细菌与病毒的遗传选修学习教案

1、会计学1细菌细菌(xjn)与病毒的遗传选修与病毒的遗传选修第一页，共59页。第一节 细菌和病毒遗传研究 的意义 遗传学研究从细胞水平推进(tujn)到分子水平，是由于两大发展：（1）对基因的化学和物理结构 的了解日益深入（2）研究材料采用了新的生物 类型-细菌和病毒第2页/共59页第二页，共59页。一、细菌所有细菌都是比较小的单细胞，大约12m长，0.5m宽 大肠杆菌(E.coli)在细菌遗传学研究中应用十分广泛 ,其染色体为一条环状的裸露(lul)DNA分子。其细胞里通常还具有一个或多个小的染色体-质粒 第3页/共59页第三页，共59页。研究细菌遗传的方法研究细菌遗传的方法(fngf)-(f

2、ngf)-平板培平板培养养第4页/共59页第四页，共59页。细菌菌落的表现型：原养型（野生型） 形态性状：菌落形状、颜色突变型 大小 生理(shngl)特性 营养缺陷型 抗性-抗药或抗感染 为了测定所发生的突变， Lederberg设计了影印培养法 第5页/共59页第五页，共59页。细菌细菌(xjn)(xjn)的影印培养法的影印培养法第6页/共59页第六页，共59页。二、病毒病毒没有细胞结构，既不属于原核生物，也不属于真核生物。 病毒结构十分简单，仅含DNA或RNA和一个蛋白质外壳，没有合成蛋白质外壳所必须的核糖体。所以，病毒必须感染活细胞，改变和利用活细胞的代谢合成机器，才能合成新的病毒后代

3、(hudi)。感染细菌的病毒叫噬菌体，是目前了解比较清楚的病毒，有：单链DNA、单链RNA、双链DNA和双链RNA等四种类型。 第7页/共59页第七页，共59页。三、细菌和病毒(bngd)在遗传研究中 的优越性 (1)世代周期短。大肠杆菌每20分钟可繁殖 一代，病毒(bngd)每小时可繁殖数百个后代(2)易于管理和进行化学分析(3)便于研究基因的突变 (4)便于研究基因的作用 (5)便于基因重组的研究 (6)便于用作研究基因结构、功能及调控机 制的材料(7)便于进行遗传操作 第8页/共59页第八页，共59页。第二节 噬菌体的遗传分析 一、噬菌体的结构(jigu) 遗传学上应用最广泛的是大肠杆菌

4、的T噬菌体系列(T1到T7)。其结构(jigu)大同小异，呈蝌蚪状。T偶列噬菌体结构(jigu)如下图 第9页/共59页第九页，共59页。1、烈性(lixng)噬菌体 第10页/共59页第十页，共59页。2、温和性噬菌体温和性噬菌体具有溶源性的生活周期(zhuq)，即在噬菌体侵入后，细菌并不裂解，以两种形式出现，如和P1第11页/共59页第十一页，共59页。二、T2噬菌体的基因重组与作图 噬菌斑形态 正常r+:小、边缘模糊噬菌体 突变r-:大、边缘清楚性状 宿主范围：感染和裂 正常h+:B株 解的菌株 突变h-:B株 不同(b tn) 或B/2株由于h和h+均能感染B株，用T2的两亲本hr+和

5、h+r同时感染B株，称为双重感染 第12页/共59页第十二页，共59页。 h-r+ h+r- B株 h-r+ h+r- h-r- h+r+ 接种在同时长有B株及B/2株的培养基上 亲型噬菌斑 h-r+：透明(tumng)、小 h+r-：半透明(tumng)、大重组型噬菌斑 h-r-：透明(tumng)、大 h+r+：半透明(tumng)、小第13页/共59页第十三页，共59页。 重组(zhn z)型噬菌斑 重组(zhn z)值= 100% 总噬菌斑 h-r- + h+r+ = 100% h-r+ + h+r- + h-r- + h+r+ rah+ r+h 24% rbh+ r+h 12.3%

6、rch+r+h 1.6% 第14页/共59页第十四页，共59页。表72 四种(s zhn)噬菌斑数及重组值杂 交 组杂 交 组合合每每 种种 基基 因因 型型 的的%重重 组组 值值rh+r+hr+h+rhrah+ r+hrbh+ r+hrch+r+h34.032.039.042.056.059.012.05.90.712.06.40.924%12.3%1.6%第15页/共59页第十五页，共59页。分别(fnbi)作出ra、rb、rc与h的连锁图 ra 24 h rb 12.3 h rc 1.6 h ra rb rc h ra rb h rc ra rc h rb ra h rc rb 第16

