细菌和噬菌体遗传

1、关于细菌与噬菌体的遗传第一张，PPT共七十九页，创作于2022年6月11.08.202211. 细菌的遗传分析细菌的一般特征大肠杆菌的突变型及筛选细菌的遗传重组第二张，PPT共七十九页，创作于2022年6月11.08.20222大肠杆菌（ E.coli ）遗传:E.coli 4.6Mb. 4288genes90% encode proteinInsertion sequences (IS) E.coli K12 DNA sequence，1997 1.1 细菌的一般特征(见微生物学教材)典型代表第三张，PPT共七十九页，创作于2022年6月11.08.202231.大肠杆菌的突变型及筛选1、大

2、肠杆菌的突变型E.coli突变类型合成代谢功能的突变型：如：甲硫氨酸缺陷型写作met- 其相应的野生型写作：met+ 抗性突变型：如：青霉素抗性菌株写作：penr 青霉素敏感性菌株写作：pens 分解代谢功能的突变型：如：乳糖突变型写作lac- 其相应的野生型写作：lac+ 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第四张，PPT共七十九页，创作于2022年6月11.08.202242、 突变型的筛选（）选择培养法：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(原生营养型)与营养缺陷型。（）显色（）抗生素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第五

3、张，PPT共七十九页，创作于2022年6月11.08.202253、 E.coli作遗传研究材料的优点（1） 有许多营养缺陷型 ,且易于选择和鉴定（2） 生活周期短: 繁殖快,积累代谢物质多；（3） 繁殖快,数量大,易发现和鉴定突变型； （4） 结构简单: DNA裸露,单倍性,利于基因精细结构和基因功能表达调控的研究第六张，PPT共七十九页，创作于2022年6月11.08.202261.3 细菌的遗传重组1、细菌的转化与作图2、细菌的接合与中断杂交作图3、F因子和性导4、转导第七张，PPT共七十九页，创作于2022年6月11.08.202271.3.1 细菌的转化与作图1.3.1.1 概念：转

4、化（trnansformation）：供体DNA片断不经过中间媒介直接被受体吸收并整合到受体染色体上的过程。细菌的转化：一个供体菌株的DNA片断被感受态受体菌株吸收并整合到受体染色体上的过程。第八张，PPT共七十九页，创作于2022年6月11.08.20228感受态细胞:转化子：由于转化导致基因重组而形成的各种类型的细菌细胞。第九张，PPT共七十九页，创作于2022年6月11.08.202291.3.1.2 转化与作图利用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比关系，基因间距离越近，发生共同转化的频率越高，反之越低。 因此可通过测定两基因共同转化的频

5、率来指示基因间的相对距离。第十张，PPT共七十九页，创作于2022年6月11.08.202210第一步：确定两个基因是否为连锁关系ABAB方法：观察外源DNA浓度降低时转化频率的变化在一定的范围内（较低的）转化频率和转化DNA的浓度成正比。DNA浓度下降比率A转化率下降比率B转化率下降比率A与B共转化率下降比率A与B关系1/101/101/101/10连锁1/101/101/101/100不连锁第十一张，PPT共七十九页，创作于2022年6月11.08.202211第二步 计算重组值例:已知枯草杆菌的三个基因连锁供体：typ2+ his2+ tyr1+受体：typ2- his2- tyr1-基

6、因 转化子类型typ2his2tyr1合计 + - - - + + + + + - + - - + + + + - - + -11940 3660 685 418 2600 107 1180问题：为什么没有- - -基因型？第十二张，PPT共七十九页，创作于2022年6月11.08.202212RF（typ2- his2）= 100%=34%RF（typ2- tyr1）=40%RF（his2- tyr1）=13%基因 转化子类型typ2his2tyr1合计 + - - - + + + + + - + - - + + + + - - + -11940 3660 685 418 2600 107

7、118013200+67853660+418+2600+107typ2tyr1his234cM13cM问题：4013+30？第十三张，PPT共七十九页，创作于2022年6月11.08.202213筛选 在发生了4次交换的时候两边的两个基因我们并没把交换的结果当重组型计算，而是当亲本计算了。typ2+tyr1+typ2-his2-tyr1-his2+typ2+his2-tyr1+第十四张，PPT共七十九页，创作于2022年6月11.08.2022141.3.2 细菌的接合 why? 营养互补？基因重组？(1)Lederberg and Tatum(1946年)的实验频率110-7 1.3.2.1

