细菌和病毒的遗传作.ppt

1、第9章 细菌和病毒的遗传,本章重点,1细菌影印法,3细菌和病毒的四种遗传分析方法： 转化、接合、性导、转导,4掌握F+、F-、F、HfrF+ 的特点,5理解和掌握中断杂交和重组作图的原理,2噬菌体结构和基因重组特点,自主学习题,解释下列名词: 基本培养基 完全培养基 原养型 营养缺陷型 溶源性细菌 转化 接合 性导 转导 普遍性转导 特殊性转导 烈性噬菌体 温和噬菌体 中断杂交作图 F+菌株 F菌株 Hfr菌株 部分二倍体,一、细菌,1、大小,比较小的单细胞，大约12m长，0.5m宽,2、结构：简单，包括细胞壁、细胞膜、拟核、核糖体、细胞质及内含物； 特殊结构： 如荚膜和鞭毛 见教材：145页

2、图7-16,第一节 细菌和病毒遗传研究的意义,细菌,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,4、涂布和繁殖,细菌每个细胞在较短时间内（如一夜）能繁殖107 个子细胞 成为肉眼可见的菌落或克隆,单个主染色体，一个或多个小染色体（质粒,3、遗传物质,5、细菌遗传的研究方法-平板培养,6、细菌菌落的表现型,原养型（野生型）：在基本培养基上能正常 生长的细菌,突变型：在基本培养基上不能正常生长的细菌,生理突变型,A、营养缺陷型,B、抗性:抗药或抗感染,表型突变型,菌落大小、颜色、形状,7、突变发生的测定影印培养法,完全培养基,选择培养基,选

3、择培养基,选择培养基,二、病毒,1、 病毒的一般特性,无细胞结构：为蛋白质外壳包裹核酸而成的颗粒,遗传物质： 只含一种核酸（DNA或RNA,繁殖方式：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,其体积大小相差悬殊，绝大多数直径在10300 nm之间。其形态多种多样,病毒的形态结构借助电子显微镜才可以观察到,2 、病毒的分类,宿主,细菌病毒噬菌体,植物病毒,无脊椎动物病毒,脊椎动物病毒,亚病毒,类病毒（viroid,拟病毒（virusoid,朊病毒（prion,三、细菌和病毒在遗传研究中的优越性,6)、便于进行遗传操作,1)、世代周期短。大肠杆

4、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)、是单倍体，便于研究基因的突变和重组,4)、遗传物质简单，便于研究基因结构、功能,5)、可用作研究高等生物的简单模型,第二节、噬菌体的遗传分析,一、噬菌体的结构,二、T2噬菌体的基因重组与作图,三、噬菌体的基因重组与作图,细菌病毒 是研究得比较清楚的病毒。 噬菌体侵染细菌后在均匀生长的细菌培养板上形成噬菌斑（plaque）。 根据噬菌斑的形态和生长特点可以鉴别不同的噬菌体,一、噬菌体bacteriophage，phage的结构,T4噬菌体形态,T4 phage的结构模式,噬菌体的分类,按其在宿主细胞中的生活

5、方式分为： 温和噬菌体：在噬菌体侵入后，细菌并不裂解，而是 以溶源体或质粒的形式存在的一类噬菌体称为温和性噬 菌体。 烈性噬菌体：噬菌体侵入宿主细胞，利用宿主细胞内 的物质进行自身合成子噬菌体，并使宿主细胞裂解而释 放子噬菌体，这类噬菌体称为烈性噬菌体,烈性噬菌体virulent phage,噬菌体的生活周期,烈性噬菌体的生活周期,吸附 、 侵入、核酸的复制、转录与蛋白 质的生物合成 、装配 、 释放,吸附,侵入,核酸复制,转录,装配,释放,温和噬菌体的生活周期,具有溶原性（lisogeny）的生活周期。 侵入细菌以后，细菌细胞并不马上裂解,噬菌体（ phage,侵入细菌后，细菌并不裂解。 噬