7、页/共59页第十六页，共59页。为了确定基因(jyn)排列顺序，可先只考虑rb、rc及h来确定是rchrb还是hrcrb。为此作： rb+rc- rb-rc+ 重组值约14% 可知h应位于rb及rc之间，又因为T2噬菌体的连锁图是环状的 第17页/共59页第十七页，共59页。三、噬菌体的基因重组与作图 sco1mi+ 相当于前面介绍的三点(sn din)测验 （自学） 第18页/共59页第十八页，共59页。第三节 细菌的遗传分析 一个细菌DNA与另一个细菌DNA的交换重组可以通过四种方式实现(shxin) 转化、接合、性导、转导一、转化 转化：某些细菌(或其他生物)通过其细胞膜摄取周围供体的染

8、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 第19页/共59页第十九页，共59页。转化首先是Griffith(1928)在肺炎双球菌中发现的 杀死S片段 R S Avery(1944)等研究证实，转化因子是DNA。这个极其重要的发现，不仅证实遗传物质是DNA，而且(r qi)表明转化是细菌交换基因的方式之一。 第20页/共59页第二十页，共59页。1、供体DNA与受体细胞间的接触 与互作 影响因素包括：(1)转化片段大小:肺炎双球菌的成功转 化，转化DNA片段至少要有800bp， 枯草杆菌最少需要16000bp(2)转化片段形态:转化片段必须是双链(3)转化片段浓度(nng

9、d)：每个细胞摄取的DNA 分子数不超过10个 (4)受体细胞生理状态；感受态第21页/共59页第二十一页，共59页。2、转化DNA的摄取和整合 (1)结合与穿入(chun r) (2)联会 (3)整合，整合或DNA重组对同源DNA具 有特异性 第22页/共59页第二十二页，共59页。3、转化和基因重组作图 当两个基因紧密(jnm)连锁时，它们就有较多的机会包括在同一个DNA片段中，并同时整合到受体染色体中。因此，紧密(jnm)连锁的基因可以通过转化进行作图。如： trp2+ his2+ tyr1+trp2 his2 tyr1 重组型数Trp2-his2重组值 = 100% 亲型数+重组型数第

10、23页/共59页第二十三页，共59页。Trp2-his2 0.34 Trp2-tyr1 0.40 His2-tyr1 0.13 trp2 his2 tyr1 34 13 40 第24页/共59页第二十四页，共59页。二、接合 接合：在原核生物中，是指遗传物质从供体-“雄性”转移到受体-“雌性”的过程1946年，Lederberg和Tatum发现E.coli细胞之间通过(tnggu)接合可以交换遗传物质。他们选择了两个不同营养缺陷型的E.coli菌株第25页/共59页第二十五页，共59页。图图 710 黎德伯格和塔特姆的接合黎德伯格和塔特姆的接合(杂交杂交)试验试验 证明大肠杆菌发生证明大肠杆菌

11、发生(fshng)遗传重组遗传重组 第26页/共59页第二十六页，共59页。发现长出了一些原养型的菌落(jnlu)。这种原养型细胞的出现是由于转化还是由于细胞与细胞直接接触而发生的遗传物质交换和重组？为了解答这个问题，Davis(1950)设计了U型管实验第27页/共59页第二十七页，共59页。在任何一臂内都没有出现原养型细菌。这说明两个菌株间的直接接触-接合，是原养型细胞(xbo)出现的必要条件。Hayes（1952)试验证明，在接合过程中遗传物质的交换是一种单向的转移： 供体（雄性） 受体（雌性） 第28页/共59页第二十八页，共59页。1、F因子及F+/Hfr向F的转移Hayes和Cav

12、alli-Sforza（1953)发现(fxin)，供体有一个性因子即致育因子-F因子，由DNA组成，是染色体外的遗传物质。其组成： 第29页/共59页第二十九页，共59页。E.coliF因子(ynz)存在状态有三种类型：没有F因子(ynz)，即F游离状态的F因子(ynz)，即F+整合的F因子(ynz)，即Hfr 第30页/共59页第三十页，共59页。F+F+F-F- F+ F+ F+ F+ F- F+ F- F+ 这种这种F F因子的因子的传递与细菌染传递与细菌染色体无关。但色体无关。但是是F F因子偶然因子偶然地地(10000(10000个个F+F+细胞细胞(xbo)(xbo)中有一个中有