8、 接合现象的实验证据 第十五张，PPT共七十九页，创作于2022年6月11.08.202215（2）1950年，Davis U型管实验1:两菌株细胞的直接接触对野生型的产生是必要的;2:野生型不是营养互补产生的,而是细菌发生了基因重组结论第十六张，PPT共七十九页，创作于2022年6月11.08.2022161.3.2.2遗传物质的单方向传递证据-Hayes W.(1952 )的杂交实验 菌株A：met- thr+ leu+ thi+ ; 菌株B：met+ thr- leu- thi-，链霉素处理A或B，只是阻碍它们的分裂，但并不杀死它们。 1）菌株A 菌株B 野生型菌株2）链霉素处理的菌株A

9、 菌株B 野生型菌株3）链霉素处理的菌株B 菌株A无野生型菌株 频率相当1:E.coli有相当于高等生物的性别;2:其遗传物质是由(donor)(receptor)单向传递的.结论第十七张，PPT共七十九页，创作于2022年6月11.08.202217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。 第十八张，PPT共七十九页，创作于2022年6月11.08.2022181.3.2.3 F因子和高频重组F因子（F factor）： 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(fe

10、rtility factor, F因子; sex factor, 性因子)控制。携带F因子的菌株称供体菌或雄性，用 表示，没有F因子的菌株称为雌性，用 表示。 F+F- F因子的化学本质是dsDNA,可自主状态存在于细胞质中或整合到细菌的染色体上;可在细菌细胞间进行转移并传递遗传物质F-第十九张，PPT共七十九页，创作于2022年6月11.08.202219复制原点区（origin region ）：转移的起点，oriT和oriV配对区（pairing region）：该区域与细菌染色体上的多处序列相互配对。致育基因区（fertility gene region ）：使细菌具有侵染性。含有F因

11、子的菌株称为F+不含F因子的菌株称为F-第二十张，PPT共七十九页，创作于2022年6月11.08.2022201）接合管的形成：菌株靠近细胞膜融合两细胞间形成接合管2）F因子转移：F因子从原点断裂，以原点为先导，边复制边转移, 复制后的F因子转移到另一个细胞中。细胞分开，使F-变成F+。 在此过程程中，F因子以高频率从F+菌向F-菌转移, 而染色体基 因的转移则很少发生，重组频率大约只有10-6，因此，F+菌称为 低频重组（low frequency recombination，Lfr）。 细菌的接合第二十一张，PPT共七十九页，创作于2022年6月11.08.202221第二十二张，PPT

12、共七十九页，创作于2022年6月11.08.202222F+菌株中一个新的菌株，它在和F-菌株杂交时，出现重组子的频率很高，比F+F-杂交所出现的重组子的频率高1000倍，该菌株被称作高频重组菌株，简称为Hfr菌株。 HfrF-重组子的频率很高，但F-细菌很少有转变为F+细菌的。 Hfr菌株第二十三张，PPT共七十九页，创作于2022年6月11.08.202223通过交换F因子整合到细菌染色体上形成Hfr菌株，由于Hfr仍包含F因子，因此具有侵染能力。Hfr菌株的形成第二十四张，PPT共七十九页，创作于2022年6月11.08.202224Hfr的因子转移特点:（1）F因子整合后呈线状；（2）

13、转移起点位于中间；先转移F因子 部分, F因子的致育基因最后转移。（3）转移往往会自发断裂，形成部分二 倍体。第二十五张，PPT共七十九页，创作于2022年6月11.08.202225外基因子（exogenote）内基因子（endogenote）部分二倍体（partial diploid）A Bab第二十六张，PPT共七十九页，创作于2022年6月11.08.2022261.3.2.用中断杂交技术作连锁图 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，叫中断杂交技术（interrupted mating）。 Wollman和Jacob在五十年代设计了中断杂交试验，以证明接合时遗传物质从

