8.5 8.5 leu+ leu+ ( (选择性标记选择性标记) )100%100%9 9 aziazir r 90%90%11 11 tontonr r 70%70%18 18 laclac+ + 40% 40% 25 25 galgal+ + 25%25% 2 2 中断杂交实验作图原理中断杂交实验作图原理 A A）HfrHfr染色体上基因是从某一点（染色体上基因是从某一点（O O）开始开始, ,以

17、线以线性方式进入性方式进入- - B B）离原点愈近的基因进入离原点愈近的基因进入- -愈早愈早, ,出现在出现在- -中中的比例大的比例大, ,反之则小反之则小3 3 中断杂交作图中断杂交作图 在在HfrHfr F-F-杂交中杂交中, ,把接合中的细菌在不同时间点把接合中的细菌在不同时间点取样取样, ,搅拌中断杂交搅拌中断杂交, , 分析受体菌基因型分析受体菌基因型, ,以以HfrHfr基基因出现在因出现在- -中的先后为顺序即转移的时间中的先后为顺序即转移的时间( (分钟分钟) )为图距单位进行基因作图的方法为图距单位进行基因作图的方法. .4 4 作图作图 ( (原点原点) )thr l

18、eu azi Ton lac gal Fthr leu azi Ton lac gal F 0 8 8.5 9 11 18 25 min 0 8 8.5 9 11 18 25 min 5 5 E.coliE.coli的染色体呈环状的染色体呈环状P154P154表表6-4 6-4 几个几个HfrHfr菌株的基因转移顺序菌株的基因转移顺序菌菌 株株转转 移移 顺顺 序序HfrH HfrH Hfr1Hfr1Hfr2Hfr2Hfr3Hfr3 312 312 0 thr pro lac pur gal his gly thi 0 thr pro lac pur gal his gly thi 0 thr

19、 thi gly his gal pur lac pro 0 thr thi gly his gal pur lac pro 0 pro thr thi gly his gal pur lac 0 pro thr thi gly his gal pur lac 0 pur lac pro thr thi gly his gal 0 pur lac pro thr thi gly his gal 0 thi thr pro lac pur gal his gly 0 thi thr pro lac pur gal his gly1) 1) 不同的不同的HfrHfr品系转移的起始基因是不同的品系转

20、移的起始基因是不同的 说明说明：因子可以在不同的位点插入细菌染色体：因子可以在不同的位点插入细菌染色体2) 2) HfrHfr品系的基因只能以一个方向转移进入品系的基因只能以一个方向转移进入- - 说明说明：F F因子的行为是有极性的因子的行为是有极性的( (DNADNA滚环复制决定滚环复制决定) )3) 3) 基因间的相对位置不变基因间的相对位置不变 说明说明：不同品系细菌的基因顺序是相同的：不同品系细菌的基因顺序是相同的4) 4) 不同不同HfrHfr品系按先后顺序转移的基因相互重叠品系按先后顺序转移的基因相互重叠 说明说明：细菌的染色体是环状的：细菌的染色体是环状的 P153 P153

21、图图 6-9 6-9 thrthr lac lac hishis galgalpurpurthithipropro2 2glyglyHfrHHfrH3 33123121 1注意注意: :两基因转移时间两基因转移时间2 2分钟分钟, ,中断杂交法的图距中断杂交法的图距不够精确，应采用传统的不够精确，应采用传统的重组作图法重组作图法二二 重组作图重组作图 ( (难点难点) ) 部分二倍体部分二倍体: :指完整基指完整基因组和部分基因组的细因组和部分基因组的细胞胞( (半合子半合子) )P151P151 内基因子内基因子: :P151P151 外基因子外基因子: :P151P151 细菌基因重组的特

22、点细菌基因重组的特点: : (1) (1) 细菌基因重组是在部细菌基因重组是在部分二倍体中进行分二倍体中进行 (2) (2) 只有只有偶数偶数交换才产生交换才产生有存活的重组体有存活的重组体 (3)(3)对应重组子不出现对应重组子不出现 Ab/aB(ABAb/aB(AB没有没有abab)交交换仍然是相互的，但是换仍然是相互的，但是重组结果不是相互的重组结果不是相互的 二二 重组作图重组作图 ( (难点难点) ) 细菌的重组作图的前提细菌的重组作图的前提(1)(1) 两个基因紧密连锁两个基因紧密连锁 (2)(2) 两个基因进入受体菌的先后顺序两个基因进入受体菌的先后顺序例：例：已知已知lacla

