细菌及病毒的遗传作图

1、第七章 细菌及其病毒的遗传作图,内 容,一、病毒的一般特性及类型 二、噬菌体的染色体作图 三、细菌的细胞和染色体结构 四、细菌的染色体作图,第一节 病毒的一般特性及类型,病毒的一般特性 病毒的类型 噬菌体的生活周期,一、病毒的一般特性, 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）； 无细胞结构，为蛋白质外壳包裹核而成的颗粒； 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

2、进行传播； 对干扰素敏感，而对抗生素不敏感,病毒大小,二、病毒的类型,依据宿主范围 植物病毒 动物病毒（人、脊椎动物、昆虫） 微生物病毒（真菌、藻类、原生动物、 细菌、放线菌、蓝细菌） 噬菌体感染细菌和放线菌的病毒。 依据遗传物质：DNA病毒、RNA病毒,微生物病毒噬菌体,噬菌体的特点,个体极小：只能借助电镜才可看见，但在实验时一般用肉眼观察它感染细菌后所形成的噬菌斑加以识别。,专性寄生：在活体外不具任何生命特征，往往一个噬菌体只感染一种细菌。侵染过程： 吸附 遗传物质注入 复制 裂解细菌,无细胞结构：化学组成和繁殖方式简单。,不同结构的噬菌体（或不同的突变型）可同时感染一个细菌，并能在细菌细

3、胞内进行基因重组，即混合感染。,微生物病毒噬菌体,尾管,刺突,T4由头部、颈部、尾部组成,植物病毒,动物病毒,病毒的多样化形态和大小,HIV病毒（反转录病毒）,RNA病毒,刺突tail pins,Phaga, bacterioohaga,95nm,95nm,head,neck,tail（24环）,尾丝(tail fibers),65nm,噬菌体,噬菌体,烈性噬菌体,三、噬菌体的生活周期,当噬菌体感染细菌后，寄主细胞的DNA立即停止活动，由噬菌体的DNA指导合成噬菌体的DNA和蛋白质，产生新的子噬菌体，最后寄主细菌裂解，释放出成熟的子噬菌体，这一类噬菌体称之为烈性噬菌体。通过它对相邻细菌连续不断

4、地侵染和裂解，在长满细菌的不透明的菌落上看到一个圆形的透明区噬菌斑。,噬菌体的增殖包括 吸附 侵入 核酸复制与蛋白质合成 装配 释放,烈性噬菌体的侵染过程,噬菌斑,温和噬菌体,当噬菌体感染细菌后，噬菌体的DNA在宿主细菌体内不立即复制，而只是潜伏宿主细菌体内，与宿主细菌“共存”，并不将主细菌裂解，这一类噬菌体称为温和噬菌体。,温和噬菌体的主要三种繁殖方式：,与烈性噬菌体相似，在宿主细菌体产生很多子代噬菌体，使宿主细菌裂解，这种情况只是偶然或是通过诱导才发生。 当噬菌体的DNA进入宿主细菌体内后，插入到宿主细菌主染色体DNA中，随着宿主细菌主染色体DNA复制而同步复制。与宿主细菌主染色体DNA结

5、合在一起的噬菌体称为原噬菌体，而携带原噬菌体的细菌叫溶源性细菌。 当噬菌体DNA进入宿主细菌体内后，独立于宿细菌DNA之外，以质粒的形式存在于宿主细菌的胞质中。,某些温和噬菌体在侵染细菌后，其DNA整合到 宿主细菌染色体中。这种处于整合状态的噬 菌体DNA称为原噬菌体。 含有原噬菌体的细胞称为溶原性细菌或溶原体。 原噬菌体不进行DNA复制和蛋白质合成，而是随 着宿主细菌染色体的复制而同步复制，并且，随 着宿主细胞分裂而平均分配到两个子细胞中去， 代代相传，这样便进入溶原周期。,型裂解途径,P1型裂解途径,温和噬菌体的生活周期,噬菌体和表型与噬菌体遗传学 基因的细微结构作图 缺失作图 互补测验和