14、供体细胞的转移是直线式进行的。第二十七张，PPT共七十九页，创作于2022年6月11.08.202227(1) 中断杂交实验作图原理： Hfr染色体上的基因是从某一点（原点：O）开始，以线性方式进入-的；离原点愈近的基因进入-愈早,出现在-中 的比例愈大,反之,则愈小；第二十八张，PPT共七十九页，创作于2022年6月11.08.202228（2）实验过程：两种菌混合培养，计时t=0每隔一定时间搅拌菌液，打断结合管以中断杂交。稀释菌液，测试其基因型，以便确定每个基因转移到F-细胞的时间。例如：1内出现受体A基因，则说明A近原点；2内出现AB基因，则B在A之后，；3内出现了ABC基因，则C在AB

15、之后，。单位：时间单位（分钟） ，即：按时间来定位，标出不同基因位于原点的先后位置， 来定位基因。 第二十九张，PPT共七十九页，创作于2022年6月11.08.202229(3) 第三十张，PPT共七十九页，创作于2022年6月11.08.202230第三十一张，PPT共七十九页，创作于2022年6月11.08.202231第三十二张，PPT共七十九页，创作于2022年6月11.08.2022321.3.1.5 细菌接合的重组作图1.3.2.3中断杂交实验乳糖选择基本培养基第三十三张，PPT共七十九页，创作于2022年6月11.08.202233注：用后进入的基因作为选择标记，才能保证所有基

16、因进入受体细胞。重组值和时间单位的换算： 1min20图距单位20cM第三十四张，PPT共七十九页，创作于2022年6月11.08.202234 在Hfr菌与F+菌的互相转变过程中，偶尔会出现不规则分离的现象，使F因子携带有一段相邻的细菌染色体，这种带有插入细菌基因的环状F因子称为F因子(F-prime factor)。带有F因子的菌能像F+菌一样把F因子转移给F-菌，转移F因子的能力很强，同时也能转移细菌基因。 利用F因子将供体菌的基因导入受体形成部分二倍体的过程，叫做性导（sexduction）1.3.3F因子和性导（sexduction）第三十五张，PPT共七十九页，创作于2022年6月

17、11.08.202235注意：经过性导形成的部分二倍体和Hfr形成的部分二倍体一样吗？性导第三十六张，PPT共七十九页，创作于2022年6月11.08.202236 F因子携带的细菌染色体长度是不同的； F因子携带全部的F因子基因； F因子具有侵染性。F因子的特征：第三十七张，PPT共七十九页，创作于2022年6月11.08.202237细菌基因重组的特点:(1)细菌基因重组是在部分二倍体中进行; (2)只有偶数交换才产生有活性的重组子; (3)不出现相反的重组子.小结 第三十八张，PPT共七十九页，创作于2022年6月11.08.2022381、以大肠杆菌为例， F因子三种不同的存在状态：

18、F因子 F因子 Hfr2、带有自由状态的F因子的菌株-F+菌株 不带F因子的菌株-F-菌株 F因子整合到染色体上的-Hfr菌株 含F因子的菌株- F菌株3、四种菌株之间的相互侵染及转变关系。小结 第三十九张，PPT共七十九页，创作于2022年6月11.08.202239Lederberg和N.zinder等1956年在对伤寒沙门氏菌的研究中发现了转导现象。A: phe- trp- tyr- his B: phe trp tyr his- 1.3. 转导（Transduction） 混合培养出现约10-5的野生型菌株，说明有遗传重 组。U形管实验第四十张，PPT共七十九页，创作于2022年6月1

19、1.08.202240U形管实验LT-2LT-22第四十一张，PPT共七十九页，创作于2022年6月11.08.202241LT22 是携带p22的溶源性细菌，LT2是对p22敏感的非溶源性细菌。LT22突变型释放p22到培养液中穿过隔膜侵染LT2LT2裂解，释放p22及转导噬菌体穿膜侵染LT22，发生基因重组LT22原养型第四十二张，PPT共七十九页，创作于2022年6月11.08.202242转导（Transduction）： 以噬菌体为媒介，将细菌的小片段染色体或基因从一个细菌转移到另一细菌的过程。 分类 :普遍性转导（Generalized transduction）特异性转导（Spe

