第7章-细菌与病毒的遗传课件

第7章细菌和病毒的遗传

Chapter9HeredityofBacteriumandVirus第一节细菌和病毒遗传研究方法及意义第二节细菌的遗传分析第三节噬菌体的遗传分析1第一节细菌和病毒遗传研究的意义一、细菌的生物学特征二、病毒的生物学特征三、细菌和病毒在遗传研究中的优越性四、细菌和病毒的拟有性过程2一、细菌的生物学特征3㈠、生长特点细菌是单细胞生物细胞结构包括细胞壁、细胞膜、细胞质和核区部分细菌还有某些特殊结构，如鞭毛、伞毛、荚膜、芽胞、气泡等生活周期短，易培养；易获得其生化突变型；大小不一，形态各异。常见细菌的形状有杆状、球状和螺旋状，其中以杆状最常见。4㈡、遗传特点细菌DNA是一个很长的共价闭合环状双链分子（dsDNA），通常以超螺线体的形式存在于细菌体内。5质粒细菌体内含有的一种染色体外小型环状DNA。质粒能独立于染色体存在和复制，还能在细胞间传递。附加体有些质粒能整合到细菌染色体中，在染色体的控制下随染色体一起复制，这类质粒称为附加体（episome）。6㈢、细菌遗传的实验研究方法细胞计数(培养物细胞浓度)建立纯系的方法选择培养法鉴定突变型与重组型突变型与重组型的批量筛选方法71、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82、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”93、选择培养法鉴定突变型与重组型许多细菌突变都与培养基成分、培养条件有关营养缺陷型的筛选、鉴定：选择培养法是根据原养型(也称为原生营养型)与营养缺陷型在基本培养基和营养培养基上的生长能力差异进行筛选营养突变型的筛选、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10营养缺陷型富集法原养型营养缺陷型诱变青霉素

114、突变型与重组型的批量筛选方法选择培养法的缺点：效率不高：一次可鉴定、筛选一种突变型影印培养法：黎德伯格夫妇为高效检测、分离混和群体不同突变型设计了影印培养法，该方法原理与选择培养法一致采用影印法将完全培养基上的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，提高鉴定效率124、突变型与重组型的批量筛选方法注意：最初的培养基必须是非选择性的，各种突变型都能够生长模板接种时必须采用适当的方法如涂布或划线法，使培养物菌落之间分开13二、病毒的生物学特征病毒的一般特性病毒的类型141、病毒的一般特性无细胞结构；为蛋白质外壳包裹核而成的颗粒。形体极微小；只有在电子显微镜下才能观察到。化学组成简单；主要是核酸和蛋白质。只含一种核酸（DNA或RNA）；缺乏独立代谢能力；繁殖方式独特；只能依赖宿主活细胞的代谢机器，通过核酸复制和蛋白质合成后再装配成完整的病毒颗粒的方式进行繁殖。具有双重存在方式；或营专性寄生在活细胞内，或在细胞外以大分子颗粒状态进行传播。对干扰素敏感，而对抗生素不敏感。152、病毒的分类根据宿主来划分：细菌病毒植物病毒无脊椎动物病毒脊椎动物病毒