23、c和和adeade紧密连锁紧密连锁, ,在在HfrXHfrX品系品系lac+lac+比比ade+ade+先进入先进入- -HfrX lac+ade+HfrX lac+ade+strstrs s F- lac-ade- F- lac-ade-strstrr r 选择培养基选择培养基 加加strstr且且laclac，无无adeade - - ade+strade+strr r ( (lac-lac-或或lac+lac+) )伊红美兰培养基伊红美兰培养基紫红色菌落紫红色菌落ade+ade+lac+lac+粉红色菌落粉红色菌落ade+ade+lac-lac-P155P155图图6-116-11 B:

24、 lac+ ade+ B: lac+ ade+ A:lac+ ade+A:lac+ ade+ C: lac- ade+C: lac- ade+ gF- lac+ ade+ F- lac+ ade+ 亲组合亲组合 52 52ggF- lac- ade+ F- lac- ade+ 重组合重组合 15 152 2 计算重组体计算重组体 重组值重组值= =重组菌落数重组菌落数/ /总菌落数总菌落数 100% 100% =( =(lac- ade+)/(lac+ ade+ )+(lac- lac- ade+)/(lac+ ade+ )+(lac- ade+)ade+)100% 100% = 15/(52

25、+15) = 15/(52+15) 100% 20% 100% 20% 已知中断杂交实验该两个基因相距已知中断杂交实验该两个基因相距1 1分钟分钟, , 重组作图与中断杂交作图的图距关系重组作图与中断杂交作图的图距关系: : 1 1分钟图距分钟图距 20% 20% 重组值重组值3 E.coli3 E.coli染色体全长染色体全长： 90 90分钟；含有：分钟；含有：4.24.210106 6bpbp 20 20 90 1800 cM 90 1800 cM第五节第五节 FF因子与性导因子与性导一一 FF因子与因子与FF菌株菌株 FF因子因子：指整合态的：指整合态的F F因子从因子从HfrHfr上

26、异常切割下来，上异常切割下来，携带了细菌个别基因的缺陷型携带了细菌个别基因的缺陷型F F因子，但是因子，但是FF因子仍因子仍然可自主复制。然可自主复制。FF菌株菌株：指带有：指带有FF因子的细菌。因子的细菌。二二 性导性导: : 指利用指利用因子将供体菌的基因导入受体菌形因子将供体菌的基因导入受体菌形成成部分二倍体部分二倍体的过程的过程 P156P156 A A F F B B F-F- A A F, F, B B F(F(部分二倍体部分二倍体) ) A A F+ F+ B B F-F- A A F+, F+, B B F+F+ ( (不导入供体菌基因不导入供体菌基因) ) A A Hfr H

27、fr B B F- F- A A Hfr Hfr，B B F-F- （很少成为很少成为Hfr,Hfr,导入大量供体菌基因）导入大量供体菌基因） 1 1 性导的特点性导的特点: :只能转移因子插入位点附近的基因只能转移因子插入位点附近的基因 2 2 性导在遗传分析中的应用性导在遗传分析中的应用： P156 4P156 4点点(1) (1) FF因子可自主复制因子可自主复制(2) (2) 形成部分二倍体可用作互补试验测定两突变的关系形成部分二倍体可用作互补试验测定两突变的关系(3) (3) 确定部分二倍体中两基因的显隐关系确定部分二倍体中两基因的显隐关系(4) (4) 利用两基因的利用两基因的“共

28、性导率作图共性导率作图”例子：例子：注意：注意：部分二倍体部分二倍体互补试验互补试验 显隐关系显隐关系共性导率共性导率作图作图 F F(b+c+)(b+c+)多多 F F(c+d+)(c+d+)少少第六节第六节 转化与转导作图转化与转导作图一一 细菌的转化与作图细菌的转化与作图（一）转化：（一）转化：指外源指外源DNADNA片段不经中间媒介体直接进片段不经中间媒介体直接进 入感受态细胞进行基因重组形成重组体的过程。入感受态细胞进行基因重组形成重组体的过程。 转化子：转化子：通过转化而形成的重组体通过转化而形成的重组体. .（二）转化作图（二）转化作图1.1 1.1 转化的条件和机制转化的条件和

29、机制: : 供体细菌供体细菌DNADNA片段、感受态细胞、受片段、感受态细胞、受体部位、蛋白参与；片段、进入、同化、复制与修复体部位、蛋白参与；片段、进入、同化、复制与修复1.2 1.2 转化基因间关系及其确定转化基因间关系及其确定( (共转化共转化)DNADNA低浓度正比关系低浓度正比关系 DNADNA浓度浓度下降比率下降比率A A转化率下转化率下降比率降比率B B转化率转化率下降比率下降比率A A与与B B共转化共转化率下降比率率下降比率A A与与B B关系关系1/21/21/21/21/21/21/21/2连锁连锁1/21/21/21/21/21/21/41/4不连锁不连锁2 2 转化基

