第7章_细菌的遗传分析.ppt

7细菌的遗传分析,主要内容,7.1细菌的细胞和基因组7.2大肠杆菌的突变型及筛选7.3细菌的接合与染色体作图7.4中断杂交与重组作图7.5F因子与性导7.6细菌的转化与转导作图,7.1细菌的细胞和基因组,7.1.1细菌的细胞7.1.2细菌的基因组,7.1.1细菌的细胞,细菌的形态：球菌、杆菌和螺旋菌,细菌的细胞结构,荚膜,鞭毛,拟核,细胞壁,细胞膜,核糖体,2mm,细菌的菌落,细菌的细胞分裂,细菌的染色体是一条裸露的环状、双链DNA分子，以折叠或螺旋状态的高度组装形式存在。,7.1.2细菌的基因组,细菌的染色体（电镜照片）,E.coli基因组,E.coli4.6Mb.4288genes90%编码蛋白质（encodeprotein）,7.2大肠杆菌的突变型及其筛选,7.2.1大肠杆菌的突变类型7.2.2细菌的培养与突变型筛选,结合一起讲,一、营养缺陷型1.合成代谢缺陷型2.分解代谢缺陷型二、抗性突变型,大肠杆菌的突变类型,一、营养缺陷型,在营养代谢上是有缺陷的菌株，统称为营养缺陷型，而把正常的野生型叫做原养型。基本培养基：能满足野生型菌株营养要求的最低成分的组合培养基。补充培养基：在基本培养基中有针对性地加上某一种或几种其自身不能合成的成分，以满足相应营养缺陷型生长的培养基。完全培养基：在基本培养基中加入一些富含生长因子的物质，以满足该微生物各种营养缺陷型要求。,1、合成代谢缺陷型：不能合成细菌生长所需要的物质。(1)鉴别：,(2)基因型和表型的表示用它们不能合成的物质的前三个字母来表示。,2、分解代谢缺陷型不能降解某些复杂的化合物。如不能发酵乳糖,阿拉伯糖,甘露糖,木糖,麦芽糖。(1)鉴别：使用鉴别培养基如乳糖发酵缺陷型，用EMB培养基(加伊红和美蓝)鉴别，原养型菌落是紫红色菌落，缺陷型为粉红色菌落。(2)基因型和表型的表示：lac-/Lac-乳糖不能利用;gal-/Gal-半乳糖不能利用。,由于基因突变而对某些噬菌体或抗菌素产生抗性。(1)筛选：使用选择培养基在培养基中加入抗性物质。(2)基因型的表示：噬菌体名或抗菌素名符号r或sr-抗性s-敏感strs/Strs,tons/Tonsstrr/Strr,tonr/Tonr,二、抗性突变型,7.3细菌的接合与染色体作图,一、细菌的杂交：菌株A：met-bio-thr+leu+thi+菌株B：met+bio+thr-leu-thi-,(LederbergandTatum,1946),7.3.1细菌接合现象的发现,这种原养型细胞如何出现？,可能产生于：亲本菌株A或B发生了回复突变？回复突变率为10-6-10-8，双缺陷型10-12-10-16两品系细胞通过培养基交换养料-互养作用?细胞间直接接触而发生遗传物质交换和重组?,结论:细胞间直接接触而发生了遗传物质的交换和重组。,U型管的实验,（Davis,1950),LederbergandTatum解释：(1)细胞融合（同宗配合）；(2)形成二倍体合子；(3)减数分裂交换存在问题：两个亲本类型对它们的子裔的遗传贡献并不相同。有些基因组合丢失。,(一)、Hayes(1952)实验：菌株A菌株Bmet-thr+leu+thi+met+thr-leu-thistrs和strr型strs和strr型,7.3.2F因子及其转移,AstrsBstrr,AstrrBstrs,strsstrr,原养型菌落(+),无Str基本培养基,Strrstrs,原养型菌落(+),AstrsBstrr,AstrrBstrs,strsstrr,原养型菌落(+),有Str基本培养基,strrstrs,无菌落,结论：大肠杆菌中遗传物质的交换不是交互的，一个菌株（菌株B）作为遗传物质的受体（），而另一个菌株（菌株A）是供体（）。,1.F因子:又称性因子(sexfactor)或致育因子(fertilityfactor)，是存在于细菌细胞中，赋予细菌以性别的并能独立增殖的环状DNA分子。(p160,倒9+补充）,(二)、F因子,2.F因子的结构：,原点（origin）：转移的起点；致育基因（fertilitygene）配对区（pairingregion）,3.F因子的存在状态,F+菌株:细胞中含有游离的F因子，可向F-菌株传递F因子,常称为供体菌。(p168,倒5)F-菌株:细胞中无F因子，但可接受F因子而变成F+菌株,常称为受体菌。(p168,倒6)Hfr菌株:即高频重组菌株,是细菌染色体上整合有F因子的菌株。(p168,倒5),F菌株的特点,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，也可以自发丢失因子，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，可将F-转化为F，但为低频重组（这是因为因子的整合频率为每代105107）。