亚病毒类病毒拟病毒朊病毒16作为遗传研究材料具有独特优势世代周期短，繁殖世代所需时间短易于操作管理和进行化学分析(纯培养与代谢产物累积)便于研究基因的突变(表现与选择)便于研究基因的作用机理(突变型生长条件与基因作用)便于研究基因的重组(重组群体大、选择方法简便有效)遗传物质比较简单，可作为研究高等生物的简单模型在研究基因结构、功能与表达调控时更为简便三、细菌和病毒在遗传研究中的优越性17不经过减数分裂和授精作用而导致遗传物质转移与重组的过程叫做拟有性过程。细菌和病毒可以通过四种不同的方式，即转化、接合、转导和性导获得外源遗传物质。拟有性过程的存在是细菌、病毒在遗传学研究，特别是作为真核生物的模型研究遗传重组和基因结构的重要前提。四、细菌和病毒的拟有性过程18第二节细菌的遗传分析一个细菌细胞的DNA与另一个细菌细胞的DNA的交换与重组可以通过四种方式进行：一、转化（transformation）二、接合（conjugation）三、性导（sexduction）四、转导（transduction）19一、转化（transformation）转化（transformation）指某些细菌（或其它生物）能通过其细胞膜摄取周围介质中的DNA片段，并将此外源DNA片段整合到自己染色体组中的过程。20㈠、转化的过程转化的过程转化因子的吸附单链DNA的吸收联会与整合211、双链DNA分子和细胞表面感受位点可逆性结合2、供体DNA片段进入受体细胞，并要防止受体DNase的破坏223、供体DNA进入受体后，由双链转变为单链4、形成杂合DNA分子5、形成转化子：杂合DNA分子经复制、分离、组合形成不同转化子23㈡、转化的条件1、感受态的受体细胞;2、转化因子DNA的大小、形态和浓度;3、受体和供体染色体的同源性。24感受态因子(Competentfactor)促进转化作用的酶或蛋白质分子。受体部位(Receptorsite)外源DNA片段进入受体细菌形成临时性通道的特定区域。感受态细胞(Competentcell)能接受外源DNA分子并被转化的细菌细胞。25㈢、转化和基因重组作图当两个基因紧密连锁时，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，紧密连锁的基因可以通过转化进行作图。如枯草杆菌共转化遗传作图：trp2+his2+tyr1+×trp2his2tyr1重组型数Trp2-his2重组值=────────×100%亲型数+重组型数262390/17990=0.13418+1180+685+107=239011940+3660=15600his2-tyr18125/20172=0.402600+1180+3660+685=812511940+107=12047trp2-tyr16785/19905=0.342600+107+3660+418=678511940+1180=13120trp2-his2重组体数/总数(+-)或(-+)(++)重组值重组型亲本型11801072600418685366011940总数－＋－－＋＋＋tyr1＋－－＋－＋＋his2＋＋＋－－－＋trp2转化子类型座位(供体)trp2+his2+tyr1+×trp2-his2-tyr1-(受体)273个基因的次序为：trp2his2tyr1trp2his2tyr13413Trp2-his2

0.34Trp2-tyr1

0.40His2-tyr1

0.1328二、接合（conjugation）接合（conjugation）是指遗传物质从供体(donor）──“雄性”转移到受体(receptor)──“雌性”的过程。29㈠、接合现象的发现和证实