30、因间重组值的计算转化基因间重组值的计算P158P158 转化子数转化子数( (重组体数重组体数) ) 亲组合数亲组合数+ +转化子数转化子数例例: :供体供体 trptrp2 2+ his+ his2 2+ tyr+ tyr1 1+ +ggtrptrp2 2- his- his2 2- tyr- tyr1 1- - P158 P158 表表6-56-5的重组值的重组值 trp trp2 2hishis2 2的重组值的重组值=34%=34% trp trp2 2tyrtyr1 1的重组值的重组值=40%=40% his his2 2tyrtyr1 1的重组值的重组值=13%=13% 根据重组值作

31、图：根据重组值作图： trp trp2 2 3434 his his2 2 13 tyr 13 tyr1 1重组值重组值= = = = (+ -)+(- +)(+ -)+(- +)(+ +)+(+ -)+(- +)(+ +)+(+ -)+(- +) 二二 转导与作图转导与作图沙门氏菌沙门氏菌（Salmonella typhimuriumSalmonella typhimurium）Lederberg,ZinderLederberg,ZinderLT22LT22 phe- trp- tyr- his+ phe- trp- tyr- his+ LT2 LT2 phe+ trp+ tyr+ his-

32、phe+ trp+ tyr+ his- 基本培养基基本培养基 野生型：野生型：phe+ trp+ tyr+ his+ phe+ trp+ tyr+ his+ 10e510e5 基本培养基基本培养基 有菌落有菌落结论结论: :有虑过性物质通过，后来证明就是有虑过性物质通过，后来证明就是噬菌体噬菌体P22P22如何证明如何证明? ? 三种方法三种方法二二 转导与作图转导与作图( (一一) )普遍性转导与作图普遍性转导与作图1 1 普遍性转导：普遍性转导： P P2222、P P1 1这类这类phagephage可以随机转移供体细菌可以随机转移供体细菌DNADNA，这种转导作用称为普遍性转导。这种转

33、导作用称为普遍性转导。(1)(1)普遍性转导的机制普遍性转导的机制 P159 P159 图图6-146-14(2)(2)普遍性转导特点普遍性转导特点: :随机携带供体菌的基因组随机携带供体菌的基因组DNADNA，3 3* *1010-5-52 2 普遍性转导作图普遍性转导作图 什么是共转导率？什么是共转导率？(1) (1) 作图原理作图原理: :两基因相距越近，被包装到一个噬菌体颗粒两基因相距越近，被包装到一个噬菌体颗粒的机会就越大，共转导率就越大。共转导率大相距近，的机会就越大，共转导率就越大。共转导率大相距近，反之则相距远反之则相距远(2(2）双因子转导作图）双因子转导作图 如：确定如：确

34、定abcabc三个基因在染色体上的顺序，分别测定三个基因在染色体上的顺序，分别测定a-ba-b、 a-ca-c、 b-c b-c 的共转导率；的共转导率；如果：如果：a-ba-b的共导率最大，的共导率最大，a-ca-c较大，而较大，而b-cb-c的最小，则顺序的最小，则顺序为：为：b a b a c c(3)(3)三因子转导作图三因子转导作图例：例：P1P1供体：供体： thr+ leu+ azithr+ leu+ azir r 受体：受体： thr- leu- azithr- leu- azis s 各种选择性培养基各种选择性培养基 转导子基因型转导子基因型 共转率共转率 P1+P1+供体菌

35、供体菌 受体受体 无无leuleu 加加azi azi thrthr 无无leuleu 无无thrthrthr+ leu+ thr+ leu+ 3%3%r r0%0%leu+ azileu+ azir r 50% 50%leu+ thr+ leu+ thr+ 2%2%(4)(4)中间位点法中间位点法 P1 P1 供体菌：供体菌：supC+ trpA+ pyrF+ supC+ trpA+ pyrF+ 受体菌：受体菌：supC- trpA- pyrF-supC- trpA- pyrF- 转导子转导子 （1 1）supC+ trpA+ pyrF+ 36supC+ trpA+ pyrF+ 36（双交换

36、）（双交换） （2 2）supC+ trpA+ pyrF- 114supC+ trpA+ pyrF- 114（双交换）双交换） （3 3）supC+ trpA- pyrF+ 0supC+ trpA- pyrF+ 0（四交换）四交换） （4 4）supC+ trpA- pyrF- 453supC+ trpA- pyrF- 453（双交换）双交换）基因顺序是基因顺序是: : supC trpA pyrFsupC trpA pyrF 如何用如何用共转导共转导率判断基因间的顺序？率判断基因间的顺序？supC trpA supC trpA （36+11436+114）/ /（36+114+45336+114+453）= 0.25= 0.25trpA pyrF 36/605 = 0.06trpA pyrF 36/605