13、一个) )能能整合到细菌染整合到细菌染色体中去，就色体中去，就可能引起染色可能引起染色体的转移体的转移 5第31页/共59页第三十一页，共59页。图图 713 两个两个(lin )E.Coli 细胞杂交的电子显细胞杂交的电子显微镜照片微镜照片(X 34,300) 性伞毛性伞毛/ /接合管接合管 第32页/共59页第三十二页，共59页。 Hfr HfrF-F- Hfr Hfr Hfr Hfr F- F- F- F- 接合开始，接合开始，F F因因子子(ynz)(ynz)仅有仅有一部分进入一部分进入FF细胞，剩下部细胞，剩下部分基因只有等分基因只有等到细菌染色体到细菌染色体全部进入到全部进入到FF

14、细胞之后才能细胞之后才能进入，然而转进入，然而转移过程常常中移过程常常中断断 5第33页/共59页第三十三页，共59页。受体细胞常常(chngchng)只接受部分的供体染色体，这些染色体称为供体外基因子，而受体的完整染色体则称为受体内基因子，这样的细菌称为部分二倍体或部分合子、半合子第34页/共59页第三十四页，共59页。2、中断杂交试验及染色体连锁(lin su) 图 为了证明接合时遗传物质从供体到受体细胞的转移是直线式进行的，Jacob和Wollman在五十年代设计了一个著名的中断杂交试验 第35页/共59页第三十五页，共59页。 Hfr:thrHfr:thr+ +leuleu+ +lac

15、lac+ +galgal+ +aziazis stontons sstrstrs sF- : thr: thr- -leuleu- -laclac- -galgal- -aziaziR RtontonR RstrstrR R 每隔一定时间取样，放在食物搅拌器内搅拌每隔一定时间取样，放在食物搅拌器内搅拌 培养在含培养在含strstr的完全培养基上，的完全培养基上， HfrHfr被杀死被杀死 用影印培养法测试形成的用影印培养法测试形成的F-菌落的基因型，菌落的基因型，确定每个基因转入确定每个基因转入F-的顺序（时间）的顺序（时间） 根据基因转入根据基因转入F-的时间，进行细菌染色体作图的时间，进行

16、细菌染色体作图 第36页/共59页第三十六页，共59页。图图717 中断杂交后，重组中断杂交后，重组(zhn z)体中体中Hfr遗传性遗传性状出现的频率状出现的频率 第37页/共59页第三十七页，共59页。 thr leu azi ton lac ga FO 8 8.5 9 11 18 25根据中断杂交实验作出的大肠杆菌连锁图 用不同的Hfr菌株进行中断杂交实验，基因转移(zhuny)的原点(O)和转移(zhuny)的方向不同，说明F因子和细菌染色体都是环状的 第38页/共59页第三十八页，共59页。HfrHfr的的类型类型基基 因因 转转 移移 顺顺 序序HfrH123AB3120 thr

17、pro lac pur gal his gly thi0 thr thi gly his gal pur lac pro0 pro thr thi gly his gal pur lac0 pur lac pro thr thi gly his gal0 thi thr pro lac pur gal his gly 表表 7 75 5 用中断杂交法确定用中断杂交法确定(qudng)(qudng)的几个的几个HfrHfr菌株的菌株的基因顺序基因顺序第39页/共59页第三十九页，共59页。如果两个基因间的转移时间小于如果两个基因间的转移时间小于2 2分钟，用中断杂交法所得的图距不太可靠，应采用传

18、统的重组分钟，用中断杂交法所得的图距不太可靠，应采用传统的重组(zhn z)(zhn z)作图法。作图法。 lac+ade+ lac+ade+ 基本培养基基本培养基 lac+ ade lac+ ade lacade lac-ade+ lacade lac-ade+ 完全培养基完全培养基- ade - ade lac-ade+ lac-ade+ 重组重组(zhn z)(zhn z)频率频率= = 100% = 22%100% = 22% lac+ade+ + lac-ade+ lac+ade+ + lac-ade+这两个位点间的时间单位约为这两个位点间的时间单位约为1 1分钟分钟 20% 20%