黎德伯格和塔特姆大肠杆菌杂交试验材料：大肠杆菌(Escherichiacoli)K12菌株的两个营养缺陷型品系A：甲硫氨酸缺陷型met-生物素缺陷型bio-B：苏氨酸缺陷型thr-亮氨酸缺陷型leu-方法：将A、B混和，在基本培养基(固体)上涂布培养结果：平板上长出原养型菌落(++++)30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为了验证这些原养型菌落产生的可能而进行的研究最终表明：这些解释均不成立311、回复突变可能的排除Lederbery和Tatum利用的双营养缺陷型菌株进行试验，已基本排除A或B品系发生回复突变产生原养型细菌的可能。因为：单基因回复突变的频率约为10-6；双基因回复突变的频率则为10-12，频率很低。但试验中产生原养型菌落产生的频率非常高（10-7），因此基本可以排除回复突变的可能。322、互养作用及其排除试验材料A品系：A-B+T1S(met-bio-thr+leu+T1S)；B品系：A+B-T1R(met+bio+thr-leu-T1R)。试验方法：将A、B品系混合接种在基本培养基表面，短时间后喷噬菌体T1杀死A品系，使其不能持续产生thr与leu供B品系持续生长。结果：仍然出现原养型菌落。结论：表明互养并非原养型菌落出现的原因，而可能发生了遗传重组。333、转化作用及其排除Lederbery和Tatum曾把品系A的培养液经加热灭菌，加入到B品系的培养物中，未得到原养型菌落，表明原养型菌落可能不是由转化作用产生。戴维斯(Dawis,1950)的U型管试验结果：没有得到原养型细菌。结论：细胞直接接触是原养型细菌产生的必要条件，从而否定了转化的可能性。U型管实验（Dawis,1950)344、异核体和杂合二倍体的可能性若细菌细胞发生融合，产生异核体或双杂合二倍体。这两种情况类似于二倍体生物的杂合体，将产生原养型菌落。异核体：指由于细胞融合而在细胞内含有遗传组成不同的两个或多个细胞核。双杂合二倍体：是指异核体进一步发生核融合，形成二倍体细胞核，核内含有两种遗传物质。细菌为单倍配子体生物，异核体和二倍体只能暂存。培养繁殖过程中必将发生分离，产生各种缺陷型菌落。对试验中得到的原养型菌落后代研究表明：后代没有出现预期的性状分离现象。35海斯（Hayes，W.，1952）实验经过上述分析可以认为：在Lederbery和Tatum及其它类似试验中，发生了一种不同于转化的遗传重组方式，称之为接合。36㈡、F因子及其在杂交中的行为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(fertilityfactor/F因子，sexfactor/性因子)控制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因子可在细菌细胞间进行转移37致育因子决定细菌雄性的是染色体外的一个共价环状DNA分子，称为致育因子（fertilityfactor），又称为F因子或F质粒。供体菌（雄性菌）含有F因子的细菌，F因子游离于宿主染色体外，记为F+。受体菌（雌性菌）不含有F因子的细菌，记为F－。Hfr菌株（高频重组菌株）指F因子整合到宿主染色体中去了的菌株，其重组频率比F+高1000多倍。38F因子的存在状态（大肠杆菌）没有F因子，即F－；一个自主状态F因子，即F+；一个整合到自己染色体内的F因子，即Hfr。391、F因子的特点F＋细菌可以把F因子传给后代。F＋细菌经吖啶橙处理F因子丢失，丢失后不再出现。F＋可以和F－杂交，而不能和F＋杂交。F＋和F－杂交后代皆为F＋，而且可以以10－7频率获得重组体后代。F因子独立进行分裂402、F因子在杂交中的行为4142细菌重组的特点:Hfr细胞和F－细胞之间的接合，一般很少有整条Hfr染色体转入F－细胞(pilus容易断裂)，因此：1、F－细胞得到的只是部分F因子，其余部分依赖于整条Hfr染色体的转移。这样在Hfr×F－杂交后代大多数重组子仍为F－;2、F－受体细胞只接受部分的供体染色体，这样的细胞称为部分二倍体(partialdiploid)或半合子(merozygote)。43细菌重组中，有两个特点只有偶数的交换才能产生平衡的重组子相反的重组子(reciprocalrecombinant)不出现，所以在选择培养基上只出现一种重组子44㈢、中断杂交实验作图1957年，E.Wollman和F.Jacob设计了中断杂交试验（interruptedmatingexperiment）：发现接合时遗传物质转移是直线进行。材料：Hfr菌株：strsazirtonArgal+lac+F﹣菌株：strrazistonAsgal﹣lac﹣链霉素叠氮化物T1噬菌体半乳糖发酵乳糖发酵45Hfr(thr+leu+azirlac+gal+strs)×F-(thr-leu-azislac-gal-strr)1分钟≈20%的重组值46Theorderofgenetransferin4HfrstrainssuggestingthattheE.colichr.iscircular.47㈣、重组作图：

两基因转移时间间距＜2分钟时，中断杂交法的图距不够精确，应采用传统的重组作图法。

例：二个基因紧密连锁

lac-(乳糖不发酵)ade-(腺嘌呤缺陷型)HfrF-

lac+ade+(strs)

lac-ade-(strr)完全培养基混合培养完全培养基(无腺嘌呤、加链霉素)F-ade+菌落F-ade+lac+未发生交换F-ade+lac-基因间发生交换加乳糖48Hfrlac+ade+转入受体细胞后的表现：A.因为供体Hfr转入片断不能独立复制，如果未进入F－受体的基因组中去，那么在以后的细胞分裂中就丢失了；B.如已进入F－基因组，而且在缺乏腺嘌呤的培养基上表型为F－lac＋ade＋(紫红色)，表明是这两个基因之外发

