遗传学第章细菌和病毒的遗传.ppt

1、遗传学第10章细菌和病毒的遗传-1,细菌属于原核生物，不进行典型的有丝分裂和减数分裂，因此，其染色体传递和重组方式与真核生物不尽相同。 病毒甚至不进行分裂，它在宿主细胞内以集团形式产生。细菌和病毒的遗传分析对整个遗传学，特别是对于分子遗传学的发展具有重大作用。,遗传学研究从细胞水平推进到分子水平，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）研究材料采用了细菌和病毒,遗传学中的基因重组、基因精细结构、基因工程、基因的表达与调控等研究工作, 都是首先利用细菌和病毒进行的。重组DNA技术，现已广泛应用于生物学研究的各个领域。经过改良的大肠杆菌细胞，早已应用于工业基因工程，生产

2、人类所需要的重要蛋白质。大肠杆菌乳糖代谢操纵元模型，是第一个也是研究的最清楚的基因表达调控模式。,一、细菌 细菌是比较小的单细胞，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,第一节 细菌和病毒的特点,大肠杆菌拟核的电子显微镜图，显示释放出的染色体DNA及数个质粒DNA,研究细菌遗传的方法-平板培养,细菌菌落的表现型：,3. 抗感性,2. 营养需求,1. 菌落形态,(a)光滑、圆形的隆起菌落； (b)颗粒状、圆形的隆起菌落； (c) 边缘不规则、表面有突起皱褶的扁平菌落； (

3、d) 边缘波形、表面有不规则突起的隆起菌落,1.菌落形态：,基本培养基：只含有无机盐碳源水等基本营养成分。 大肠杆菌的基本培养基: NH4H2PO4 1g；NaCl 5g；MgSO4.7H2O 0.2g；K2HPO4H2O 1g；葡萄糖 5g；水：1000ml 完全培养基：含有任何营养缺陷型细胞生长所需的全部营养物质（如氨基酸、维生素等）的培养基 原养型（野生型）细菌：能够在基本培养基中生长的细菌。 营养缺陷型：丧失了合成某种物质的能力，必须在培养基中加入这种物质细菌才能生长。这类突变体称为条件致死突变体。,2. 营养需求,抗药性或抗感染性 表现为抗性（R）与敏感（S） 例如：青霉素（PenS

4、）(PenR) 叠氮化钠 (aziR) (aziS) T1噬菌体（tonR） （tonS）,3. 抗感性,Lederberg设计了影印培养法-测定所发生的突变,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。 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。 依其与宿主细胞的相互关系，可分为烈性(virulent) 噬菌体和温和(temperate)噬菌体两大

5、类型。 禽流感病毒、非典病毒均是RNA病毒,二、病毒的特点和种类,(1)世代周期短。大肠杆菌每20分钟可繁殖 一代，病毒每小时可繁殖数百个后代； (2)易于管理和进行化学分析； (3)便于研究基因结构、功能； (4)便于研究基因的突变和重组； (5)可用作研究高等生物的简单模型； (6)便于进行遗传操作；,四、细菌和病毒在遗传研究中的优越性,五、细菌和病毒的拟有性过程,真核生物-减数分裂-遗传物质的交换、分离和独立分配。 细菌和病毒的遗传物质也必须从一个细胞传递到另一个细胞，并且也能形成重组体。 细菌获取外源遗传物质有四种不同的方式： 转化(transformation) 接合(conjuga

6、tion) 性导(sexduction) 转导(transduction)。,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,第三节 细菌的遗传分析,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，而且表明转化是细菌交换基因的方式之一。,图 3-1 肺炎双球菌转化实验,自然发生转化的细菌： 肺炎双球菌 枯草杆菌 流感嗜血杆菌 2个带有不同抗性的肺炎双球菌群体混合时。可以形成双抗性的细菌