,因子可以整合到细菌染色体的不同位置上。HfrF-，Hfr使两个菌株杂交后所产生的重组体频率大大增加（比FF高1000倍）。HfrF-，因子的传递频率非常低，受体一般为F-。,Hfr菌株的特点：,Hfr品系与F菌株的异同点(p168),相同点：都能和F杂交。杂交都要通过接合管和受体菌相连接。都是作为一种供体。不同点：产生重组子频率不同：前者高频重组，后者低频重组。前者F质粒转移频率低，后者F质粒转移频率高。前者F质粒整合，后者F质粒游离。,F+F-,F因子的DNA边转移边复制，F细胞F细胞。,4.细菌的杂交过程,高频转导：HfrxF-,细菌染色体由一小段单链的F因子为前导而转移到F-受体边进入边合成。一般情况下仅小部分细菌染色体能够转入，接合管中断受体细胞仍为F-。,7.3.3细菌重组的特点(p161-162),重组发生在部分二倍体中。单交换产生不平衡的线性染色体；只有偶数次交换才能产生平衡的重组子。相反的重组子不出现。,7.4中断杂交与重组作图,7.4.1中断杂交实验原理7.4.2中断杂交作图7.4.3重组作图原理及方法,7.4.1中断杂交实验,原理：HfrF-杂交中染色体是定向地、均匀地、逐渐进入F-细菌的，大部分F因子并没有进入受体，随接合管断开（中断杂交）的时间不同，进入的基因也不同。目的：证明接合时遗传物质从供体到受体的转移是直线进行的。,巴斯德实验室，ElieWolliman和FrancoisJacob（1954）,1.接合：把Hfr菌株与F-菌株混合培养在完全培养基上。Hfr：strsthr+leu+azirtonArgal+lac+F-：strrthr-leu-azistonAsgal-lac-2.中断接合：培养一定时间取样，把菌液放在搅拌器内搅拌。3.杀死Hfr菌株：稀释接种到含有链霉素的完全培养基上。4.检出F-所含供体基因5.作图,中断杂交试验过程：,7.4.2中断杂交作图,中断杂交作图：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。,实验特点：Hfr菌株基因是按一定的线性顺序依次进入F-的；离原点愈近，进入愈早，反之则越晚；致育因子最后转移。,Hfr类型原点基因转移顺序HfrHOthrprolacpurgalhisglythi1Othrthiglyhisgalpurlacpro2Oprothrthiglyhisgalpurlac3OpurlacprothrthiglyhisgalAB312Othithrprolacgurgalhisgly,Wollman和Jacob用不同的Hfr品系进行了大量的中断杂交试验，并作出了基因的连锁图。,几个Hfr菌系的中断杂交试验及其连锁图：,差异：由于F因子插入环形染色体的不同位置以及配对方向不同（插入序列IS有极性），因此不同Hfr菌株转移的原点(O)和转移方向不同。,CirculargeneticmapofE.coliTotalmapunits=100minutes,7.4.3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。,Hfrlac+ade+(strs)F-lac-ade-(strr),完全培养基混合培养,加链霉素的基本培养基,ade+strr菌落,lac+ade+strr未发生交换,lac-ade+strr基因间发生交换,lac-ade之间的图距为：,lac-ade=,lac-ade+(单个整合个体数),lac-ade+lac+ade+(单个整合个体数)(同时整合个体数),X100%,=22%,两个位点间的时间约为1分钟，约相当于20%的重组值。,特点：(1)不用亲本类型：不重组将丢失。(2)接合重组不产生交互重组类型。,7.5F因子与性导,7.5.1F因子7.5.2性导,7.5.1F因子,F因子：带有部分宿主染色体的游离F因子。(p168,倒5)F菌株：细胞中含有F因子的菌株。特点:(p167)F携带细菌的基因，但并不减少自身的基因。F可以携带不同长度的细菌DNA片段。FF，F菌株能高频传递F因子和特定的基因，使F变成F菌株，并形成部分二倍体。,7.5.2性导,性导:利用F因子将供体细胞的基因导入受体形成部分二倍体的过程。,F，Hfr，F的接合比较,7.6细菌的转化与转导作图,7.6.1细菌的转化与作图7.6.2转导与作图,7.6.1细菌的转化与作图,转化:就是细菌细胞摄取周围游离的外源DNA片段，通过同源区段的交换而实现基因重组的过程。(p169)感受态细胞:能接受外源DNA分子并被转化的细菌细胞。