生双交换的产物，在lac-ade两基因之间并未发生重组。49C.只有在缺乏腺嘌呤的完全培养基上选出lac－ade＋

(粉红)才是其真正的;重组子

lac-ade+

重组频率=─────────100%=22%lac+ade++lac-ade+这两个位点间的时间单位约为1分钟20%重组值。50三、性导（sexduction）性导（sexduction）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。51F’因子Hfr菌株在切除F因子时发生错误切除，分离出一个携带F因子和部分宿主染色体基因的遗传因子，这种带有宿主染色体基因的F因子称为F’因子。52F’因子的特点：⑴、不同的F’因子携带细菌的不同基因⑵、如果F’因子本身的基因丢失，转移就可能停止⑶、F’因子不存在蛋白质外壳的包装问题，可以携带不同长度的DNA片段⑷、F’因子和F＋一样能把F因子转移给F－细胞，同时也转移细菌基因，其结果使F－变成F’菌株，并形成部分二倍体F’因子使细菌带有某些突出的特点：⑴、F’因子转移基因比率极高，如同F+因子转移比率⑵、F’因子的自然整合率极高，并且整合在一定的座位上53F’因子与F+、Hfr的关系（P224）F+、F’和F+Hfr菌的比较Hfr和F+共同特点：用链霉素处理均不影响与受体杂交与受体杂交后,出现的重组体中以大多数非选择性性状是F-受体的遗传性状均带有F因子特定表型效应—性伞毛差异之处：Hfr×F->F+×F-(1000)F+×F-F-F+供体染色体基因非常低频率地转移Hfr×F-F-

F-部分染色体高频转移F’菌除了有许多与Hfr和F+相同性质外，最大特点是构建部分二倍体菌。54F＋，Hfr，F的接合对照55F’因子的用途不同的F’因子带有不同的细菌DNA片段，可覆盖全部染色体基因，可用于构建部分二倍体菌株，用来研究基因的相互作用，确定显隐性关系，构建遗传图谱，进行互补测验以鉴定两个突变是属于一个基因还是两个基因等。56四、转导（transduction）转导（transduction）是指以噬菌体为媒介进行细菌遗传物质重组的过程，是细菌遗传物质传递和交换方式之一。57转导现象的发现Lederbery及其研究生Zinder（1951）首先在鼠伤寒沙门氏菌（Salmenellatyphimurium）中发现转导现象。原因?是否为接合或转化引起的？58戴维斯U型管试验(防止细胞直接接触)结果也获得野生型重组体，排除由于接合或性导而产生基因重组可能性。说明它是一种可通过滤膜的过滤性因子（FA）。59FurtheranalysisofthisgeneexchangeprocessinSahnonella

revealedthat:⑴、FA（过滤性因子）不因DNA酶而失活，说明是非裸露的DNA;⑵、FA与从溶源性细菌分离得到的噬菌体P22质量大小相同;⑶、对P22的血清敏感，加热失活;⑷、抗噬菌体P22的沙门菌菌株对FA也表现抗性，所以，FA是噬菌体P22。60㈠、普遍性转导(Generaltransduction)在噬菌体感染的末期，细菌染色体被断裂成许多小片段，在形成噬菌体颗粒时，少数噬菌体将细菌的DNA误认为是它们自己的DNA，并包裹进其蛋白质衣壳内，从而形成转导噬菌体，该噬菌体再去感染其他宿主时，就将所携带的细菌染色体片段带入受体菌中，形成部分二倍体，进而重组整合。这种转导类型称为普遍性转导。61㈡、流产转导（abortivetransduction）指转导DNA分子进入受体细胞后，既不与受体基因组发生交换，又不随宿主DNA复制而复制，而是很稳定地存在于细胞之中，由于细菌不断增殖，故该转导类型的细菌所占比例越来越少，以至最终消失，故称为流产转导。62㈢、局限性转导（specializedtransduction）由温和噬菌体（如λ）介导的转导类型。原噬菌体离开细菌染色体时，偶尔可将噬菌体插入位点两边的细菌基因一起环落下来而形成混杂的DNA片段，该DNA片段由噬菌体蛋白质衣壳包裹，再去侵染其他宿主细菌，可将特定的细菌基因带入新的受体菌，进而重组整合，这种转导称为局限性转导。63λdgal特殊性转导噬菌体的形成模式64㈣、转导的应用绘制细菌遗传图谱（普遍性转导）对个别基因的研究（局限转导）651、普遍性转导与作图共转导或并发转导(co-transduction)：指两个基因同时转导的现象。如果两个基因共转导的频率愈高，表明两个基因连锁愈紧密，相反共转导频率愈低，则表明两个基因距离愈远。例如，用大肠杆菌的P1噬菌体进行下列转导实验，测定thr+1eu+aziS的连锁关系。66P1噬菌体E.coli(thr+1eu+aziS