6、菌体的DNA通过交换整合到细菌染色体上。 随着细菌DNA一起复制,噬菌体,溶原性细菌（lysogenic bacterium,DNA整合在寄主染色体中的噬菌体称为原噬菌体（prophage,含原噬菌体的宿主细菌称为溶原性细菌,溶源周期裂解周期,原噬菌体通过诱导（induction）可转变为烈性噬菌体，进入裂解周期。 诱导方式：UV、温度改变、与非溶原性细菌接合等。 诱导使阻遏物失活，噬菌体的基因表达，进入裂解周期,P1 噬菌体( P1 phage,感染E.coli以后，不整合到细菌DNA上，而是独立存在于寄主细胞内。 不影响宿主细胞的正常代谢 P1 DNA 自主复制，并分配到宿主的子细胞中去，

7、而且可以多于一个拷贝。 受P1 噬菌体感染的细菌也可以因诱导而进入裂解周期,一个正常的T2 phage产生的噬菌斑小而边缘模糊，记为r； 突变体r-产生的噬菌斑大而边缘清晰。 r- T2 噬菌体是速溶（rapid lysis）突变体,二、T2噬菌体的基因重组与作图,噬菌体遗传性状,噬菌斑的形态,正常的T2 噬菌体能感染E.coli B株，h。 E.coli的突变型B/2株能抗T2的感染。 h的突变型h-能克服B/2株的抗性，既能侵染B株又能侵染B/2株,宿主范围,T2 phage 和 E.coli的关系,混合感染（mixed infection,两个基因型不同的噬菌体同时感染一个宿主细胞，又称

8、为双重感染（double infection）。 共同生存在同一个宿主细胞中的两个噬菌体DNA也可以发生交换，产生基因重组,T2 基因重组试验,用基因型为rh- 和 r-h的两种T2 噬菌体同时感染E.coli B株（双重感染）。 将双重感染后释放出来的子代噬菌体接种在同时长有B株和B/2株的培养板上，记录噬菌斑的数目和形态,hr 半透明，大 hr 透明，小 hr 透明，大 hr 半透明，小,亲本型,重组型,重组率（Rf） 100,基因型,表现型,重组噬菌斑,总噬菌斑,T2 plaques,h+r,hr,h+r,hr,半透明，大,透明，大,T2 phage重组试验结果,注：不同速溶性噬菌体的突

9、变型在表现型上不 同，可分别写成ra、 rb、 rc等,根据上表结果可以分别作出3个连锁图,有四种可能的排列顺序,基因顺序的精确确定,杂交： rcrb rc rb,Rfrcrb14,rc h rb,可以先只考虑 rc、rb 及h来确定三者的顺序,由于噬菌体的连锁图是环状，所以2、3排列都对,h,rc,rb,ra,12.3,11.7,1.6,作图,Kaiser(1955)，噬菌体的重组作图。 用UV照射获得了5个phage的突变型： s型，噬菌斑较小， mi型，噬菌斑特别小， c型，噬菌斑完全清晰， co1型，噬菌斑中间模糊，四周清晰， co2型，噬菌斑的中部较co1型更为浓密,三、 噬菌体的基

10、因重组与作图,溶源性受到干扰，只能进入裂解周期，故斑清亮,噬菌体s co1 mi 的杂交结果及分析作图,s co1 mi,Rf双交换（513）/2091X1000.86,Rfsco1（3032）/2091X1000.86% 3.76,Rfmico1（6151）/2091X1000.86% 6.16,3.76,6.16,噬菌体s co1 mi 基因连锁图,细菌遗传物质的重组有四种不同的方式： 转化（transformation） 接合（cojugation） 性导（sexduction） 转导（transduction,第三节 细菌的遗传分析,一、转化（transformation,细菌通过细胞