感受态因子:促进转化作用的酶或蛋白质分子。,转化的主要步骤,双链DNA分子与细胞表面感受位点进行可逆性结合。供体DNA片断被吸入受体细胞。进入受体细胞的供体DNA转为单链，其中一条链被降解。未被降解的一条链部分或整个插入受体细胞的DNA中，形成杂合分子。杂合的DNA经复制可以形成亲代类型和重组类型的DNA,导致转化细胞的形成与表达。,转化子：细菌细胞经过转化所形成的各种重组子。转化的特点：1、转化时基因重组只发生在供体和受体的同源区域之间；2、不存在相反的重组子；3、只有双交换和偶数次交换才能形成重组子。,转化作图,7.6.2细菌的转导与作图,Figure7-19,(1)转导现象的发现：Lederberg及其研究生Zinder（1951）为了验证鼠伤寒沙门氏菌（Salmenellatyphimurium）中是否也存在着接合现象，进行了下列实验：LT22phe-trp-met-his+XLT2phe+trp+met+his-,基本培养基培养：原养型菌落10-5,A:Phe-trp-tyr-hisXB:Phetrptyrhis-,U型管实验,说明存在可通过滤膜的过滤因子-后来证明是温和噬菌体P22。,转导(transduction)：就是以病毒作为载体将遗传信息从一个细菌细胞传递到到另一个细菌细胞的过程。(p172，第3行)转导分为普遍性（一般性）转导和局限性（专一性）转导。普遍性（一般性）转导：噬菌体在转导时，可以携带细菌染色体的任意部分。（改自p172,第7行）局限性转导：噬菌体在转导时，只携带细菌染色体的特定部分。（改自p174,倒3段，第2行）,流产转导,重组,降解,（2）普遍性转导与作图,普遍性转导的过程,普遍性转导的特点噬菌体携带供体染色体片断是随机的，即任何基因的转导频率大致相等；转导频率低，只有0.3%左右的噬菌体是错误包装了宿主DNA的噬菌体；能装入噬菌体头部的DNA只约为噬菌体基因组的大小，约相当于细菌染色体的1%；如果细菌的两个基因之间距离大于噬菌体的染色体长度，一般不能同时进行转导。,普遍性转导作图原理,如果两个基因始终一起转导或同时转导频率较高，那么就足以证明这两个基因是连锁的。两个基因同时转导的现象称为共转导或称并发转导，两基因共转导频率愈高，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。在三因子转导中，频率最低的一类转导子的3个基因中，两边的为供体基因，中间的为受体基因。,【例1】用大肠杆菌P1噬菌体进行下列转导实验,供体thr+leu+azir受体thr-leu-azis受体中选择标记非选择标记leu+50%azi2%thr+thr+3%leu0%azithr+leu+0%azi1、leu+thrazileuthrleuazi2、thr+thrleuazi3、thr+leu+thrleuazi,例：trpA色氨酸，supC赭石突变抑制，pyrF嘧啶合成基因trpA+supC+pyrF+trpA-supC-pyrF-,结果：,supC+trpA+pyrF+36supC+trpA+pyrF-114supC+trpA-pyrF+0supC+trpA-pyrF-453,supCtrpA共转导的频率为：（36+114）/603=0.25supCpyrF共转导的频率为：36/603=0.06根据这些结果可以利用以下的公式对这三个基因作图d=L（1-x）d-同一染色体上两个基因之间的图距x-共转导的频率L-转导DNA的平均长度,3,局限性转导：又称专一性转导，噬菌体在转导时，只携带细菌染色体的特定部分。局限性转导的机制以大肠杆菌K12（）品系和噬菌体为例,（3）局限性转导与作图,噬菌体DNA的插入,异常切离,正常切离,噬菌体DNA的切离,defective-galdgal,低频转导dg丢失25%的基因，不能复制，也不能引起细菌细胞的裂解，只有细菌细胞被诱导发生裂解时，它们才被释放。(a)1/3是稳定的转导子：gal重组形成gal+型,(b)2/3是不稳定转导子：是dgal+/gal型部分二倍体,少数情况下会分离出gal细胞。dgal+不能复制丢失。,高频转导,产生/dgal双重原噬菌体的转导型,双重原噬菌体中正常的基因可以补偿dgal所缺失的基因功能，当细菌细胞被诱导将发生裂解时，两种噬菌体会同时获得大量复制，从而导致高频转导。,比较普遍性转导和局限性转导的异同,相同：都是以病毒作为载体将遗传信息从一个细菌细胞传递到到另一个细菌细胞的过程。不同：,比较接合、性导、转化、转导在细菌遗传物质传递上的异同,相同之处是：都是细菌的遗传物质DNA在不同的细菌细胞之间传递，从而使受体细胞遗传物质发生重组。不同之处是：接合：是由于F因子的整合产生Hfr菌株，在F因子进行转移