20、cialized transduction） 具有转导功能的噬菌体称为转导噬菌体。第四十三张，PPT共七十九页，创作于2022年6月11.08.2022431.3.1 普遍性转导与作图普遍性转导： 供体基因组中所有基因具有同等机会被转导形成部分二倍体，经交换和重组后形成不同的转导子，这种转导称为普遍性转导。机理：第四十四张，PPT共七十九页，创作于2022年6月11.08.202244普遍性转导的过程：第四十五张，PPT共七十九页，创作于2022年6月11.08.202245普遍性转导的特点：（1）频率很低； 一般只有0.3%的噬菌体是转导噬菌体。 （2）如果细菌的两个基因距离较大，大于噬菌体

21、的染色体长度，一般就不能同时被转导。（3）如果细菌的两个基因被同时转导说明两个基因紧密连锁，这称为共转导或并发转导（cotransduction）。共转导频率越高说明两个基因的距离越近，连锁越紧密；反之，说明两个基因离得越远。细菌的基因作图。第四十六张，PPT共七十九页，创作于2022年6月11.08.202246普遍性转导的应用：第四十七张，PPT共七十九页，创作于2022年6月11.08.202247第四十八张，PPT共七十九页，创作于2022年6月11.08.202248共转导频率和图距的关系公式: d(图距)=L(1-x) L-转导DNA的平均长度 X-两个基因的共转导频率3第四十九张

22、，PPT共七十九页，创作于2022年6月11.08.2022491.3.2局限性转导局限性转导： 一些温和性噬菌体只能转移供体染色体上原噬菌体整合位置附近的特定基因，这种转导称为局限性转导，又称特异性转导 。 噬菌体特异的转导gal+和bio+ 基因。例：温和性噬菌体，它可以自主状态存在，也可以整合到大肠杆菌K12染色体上的特定位点attB，形成原噬菌体。第五十张，PPT共七十九页，创作于2022年6月11.08.202250a）溶源性细菌的产生b）原初裂解物的产生 原噬菌体不正常环出离开细菌染色体时带走整合位点附近的基因gal，但是丢掉自己的部分基因，成为一个有缺陷的噬菌体，记作：dgal+

23、或dbio+，但是仍具有侵染力，所有可以将bio或gal基因转导。噬菌体的转导机制第五十一张，PPT共七十九页，创作于2022年6月11.08.202251C）dgal+与已整合的野生型通过单交换进行同源重组而形成/dgal+，其裂解物中，具有等量大量的和dgal+，感染gal-受体菌时，转导子gal+出现的频率非常高，故称为高频转导（ HFT）。双重溶源菌high frequency transduction双重溶源菌 第五十二张，PPT共七十九页，创作于2022年6月11.08.2022522 噬菌体遗传分析 2.1 噬菌体的生物学特性 第五十三张，PPT共七十九页，创作于2022年6月1

24、1.08.202253（2）温和噬菌体-感染细菌后，一般不出现溶菌现象的噬菌体，被称为温和噬菌体，又称溶源性细菌。 （1）烈性噬菌体-使宿主菌发生裂解的噬菌体 二者第五十四张，PPT共七十九页，创作于2022年6月11.08.202254（1）烈性噬菌体的繁殖遗传学上应用较广泛的是大肠杆菌的T噬菌体。2. 噬菌体的繁殖第五十五张，PPT共七十九页，创作于2022年6月11.08.202255（2）温和性噬菌体的繁殖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。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

25、合的噬菌体称为原噬菌体。 含有原噬菌体的细菌称为溶源性细菌，对同种噬菌体不敏感，具有免疫性。温和性噬菌体的繁殖方式：和烈性噬菌体一样第五十六张，PPT共七十九页，创作于2022年6月11.08.202256.第五十七张，PPT共七十九页，创作于2022年6月11.08.202257第五十八张，PPT共七十九页，创作于2022年6月11.08.202258透明/小半透明/大透明/大半透明/小第五十九张，PPT共七十九页，创作于2022年6月11.08.202259大第六十张，PPT共七十九页，创作于2022年6月11.08.202260第六十一张，PPT共七十九页，创作于2022年6月11.08