6、顺反测验 负干扰,第二节 噬菌体的染色体作图,一、噬菌体和表型与噬菌体遗传学,寄主范围突变型（h）： 由于基因突变能感染两个品系细菌的突变型，野生为 h， h只能裂解野生型的大肠杆菌，h能裂解野生型及抗 性型的细菌。把两者和大量的野生型和抗性型细菌混合接 种，经培养后就可看到两种噬菌斑，透明的是h，半透明的 是h。,快速溶菌突变型（r）： 由于基因突变能更快复制并裂解细菌的噬菌体突变，野生型为r，由r 于裂解细菌的速度比r快，所以在同一时间内感染同一细菌时， r形成的噬菌斑小，r 形成的噬菌斑大，而且边缘清晰。,条件致死突变型： 在某种条件下可生存，在另一条件下不能生存的突变 型。如温度敏感突

7、变（ts）；在25时能生长，42时不 能生长，色氨酸需要型（c）必须在环境中有色氨酸才能生 存；小噬菌斑型（m）；混浊噬菌斑（tu）等都可依据菌斑 形状鉴别。,两种不同的T2突变体进行杂交,两种不同的T2突变体进行杂交,二、基因的细微结构作图,T4噬菌体的rII系统 r型突变体：快速溶菌突变体（rapid lysis）Benzer选择rII突变体作研究的优点是：与野生型rII+ 相比具有不同的宿主范围。rII不能在E.coli K上生长提供了一种选择手段。,T4 rII 突变体和rII+在E.coil上的表型,T4 E.coil B E.coil K（） rII 大而清晰园 + rII+ 小而

8、模糊 + + 小而模糊,E.coil B能使rII突变体生长，称为rII的许可性宿主（Permisive host），E.coli K（）不能使rII突变体生长，称为rII的非许可性宿主（Nonpermisive host）。,用两种不同的rII突变体感染同一细菌E.coli B，一旦 进入细胞，T4之间的DNA就发生重组，从而产生重组类型的噬菌体。然后感染E.coli K，野生型重组体的数目等于在K上的pfu/ml的数（Plague forming Unit） 优点：用rII系统和两个宿主，不需要筛选大量的噬菌斑就能选择到极少发生的重组体。,用两个不同突变体的噬菌裂解液加到E.coli B株

9、的肉汤培养液中，当二个突变类型的DNA感染同一细菌时可发生杂交。大多数复制的DNA是原来的类型，有时也能重组产生一种双重突变型和正常的重组体（即野生型）。杂交后代植到E.coli B上后，都能良好生长，而植于E.coli K时，只有重组野生型才能生长，双突变体重组型不能生长。,两个不同突变的噬菌体DNA重组的过程,Mix the two phages,Coinfect E.coli B,A,A,r103,r104,Wild type,Double mutant phage,Take some of the phage preparation,dilute it(10-8), and infec

10、t E.coli B,Take some of the phage preparation,dilute it(10-3 ), and infect E.coli K,Plate the cells and observe the number of plaques.,Total number of phages,Wild type phages produced by intragenic recombination,两个不同突变的噬菌 体DNA重组的过程,将8个独立而来的rII突变体成对感染E.coli B。形成噬菌斑后再将其裂解液接种感染E.coli K，只有野生型重组体rII 才能生长

11、，而双重组型（rIIrII）不能捡出，也不能生长。因此计算重组体的方法是以野生型的数2。 公式如下：,基因内重组 Intragenic Recombination,2rII+ 噬菌体数,总 噬 菌 斑 数,2在K上生长的噬菌体数,在B上的噬菌斑数,100%,重组率=,E.coli B,rII ,rII ”,植于E.coli K上选择,T4 rII位点基因内重组的选择。rII不能在K上生长，当二个带有rII不同等位基因的T4感染同一B株后，其某些后代能在K上生长，即已成为rII，结果说明在一个基 因内发生了重组，而不是在基因间。,根据重组率所得基因图： rII1 rII7 rII4 rII5 r