19、重组重组(zhn z)(zhn z)值值 第40页/共59页第四十页，共59页。三、性导 性导：指接合时由F因子(ynz)所携带的外源DNA转移到细菌染色体的过程 F因子(ynz)整合到宿主细菌染色体的过程是可逆的，当发生环出时偶然不够准确，携带有染色体的一些基因，称这种F因子(ynz)为F因子(ynz) 第41页/共59页第四十一页，共59页。 F因子特点（1）以极高的比率转移它的基因（2）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 性导作用（1）确定等位基因的显隐性关系（2）利用并发性导进行细菌染色体作图（3）性导形成的部分二倍体也可用作互 补测验(cy

20、n)，确定两个突变型是同属于 一个基因还是不同基因 第42页/共59页第四十二页，共59页。四、转导 转导：指以噬菌体为媒介所进行的细菌遗传物质重组的过程 Lederberg和Zinder（1951)首先在鼠伤寒沙门氏菌(sh mn sh jn)中发现转导现象 phetrptryr methis 在基本培养基上发现原养型的菌落 可能性：（1）接合 （2）转化 （3） ？第43页/共59页第四十三页，共59页。 U型管试验 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 防止细胞直接接触，但允许比细菌小 的物质通过，获得了野生型重组体， 说明不是接合 这种重组是通过一种过滤

21、性因子(FA) 而实现的。FA不受DNA酶的影响，说明 不是转化 进一步研究证明(zhngmng)，FA是一种噬菌体， 称为P22（用抗P22血清处理后失活） 第44页/共59页第四十四页，共59页。转导分为普遍性转导和特殊性转导1、普遍性转导可以转导细菌染色体组的任何不同(b tn)部分 转导(zhun do)颗粒第45页/共59页第四十五页，共59页。两个基因同在一起转导就是合转导 或叫并发转导合转导的频率愈高，表明两个基因 在染色体上的距离愈近，连锁愈密 切；相反，如果两个基因的合转导 频率很低，就说明(shumng)它们之间距离较 远因此，测定两基因的合转导频率就 可以确定基因之间的次

22、序和距离第46页/共59页第四十六页，共59页。（1）两因子转导：通过观察两个基因的转导，计算并比较每两个基因之间的合转导频率，就可以确定三个或三个以上基因在染色体上的排列(pili)顺序例如：a基因和b基因的合转导频率很高，a和c基因的合转导频率也很高，而b和c很少或完全不在一起转导，这三个基因的次序就应为：bac第47页/共59页第四十七页，共59页。（2）三因子转导：只需分析一个实验的结果就可以推出三个基因的次序例如：供体大肠杆菌具有基因型a+b+c+，受体的基因型为abc。最少的一类转导体应代表最难于转导的情况，这种转导体是同时发生交换次数(csh)最多的一类。这种转导体的两边应为供体

23、基因，而中间为受体基因，如正确次序为abc，就应为a+bc+。假定由实验得到的最少的转导体类别为a+b+c，那么就可以确定，这三个基因的正确次序应当是acb或bca。 第48页/共59页第四十八页，共59页。图723 转导颗粒与受体染色体之间，通过四交换形成转导体(dot)，这种转导体(dot)的频率最低 第49页/共59页第四十九页，共59页。如果把三个基因中每两个基因的合转导频率算出来，还可根据这一频率推算出三个基因之间的物理(wl)距离： d =L(1- 3 X ) d=同一染色体上两基因之间的物理(wl)距离L=转导DNA的平均长度 X=两个基因合转导的频率 第50页/共59页第五十页

24、，共59页。 P P1 1侵染带侵染带leuleu+ + thrthr+ +aziaziR R E.coliE.coli 用转导颗粒用转导颗粒P P1 1再侵染带再侵染带leuleu- - thrthr- - aziazis s E.coliE.coli 将受体细菌特定培养：培养在一种可选择将受体细菌特定培养：培养在一种可选择1-2个个标记基因而不选择其余标记基因的培养基上标记基因而不选择其余标记基因的培养基上 例如：例如：0 0azi+thrazi+thr培养基培养基，leuleu为标记基因为标记基因因为：只有因为：只有leuleu+ +才生长，才生长，leuleu- -不生长不生长 thrthr可能为可能为thrthr+ +/thr/thr- - azi azi可能为可能为aziaziR R/azi/aziS S 第51页/共59页第五十一页，共59页。 表表7-7 7-7 用用P1P1噬菌体普遍性转导测定大肠噬菌体普遍性转导测定大肠杆菌基因间的连锁关系杆菌基因间的连锁关