11、膜摄取周围环境中DNA片段，并通过重组将其整合到自身Chr中，而使它的基因型和表现型发生相应变化的现象,野生型肺炎双球菌菌落为光滑型，一种突变型为粗糙型，两者根本差异在于荚膜形成,荚膜的主要成分是多糖，具特殊的抗原性。不同抗原性是遗传的、稳定的，一般情况下不发生互变,Griffith肺炎双球菌转化试验及其结果,转化试验,转化特征,转化现象在细菌中是一种普遍现象。不同细菌转化过程有一定差异，但是它们都存在几个方面的特征,感受态指细菌能够从周围环境中吸收DNA分子进 行转化的生理状态,感受态主要受一类蛋白质(感受态因子)影响，感受态因子可以在细菌间进行转移，从感受态细菌中传递到非感受态细菌中，可以

12、使后者变为感受态。一般认为感受态只能发生在细胞生长周期的某一阶段,1、只有当细菌处于感受态时，细菌才能转化,2、并非所有外源DNA片段都适合转化，只有双链、而且相当大的外源DNA片段才能够转化。 如：转化肺炎双球菌的DNA片段至少要有800bp，而枯草杆菌最少需要16000bp。 3、只有当整合的DNA片段产生新的表现型时，才能测知转化的发生。 4、因为在细菌的细胞壁或细胞膜上有一定数量的DNA接受位点。在达到饱和之前，对某一个特定基因来说，存在的供体DNA分子数目与转化子数目成正比,感受态,转化过程,结合(binding,穿入,当细菌细胞处于感受态时，供体(donor)双链DNA分 子可结合

13、在受体(receptor)细胞表面的结合位点上。一 旦受体位点饱和后，将阻止其它双链DNA的结合,稳定结合在受体位点上的双链供体DNA，由外切酶或 DNA移位酶降解其中的一条链，而另一条链进入细胞中,联会,整合(integration,供体的单链DNA片段与其相应的受体DNA片段联会，联会也可发生在异种DNA之间，这主要取决于种间亲缘关系的远近,是指单链的供体DNA与受体DNA对应位点的置换，从而稳定地渗入到受体DNA中。它对同源DNA具有特异性，异源DNA视亲缘关系远近，也可发生不同频率的 整合,A,B,A,B,A,单转化A,B,单转化B,A,B,并发转化A、B,转化作图,并发转化：当两个基

14、因紧密连锁时，它们就有机会 同时被转化。并同时整合到受体细胞染色体上,转化作图原理,相邻基因共转化的频率与基因间距离成反比，即基因间距离越近，发生共转化频率越高；反之越低,基因间距离与重组类型频率间呈正比，即基因间距离越远，重组类型频率越高。重组类型即为单基因转化产物,A,B,A,B,并发转化A、B,A,B,B,单转化B,A,B,单转化A,A,A、B间距离越近，A、B双转化频率越高，A转化频率、B转化频率越低,A、B间距离越远，A、B双转化频率越低，A转化频率、B转化频率越高,trp2+his2+tyr1+ （供体）trp2-his2-tyr1-（受体）的转化类型及重组率计算,例1：枯草杆菌共

15、转化遗传作图,trp2,his2,tyr1,34,13,连锁遗传图,trp2,his2,tyr1,34,13,40,在原核生物中，两个细胞在相互接触过程 中，遗传物质从一个个体转移到另一个个体的 现象称为接合,概念,二、接合conjugation,接合的发现,J.Lederberg & E.Tatum 大肠杆菌杂交试验（1946）,结果：平板上长出原养型菌落(,材料：大肠杆菌K12菌株的两个营养缺陷型品系,菌株A甲硫氨酸缺陷型 met- 和生物素缺陷型 bio,菌株B苏氨酸缺陷型 thr- 和亮氨酸缺陷型 leu,方法：将A、B两菌株混和，在基本培养基(固体)上涂布培养,细菌的接合试验,回复突