12、II2 rII8 rII3 rII6 _|_|_|_|_|_|_|_|_ 它们的图距就是rII+的重组率,rII基因内重组说明，基因是可以分割重组的，它由更小的单位组成，Benzer称其为重组子recon，重组可以发生在重组子之间，但不能发生在其内部。因此，重组子(而不是基因)是重组的单位，基因是重组子完整的线性顺序，一对核苷酸是重组的最小单位。,缺失作图 deletion mapping,缺 失 区,有一特殊突变体D1，当它分别与带有突变点1、2、3、4、5、6、7或8的突变体杂交时不能获得rII+重组体，那么D1就是缺失18位点的突变体： 9 10 11 12,Benzer利用在rII区域

13、中含有短的缺失的特殊突变体来定位其它新的突变位点。 原理：假定一个由12个突变位点组成的基因图： 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12,有另一突变体D2，当它与5、6、7、8、9、10、11或12突变位点的突变体杂交时不能获得rII+重组体。即D2就是缺失512的突变体 根据重叠缺失区，可将基因分成三个区域 I II III D1 D2,1 2 3 4,缺 失 区,如何定位新的突变位点 当与D1杂交能获得rII+重组体，与D2杂交却不能， 该突变体的突变位点位于III区； 当与D2杂交时能够，但与D1杂交时不能获得rII+重 组体，该突变位于I区； 与D1和D2杂交都不能得到r

14、II+重组体，其突变位点 位于II区。,在III区里的一个突变体与D1杂交获得rII+的情形,I 和II缺失区,I和II区,D1,新突变体,+,+,+,+,+,III区,突变位点,III区,缺失突变体之间也可以杂交从而象点突变那 样定位，如果杂交得不到rII+重组体，那缺 失区就是重叠的。例如有一缺失图：,1,2,3,利用上述缺失图可将新的突变定位 思考：下图表示T4 rII A顺反子中4个缺失突变体的缺失图 1 2 3 4 现有在rII A中4个点突变体ad，分别试验它们与4种缺失突变体杂交获得rII+的能力，结果如上表。 问：4种点突变的顺序怎样排列？,abcd 1+ 2+ 3+ 4+,三

15、、互补测验和顺反测验,当不能单独在K菌株上生长的两个rII突变体混合感染时，它们能象野生型噬菌体那样在K株上生长，这样两种突变型称为互补的突变型，因为每一种能补偿另一种功能。使两者都能生长。（T4染色体在宿主细胞中暂时二倍化）,噬菌体T4的互补作用,不同的rII突变体可以分成两类：即A组和B组。A组中的所有突变体能与B组中的所有突变体互补，而A组中的某一突变体不能与该组中的另一突变体互补，同样B组中的某一突变体也不能与该组中另一突变体互补。A组中的所有突变体能定位到rII区段的一边，B组中的所有突变体能定位到rII区段的另一边上,A组 B组,A互补群,B互补群,混合感染,rII突变体,rII突

16、变体,E .coli k(),互补作用 无互补作用 细胞裂解释放 细胞不裂解无子 出子代噬菌体 代噬菌体释放,rII互补作用图解：两个不同的突变体rII和rII同时感染E.coli K，一般情况下，rII突变体不会裂解K产生子代噬菌体；然而当两个rII能互补时，就会裂解并有噬菌体生长，如果两个突变体不能互补，就不会裂解，也不会有噬菌体生长。,rII突变体互补的解释： rIIA rIIB rII1 （1） （2） 裂解 有两个基因rIIA和rIIB在细菌裂解中起作用，裂解的两个步骤分别由rIIA基因产生的酶A和rIIB基因产生的酶B控制。两个rII突变体分别在rIIA或rIIB区域缺陷,+,rI

17、IA,rIIB,+,rII,酶A,酶B,由于rII1和rII2的染色体各自能产生裂解途径中所必需的一种酶,所以裂解就能发生,即有野生型表型出现，称这两个rII突变体能互补 与二倍体植物细胞染色体互补作用相类似，T4噬菌体的混合感染使噬菌体染色体处于暂时的“二倍体”细胞状况，在这过程中发生了互补作用。,顺反子（Cistron）,不能互补的突变必然影响的是同一功能单位，能够互补的突变必定影响不同的功能单位，通过顺反试验发现的遗传功能单位称为顺反子。rII区段中包括两个作用单位A和B。也就是两个顺反子。,顺反子的概念来自顺反试验：它是用于说明在同一染色体上（顺式）或相对染色体上（反式）排列的突变位点之间