7、。 枯草杆菌可将DNA分泌到活细胞表面，以备摄取。,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：细菌上有一定数量的DNA接受位点。 (4)受体细胞生理状态；感受态 感受态因子（表面蛋白）,（一）转化的机制,1、供体DNA与受体细胞间的接触与互作,2、转化过程 (1)结合与穿入 (2)联会 (3)整合,（二）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同时被转化（并发转化co-transformation），并同时整合到受体染色体中。因此

8、，紧密连锁的基因可以通过转化进行作图。,重组型细菌数,亲型细菌数+重组型细菌数,重组值=,100%,trp2+his2+tyrl+(供体)trp2-his2-tyr1-(受体),黎德伯格的枯草杆菌转化实验,Trp2-his2 0.34 Trp2-tyr1 0.40 His2-tyr1 0.13 trp2 his2 tyr1 40,0.34,0.13,Lederberg设计了影印培养法-测定所发生的突变,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细胞之间通过接合可以交换遗传物质。,二、接合,黎德伯格和塔特

9、姆的接合(杂交)试验 证明大肠杆菌发生遗传重组,这种原养型细胞的出现是由于转化还是的遗传物质交换和重组？ Davis(1950)设计了U型管实验,任何一臂内都没有出现原养型细胞,这说明两个菌株间的直接接触，是原养型细胞出现的必要条件。 接合：细菌间遗传物质的重组方式 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）,Hayes和Cavalli-Sforza（1953)发现，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。,（一）F因子及F+/Hfr向F的转移,E.Coli F因子存在状态有三种类型： 没有F因子，即

10、F 游离状态的F因子，即F+ 整合的F因子，即Hfr （high frequency recombination 高频率重组）,图 713 两个E.Coli 细胞杂交的电子显微镜照片(X 34,300),性伞毛/接合管,F+ F+ F- F+,（二）、接合过程,1. F+F-,5,Hfr Hfr F- F-,5,2. HfrF-,受体细胞常常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,第一，部分二倍体中发生单数交换是没有意义的，只有双交换或偶数的多次交换才能保持重组后细菌染色体的完整； 第二，重组后的游

11、离DNA片段只带有部分基因组，不能单独复制和延续下去，最终消失。这样，重组后F-细胞不再是部分二倍体，而是单倍体，得到的重组体类型只有一个。,部分二倍体的重组与真核生物中完整的二倍体之间的重组有两点不同:,（三）、中断杂交试验及染色体连锁图 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,结果表明，thr+最先进入F细胞，接合8分钟后便出现了重组体，随后半分钟leu+出现，aziR、tonR、lac+和gal+分别在9分钟、11分钟、18分钟和25分钟出现。 在被选择的thr+leu+的重组体中，其它的供体基因接连出

12、现，不同的基因经过一定时间就上升到一个稳定的水平。,图717 中断杂交后，重组体中Hfr遗传性状出现的频率,上述实验说明，Hfr菌株的基因是按一定的线性顺序依次进入F菌株的,thr,leu,azi,ton,lac,gal,F,O,8,8.5,9,11,18,25,根据沃尔曼和雅各布的中断杂交试验作出的大肠杆菌直线连锁图 数字单位：分钟，O是原点，F是F因子,用不同的Hfr菌株进行的中断杂交试验结果,不同Hfr菌株基因转移顺序的差异是由于各各Hfr菌株间转移原点（O）和转移方向不同。 不同Hfr菌株染色体的形成，是由于F因子插入环状染色体的位置不同，从而形成不同的原点和转移方向。,（四）、重组作

13、图,F- ： lac- ade- strR,Hrf ： lac+ ade+ str s,lac- ade+,lac+ade+ + lac-ade+,重组频率=,100% = 22%,中断杂交试验结果表明，lacade间的距离是1分钟。用重组作图法算出的重组率是20%。因此，1个时间单位(分钟)大约相当于20%的重组率。,E.Coli遗传图。图距单位是分钟,三、性导 性导：指接合时由F因子所携带的外源DNA转移到细菌染色体的过程,雅各布和阿代尔伯格发现一个特殊的Hfr菌株能将lac+等位基因高频率地转移到Flac受体。但lac+位于染色体的远端，按照中断杂交试验，受体只有1/1000变成F +l

