微生物遗传学

1、第七章 细菌和病毒的遗传 细菌和蓝绿藻属于原核生物： 一个线条状或环状染色体( (单倍体结构) )； 无典型的有丝分裂和减数分裂； 染色体传递和重组方式与真核生物不同。 病毒： 比细菌更简单； 在寄主细胞内以集团形式产生； 属于只有一条染色体的单倍体。 第一节 细菌和病毒遗传研究的意义 1.1.大小：细胞较小、长约1.2u1.2um m 、宽约0.5u0.5um m； 2.2.结构：鞭毛、细胞壁、质膜、间体、核质体、核糖体 3.3.遗传物质：单个主染色体、一个或多个小染色体（质粒） 一、细菌： 研究细菌遗传的方法：主要是对细菌菌落形态的遗传研究 ( (如图，霉菌菌落) ) 原则上说，培养皿中每

2、个细菌长成的菌落应具有共同的遗 传组成，但是由于偶然发生的突变：形态性状的突变，生 理特性的突变或抗性的突变，而使这些突变后的细菌所形 成的菌落与其他的菌落有所不同。 菌落形态性状的突变包括：菌落的形状、 颜色和大小等。 ( (如图，菌落形态性状 ) ) 4.4.涂布和繁殖：每个细胞在较短时间内( (如一夜) )能裂殖到 10107 7个子细胞 成为肉眼可见的菌落或克隆(Clone)(Clone)。 5.5.生理特性突变： . . 营养缺陷型： 丧失合成某种营养物质能力，不能在基本培养基上生长； 原养型：野生菌株则可在基本培养基上生长。 用不同的选择性培养基 测知突变的特性。 . . 抗性突变

3、型： 如抗药性或抗感染性。 例如：青霉素(penr(penr，r r代表resistance)resistance)抗性突变的菌落。 测定突变的方法影印法： 黎德伯格等(Lederberg(Lederberg和Lederberg,1952)Lederberg,1952)设计。 Lederberg J., 1958Lederberg J., 1958 NobelNobel奖获得者， 发现细菌转导和接合 培养基中加 有青霉素 抗青霉素的菌生长 没有细胞结构，是单倍体，只有一条染色体。 病毒 蛋白质外壳 + + 包被在内的核酸。 烟草花叶病毒腺病毒T4 T4 噬菌体爱滋病病毒 RNARNA DNAD

4、NA DANDANRNARNA 病毒分类： 寄主：动物、植物、细菌； 遗传物质：DNA DNA 或RNARNA。 二、病毒： 病毒中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。 感染细菌的病毒又叫噬菌体(bacteriophage), 是目 前了解比较清楚的病毒。 噬菌体对于分子生物学的研究具有非常重要的贡献。 常见几个主要噬菌体的特性质见表71。 1 1世代周期短： 大肠杆菌( (E. ColiE. Coli)20)20分钟可繁殖一代。 2 2便于管理和生化分析： 个体小，一般在1u1u至几u u之间，因一支试管可以储

5、存数 以百万计的细菌和病毒，操作管理方便。 三、细菌和病毒在遗传研究中的优越性： 3 3便于研究基因突变： 裸露的DNADNA分子( (有的病毒为RNARNA分子) )，易受环境条 件的影响而发生突变；单倍体生物，不存在显性掩盖隐 性问题，突变均能表现出来。 4 4便于研究基因的作用： 影印培养，易检出营养缺陷型突变，有利于从生化 角度来研究基因的作用。 5 5便于基因重组研究： 细菌具有转化、转导和接合作用，利用这些特性可 以进行精密的遗传学分析。 6. 6. 便于研究基因结构、功能及调控机制： 细菌和病毒的遗传物质简单，基因定位、结构分 析及其分离易于进行，基因的表达调控也适于用生理 生化

6、的方法进行深入的研究。 7. 7. 便于进行遗传操作： 染色体结构简单，没有组蛋白和其它蛋白的结合，更 宜于进行遗传工程的操作。 第二节 噬菌体的遗传分析 1. 1. 结构简单： 蛋白质外壳、核酸、某些碳水化合物、脂肪等。 2. 2. 多样性的原因： 外壳的蛋白质种类、染色体类型和结构的不同。 3. 3. 两大类( (据噬菌体DNA在宿主细菌内的特点 )： 烈性噬菌体：能引起寄主细胞裂解的噬菌体。 例：T T噬菌体系列(T(T1 1-T-T7 7) )； 温和性噬菌体: : 侵入寄主细胞后，不使寄主细胞 裂解的噬菌体。具容源性的P P1 1和噬菌体。 一、噬菌体的结构： 、烈性噬菌体： 1.