16、变的排除,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,互养作用的排除,材料 A品系：A-B+ T1S(met-bio-thr+leu+ T1S) B品系：A+B- T1R(met+bio+thr-leu- T1R,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,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,喷噬菌体T1杀死A菌,转化作用的排除,加热法,加热

17、,戴维斯的U形管试验,细胞直接接触是原养型细菌产生的必要条件,W.Hayes通过实验（1952）证明，在接合过程中遗 传物质是一种单向的转移。即遗传物质从A菌株转移到 了B菌株,供体（雄性） 受体（雌性） A B,W.Hayes等进一步研究发现， A菌株之所以能成为供体，是因为它有一个性因子，即致育因子（fertility factor），简称F因子,目前研究表明F因子为环状DNA分子,E.Coli F因子的三种存在状态,没有F因子受体菌（雌性菌）：不含有F因子的细菌，记为 F,游离状态的F因子供体菌（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,整合的F因子Hfr菌株（高频

18、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,F因子的结构,F因子的特点,F细菌可以把F因子传给后代,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 频率获得重组体后代,7,性伞毛/接合管,接合过程,F因子的转移低频重组 F+ F- = F+ F+重组通过质粒转移、复制进行,接合过程示意图,高频重组,高频重组细胞的形成,Hfr细胞染色体的转移,Hfr F- Hfr F- Hfr F- 时，细菌基因的重组频率增加千倍,Hfr菌株的形成及其基因转移,高频重组中基因的转移,部分二倍体,当Hfr菌的部分染色体进入F细胞后，F细胞中就成

19、为部分二倍体（partial diploid）或部分合子（merozygote）。 新转入的DNA片断称为供体外基因子（exogenote），而受体的染色体称为受体内基因子（endogenote,部分二倍体及其交换,Hfr品系与F菌株的异同,高剂量链霉素处理后都不影响杂交，说明它们 都是作为一种供体,相同,都能和F- 杂交,杂交都要通过接合管和受体菌相联接,不同,产生重组子频率不同,4,7,产生的后代不同,F F 后代F ， HfrF 后代F,HfrF 10 ，F F 10,中断杂交试验,Hfr中的DNA向F转移时，是从酶切端点开始直线式进行的。 因此可以用于基因作图,中断杂交试验,Hfr：s

20、trs thr+ leu+ azis tonAs galb+ lac+ F：strr thr- leu- azir tonAr galb lac strr 对链霉素有抗性 azir 对叠氮化合物有抗性 tonAr 对T1噬菌体有抗性 thr+ leu+ galb+ lac+ 对苏氨酸、亮氨酸、半乳糖和乳糖为原养型,实验方法与步骤,混合培养,根据基因转入F 的时间 进行细菌染色体作图,每隔一定时间取样，搅拌,测试形成的F 菌落的基因型， 确定每个基因转入F 的顺序（时间,1分钟20%的重组值,1分钟20%的重组值,1分钟20%的重组值,在含str的完全培养基上，Hfr被 杀死,中断杂交后，接合后

21、体中各个性状出现的频率,大肠杆菌Hfr strs thr+ leu+ azis tonAs galb+ lac+ F- strr thr- leu- azir tonAr galb- lac-的结果,根据中断杂交试验绘制的连锁图,F因子插入的位置及方向,F因子和细菌染色体都是环状,用不同的Hfr菌株进行中断杂交实验，基因 转移的原点(O)和转移方向不同，表明F因子和 细菌染色体都是环状,用中断杂交试验确定的几个Hfr菌株的基因顺序,作图,重组作图,如果两个基因间的转移时间小于2分钟，用中断杂交法所得的图距不太可靠，应采用传统的重组作图法,Hfr lac ade str F lac ade st