14、ac+。最好的解释是因为F携带lac+基因进入受体细胞，因此使它在lac位点成为部分二倍体F-lac+/lac，它的表现型是lac+。所以lac+对lac是显性。部分二部体F-lac+/lac是不稳定的，F因子可能丢失，产生lac单倍体，或是在F和染色体间重组产生稳定的lac+。,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，确定两个突变型是同属于 一个基因还是不同基因,遗传学上应用最广

15、泛的是大肠杆菌的T噬菌体系列(T1到T7)。其结构大同小异，呈蝌蚪状。T偶列噬菌体结构如下图,第三节 噬菌体的遗传分析,一、噬菌体的结构,早在20世纪初期人们就已发现噬菌体，但直到20世纪40年代才发现它是遗传分析的理想材料。德尔布鲁克(Delbrck，M.)、赫尔歇(Heshey，A.)和罗特曼(Rotman，R.)揭示出噬菌体的一个拟有性过程,1、烈性噬菌体,2、温和性噬菌体,温和性噬菌体具有溶源性的生活周期，即在噬菌体侵入后，细菌并不裂解，以两种形式出现，如和P1。噬菌体附着于大肠杆菌染色体的gal和bio位点之间的att座位上(attachment site)，它能通过交换而整合到细菌

16、染色体上。这时它会阻止其他噬菌体的超数感染(superinfection) (一个细菌受一个以上噬菌体所感染的现象)。整合的噬菌体称为原噬菌体(prophage)。,二、T2噬菌体的基因重组与作图,正常r+:小、边缘模糊,突变r-:大、边缘清楚,正常h+:B株,突变h-:B株或B/2株,噬菌斑形态,宿主范围：感染和裂解的菌株不同,噬菌体 性状,由于h和h+均能感染B株，用T2的两亲本hr+和h+r同时感染B株，称为双重感染,另有一个类似的过程叫做转染(transfection)，就是经过特殊处理的细菌细胞，可以直接吸收裸露噬菌体的DNA，这样的DNA在寄主细胞内同样可以进行复制和重组。为了测定

17、在这个杂交中所得子代噬菌体的基因型，将释放出来的子代噬菌体接种在同时长有B及B/2株的培养基上，记录噬菌斑的形态，,hr+和h+r杂交及四种噬菌斑的产生（引自Tamarin, 1993，稍改动,h-r+,h-r-,h+r+,h+r-,h-r+,h+r-,h-r+,h+r-,h-r-,h+r+,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,重组型噬菌斑 重组值= 100% 总噬菌斑 h-r- + h+r+ = 100% h-r+ + h+r- + h-r- + h+r+,根据这个重组率即交换值，就可以进行遗传作图。,、,、,分别作出ra

18、、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,为了确定基因排列顺序，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,三、噬菌体的基因重组与作图,凯泽(Kaiser，A. D.，1955)最先进行了噬菌体的重组作图试验。他用紫外线对噬菌体进行辐照处理，得到5个突变系，每一个突变系产生一种变异的噬菌斑表型。 s系产生小噬菌斑， mi系产生微小噬菌斑

19、； c系产生完全清亮的噬菌斑， co1系产生除了中央一个环之外其余部分都清亮的噬菌斑；co2系产生比co1更浓密的中央环噬菌斑。,噬菌体sco1mi+的杂交结果及分析作图,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中发现转导现象 phetrptyr 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） ？,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

20、通过一种过滤性因子(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，FA是一种噬菌体， 称为P22（用抗P22血清处理后失活）,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部分,转导颗粒,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序和距离,（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,（2）三因子