26、.202261第六十二张，PPT共七十九页，创作于2022年6月11.08.2022621、噬菌体遗传的几个特征（1）从单个混合感染的细菌中可以得到亲本和重组噬菌体.4噬菌体的基因重组与作图两个不同的噬菌体共同感染一个细菌复制后发生重组裂解释放亲本和重组噬菌体A+B-、A-B+、A+B+、A-B-A+ B-A- B+A+ B+A- B-第六十三张，PPT共七十九页，创作于2022年6月11.08.202263（2）三亲本重组体的出现 三个不同的突变型噬菌体共同感染一个细菌，重组可以多次在三个噬菌体间发生。（3）重组体比例随宿主细胞破裂时间而改变E. Colix+y+z-x+y-z+x-y+z+

27、X-y-z-第六十四张，PPT共七十九页，创作于2022年6月11.08.2022642、噬菌体的突变型（1）快速溶菌突变型 裂解细菌细胞速度快，能形成大的四周清晰的噬菌斑的突变型。野生型 r+ 噬菌斑小、中心清晰、四周模糊突变型 r 噬菌斑大、四周清晰（2）寄主范围突变型 能侵入并裂解原来具有抗性的细菌细胞的突变。野生型 h+ 能侵染E.Coli菌株B，不能侵染B/2菌株 用h+侵染B和B/2的混合菌，形成半透明噬菌斑突变型 h 能侵染E.Coli菌株B，也能侵染B/2菌株 用h+侵染B和B/2的混合菌，形成透明噬菌斑第六十五张，PPT共七十九页，创作于2022年6月11.08.202265

28、(1)用两个不同的T2噬菌体共同侵染E. coli B菌株基因型h+r （半透明，大噬菌斑）基因型hr+ （透明，小噬菌斑）（2）把释放出的子代噬菌体接种在培养有B和B/2的培养基上，可以看到四种不同的噬菌斑，统计不同的噬菌斑的数量。3、hr基因的重组第六十六张，PPT共七十九页，创作于2022年6月11.08.202266（3）计算重组值 RF（h-r ）= 100% 重组型噬菌斑数量总噬菌斑数量三个基因间的三点测交自学(hr) +(h+r+ )第六十七张，PPT共七十九页，创作于2022年6月11.08.2022671、噬菌体的条件致死突变型概念：条件致死突变(conditional le

29、thal mutations) 噬菌体大部分基因的功能是复制和产生子代噬菌体所必需的，这些基因的突变是致死的，不能形成噬菌斑，其中有些致死突变在限制条件下是致死的，而在许可条件下可形成噬菌斑，这种突变称为条件致死突变。 .5噬菌体基因的精细作图第六十八张，PPT共七十九页，创作于2022年6月11.08.202268表 野生型与几种突变型的区别 表现型 不同大肠杆菌平板上噬菌斑表型 B K() 野生型小噬菌斑小噬菌斑 rI 大噬菌斑小噬菌斑 rII 大噬菌斑无噬菌斑（致死）rIII大噬菌斑 小噬菌斑Benzer实验所用的T4的r突变就是一个条件致死突变型。第六十九张，PPT共七十九页，创作于2

30、022年6月11.08.2022692 Benzer的重组实验与精细作图： Benzer最初得到8个rII独立的突变型，将8种突变型两两组合感染E. coli B菌株（双重感染），从混合培养物中提取噬菌体颗粒感染E. coli K()菌株。 实验结果： E. coli K()上出现野生型噬菌斑。第七十张，PPT共七十九页，创作于2022年6月11.08.202270RF= 100%= 100%2r+噬菌斑数2K12（）上的噬菌斑数总噬菌斑数B上的噬菌斑数K12（）B第七十一张，PPT共七十九页，创作于2022年6月11.08.202271根据以上实验就可以构建多个rII突变型的线性图谱 。 由于噬菌体在大肠杆菌上的选择技术可以很精确，所以即使很低的重组频率都可以被检测到，可以检测到最低的的重组频率是0.02%（有的版本是0.01%），也就是说可以观察到的T4噬菌体的最小的