)E.coli(thr-1eu-azir

)基本培养基

不含leu100%leu+,50%azir,2%thr+不含thr100%thr+,3%leu+,0%azir67Resultsfromtheexperiment1indicatedtheleu&azilociwereclosetogetherandleu&thrwerenotclose.Thusthereare2possiblegeneorders:68Theexperiment2indicatedthatbecauseleu&thrwerecotransduced3%ofthetime,becausethr&aziwerenevercotransduced,leumustbeclosertothrthanisazi.Thus,thesuggestedgeneorderisThedatafromexperiment3wereconsistentwiththisarrangementbecausethethrleutransducingfragmentnevercarriedtheazimarker.692、局限性转导与作图这类噬菌体只能转导供体基因组中的特定基因。如温和噬菌体作为一种附加体，既可以自主状态存在，也可以整合到细菌基因组(特定位置attB处)，形成原噬菌体。Thegenescloselylinkedtothephageattachmentsitescanbeanalyzedindetailbyusingspecializedtransducingparticlesthathaveincorporatedsegmentsofthesegenes.Ingeneral,specializedtransducingparticlesarenotasusefulingenemappingexperimentsasgeneralizedtransducingparticles.70第三节噬菌体的遗传分析71一、噬菌体的结构1、结构简单：蛋白质外壳、核酸、某些碳水化合物、脂肪等。2、多样性的原因：外壳的蛋白质种类、染色体类型和结构。3、两大类：①烈性噬菌体：T噬菌体系列(T1~T7)；②温和性噬菌体:P1和λ噬菌体。72㈠、烈性噬菌体1、结构大同小异，外貌一般呈蝌蚪状T偶列噬菌体头部：双链DNA分子的染色体；颈部：中空的针状结构及外鞘；末端：由基板、尾针和尾丝组成。732、T偶列噬菌体的侵染过程（如T4噬菌体）溶菌酶裂解细菌，释放出数百个噬菌体尾丝固定大肠杆菌，遗传物质注入破坏寄主细胞原有的遗传物质组装成许多新的子噬菌体合成大量的噬菌体遗传物质74㈡、温和性噬菌体：例如λ和P1噬菌体。λ和P1各代表一种略有不同的溶源性类型。751、溶源性的生活周期：①λ噬菌体：噬菌体侵入后，细菌不裂解附在E.coli染色体上的gal和bio位点间的attλ座位上

通过交换整合到细菌染色体，并能阻止其它λ噬菌体的超数感染。λ噬菌体特定位点的整合76②P1噬菌体：它并不整合到细菌的染色体上，而是独立地存在于细胞质内。77原噬菌体：整合在宿主基因组中的噬菌体。只有少数基因活动，表达出阻碍物关闭其它基因。原噬菌体经诱导可转变为烈性噬菌体裂解途径。78溶源性(Lysogeny)：有些细菌带有某种噬菌体，但并不立即导致溶菌，这种现象称为溶源性；这种细菌称为溶源性细菌或溶源菌(Lysogenicbacterium)，此过程称为溶源周期。79溶源周期受感染细菌的两个特征：

免疫性:细菌细胞内已有了侵入的噬菌体，再也不会受到同一种噬菌体的侵染，也就是说有了免疫性，这种免疫的特异性程度很高。

可诱导性:这种细菌即使没有外来噬菌体的感染，有时偶而也会自发地释放噬菌体。如UV或丝裂霉素C等处理。802、P1和λ噬菌体的特性：①P1和λ各代表不同的溶原性类型：

P1噬菌体：侵入后并不整合到细菌的染色体上，独立存在于细胞质内；

λ噬菌体：通过交换整合到细菌染色体上。②溶源性细菌分裂两个子细胞：P1噬菌体复制则使每个子细胞中至少含有一个拷贝；λ噬菌体随细胞染色体复制而复制，细胞中有一个拷贝。③共同特点：核酸既不大量复制，也不大量转录和翻译。8182二、T2噬菌体的基因重组与作图1、噬菌体遗传性状分为两类：形成的噬菌斑形状：指噬菌斑大小、边缘清晰度、透明程度。寄主范围：指噬菌体感染和裂解的菌株范围。832．研究最为广泛的是T噬菌体①．正常噬菌体r+：噬菌斑小而边缘模糊。r突变体(rapidlysis速溶性)：噬菌斑大而边缘清