22、r,s,r,经中断杂交试验，lac 基因在ade 基因的前面,ade 重组的两种形式,Hfr染色体,受体染色体,lac,ade,基因型,Hfr染色体,受体染色体,lac,ade,基因型,计算公式,Rf,lac- ade,lac+ ade+)+( lac- ade,100,中断杂交试验结果表明，lac-ade间的距离 为1min, 而用重组作图法算出的重组率为20%， 因此，一个时间单位（1min）相当于20%的重 组率,大肠杆菌染色体图,三、性导,1、概念：带有F因子的细菌在接合时，由F因子所携带的外源DNA便转移到宿主细菌的染色体上，这一过程称为性导,2、F因子,概念：Hfr菌株在切除F因子

23、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,F因子的形成,F因子,lac,ton,lac,ton,Hfr,F因子,lac,ton,ton,lac,F因子,3、F携带的基因转移,ton,lac,ton,lac,F因子,ton,lac,lac,F因子,部分二倍体,Lac,ton,重组体,4、F因子的特点,F因子以极高的比率转移它携带的基因,F因子有极高的自然整合率，而且整合在一定的基因座位上，因有与细菌同源的染色体区段，不同于F因子随机插入,5、F因子 与F+、Hfr的关系,5、性导作图,两个位点必须密切相连，才能处在同一个F因子上

24、。然后计算两个位点间的重组频率，这样就可以获得每个片段的连锁群。作图方法同转导作图,四、转导,1、概念：以噬菌体为媒介所进行的细菌 遗传物质重组的过程，称为转导,2、转导的发现,原因? 可能为接合或转化引起的,鼠伤寒沙门氏菌 1952 Lederbery及其研究生Zinder发现,说明遗传物质的转移是通过一种可通过滤膜的过滤性因子（FA）实现,接合的排除-U型管实验,转化作用的排除,LA22,LA2,高温杀菌,加DNA酶,原养菌落,LA2,LA22,高温杀菌,加DNA酶,原养菌落,FA不受DNA的破坏,研究结果表明：FA就是温和噬菌体P22,3、转导的类型,普遍性转导,概念：P1、P22这类噬

25、菌体可以转导细菌染色体组的任何部分，这类转导称为普遍性转导,普遍性转导中遗传物质的转移,普遍性转导,普遍性转导遗传作图,作图原理,因此，测定两基因的合转导频率就可以确定基因之间的秩序和距离,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,A、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

26、序就应为：bac,作图方法,以E.coli的P1噬菌体进行下列转导,供体thrleu azir 受体thrleuazis 先用P1 噬菌体感染供体菌株，再用来自供体的新一代P1噬菌体感染受体菌株。 然后检测受体菌基因型,检测结果,选择标记 非选择标记 1 leu+ 50% azir ，2% thr+ 2 thr+ 3% leu+ ， 0 azir 3 thr+leu+ 0% azir,课后17题：(自学,实验 选择的标记基因 未选择的标记基因,1,pur,prohis87 prohis0 prohis10 prohis3,2,pro,purhis43 purhis0 purhis55 purh

27、is2,3,his,purpro21 purpro15 purpro60 purpro4,实验1： pur与his近、与pro远,pur,his,pro,或,pur,his,pro,实验2： pro与his、与pur远,pro,pro,his,his,pur,pur,综合实验1、实验2，三者之间的顺序如下,pur,his,pro,实验3： his与pur较近、与pro更近。进一步说明上面的结果是正确的,B、三因子转导：只需分析一个实验的结果就可以推出三个基因的次序,最少的一类转导体应代表最难于转导的情况，这种转导体是同时发生交换次数最多的一类。这种转导体的两边应为供体基因，而中间为受体基因，如正确次序为abc，就应为a+bc,例如：供体大肠杆菌具有基因型a+b+c+，受体的基因型为abc,a,b,c,a,b,c,abc,abc,abc,双交换,a,b,c,a,b,c,abc,abc,abc,a,b,c,a,b,c,四交换,abc,假定由实验得到的最少的转导体类别为a+b+c，那么就可以确定，这三个基因的正确次序应当是acb或bca,a c b,例：课后16题,供体菌：purnadpdx；受体菌：purnadpdx,选择基因,基因型,菌落数,pur,nadpdx,nadpdx,