7、1. 结构大同小异，外貌一般呈蝌蚪状： 头部：双链DNADNA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。 T偶列噬菌体 2 2T T偶列噬菌体的侵染过程（如T T4 4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 合成大量的噬菌体遗传物质和蛋白质 组装成许多新的子噬菌体 溶菌酶裂解细菌 释 放出数百个噬菌体。 T4噬菌体从大肠 杆菌中释放 、温和性噬菌体： 例如和P1P1噬菌体和P1P1各代表一种略有不同的溶源性 类型。 .噬菌体： 噬菌体侵入后，细菌不裂解 附在E.coliE.coli染色体上的 galgal和biobio位点间的

8、attatt座位上 通过交换整合到细菌染 色体，并能阻止其它噬菌体的超数感染。 1. 1. 溶源性的生活周期： .P.P1 1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。 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。 原噬菌体：整合在宿主基因组中的噬菌体。 2. P2. P1 1和噬菌体的特性： P1P1和各代表不同的溶原性类型： P P1 1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； 噬菌体：通过交换整合到细菌染色体上。 溶源性细菌分裂 两个子细胞： P P1 1噬菌体复制则使每个子细胞中至少含有一个拷贝；

9、 噬菌体随细胞染色体复制而复制，细胞中有一个拷贝。 共同特点：核酸既不大量复制，也不大量转录和翻译。 第三节 细菌的遗传分析 一、转化（transformationtransformation）： 概念：指某些细菌能通过其细胞膜摄取周围供体的染色 体片段，将此外源DNADNA片段通过重组加入自己染色体组 的过程。 19281928年，格里费斯(Griffith F.)(Griffith F.)在肺炎双球菌中发现 转化现象。 19441944年，阿委瑞(Avery O. T.)(Avery O. T.)成功地进行了肺炎双球菌 转化试验；证实遗传物质是DNADNA；转化是细菌交换基因的 方法之一。

10、 细菌中的大部分的转化工作是用下面三种细菌完成 的：肺炎双球菌，枯草杆菌和流感嗜血杆菌。 转化主要分为二个步骤进行: : ( (一) )供体DNADNA与受体细胞间的接触与互作 肺炎双球菌转化：DNADNA片断至少有800800个碱基对； 枯草杆菌的转化：DNADNA片断至少有1600016000个碱基对。 转化的第一步是使转化DNADNA与受体细菌间的成功地 相互作用，这包括：转化片段的大小、形态、浓度和 受体细胞的生理状态。 . .转化片断的大小： . .供体DNADNA分子存在的数目： 对特定基因来说，供体DNADNA分子数目与成功转化有关。 链霉素抗性基因转化：在每个细胞含有1010个

11、DNADNA分子之前， 抗性转化体数目一直与DNADNA分子存在数目成正比。 原因：在细菌的细胞壁或细胞膜上有固定数量的DNADNA接受 座位，故一般细菌摄取的DNADNA分子数小于1010个。 受体的生理状态： 受体细胞必须在生理上处于感受态。 这种感受态只能发生在细菌生长周期的某一时间 范围内，在感受态内，活跃合成的蛋白质的细菌细胞 壁多少发生改变而易于接受转化DNADNA。 、转化DNADNA的摄取和整合过程： 细菌中的转化，包括供体DNADNA的结合与穿入，联会和整合。 当细菌处于感受态时，外源双链DNADNA分子可结合在 受体细胞表面的接受座位上。细菌在摄取外源DNADNA时， 由D

12、NADNA移位酶降解其中一条链，并利用降解这条链产生 的能量，将另一条链拉进细胞中。 . .结合与穿入： 供体单链DNADNA片段一旦进入细胞，按各个不同的 位点与其相应的受体DNADNA片段联会。 . .联会： 单链的转化DNADNA通过与受体DNADNA对应位点的置换从而稳定 地参入到受体DNADNA中。 整合( (重组) )： 转化动化 (三)转化和基因重组作图 例如：黎德伯格等用枯草杆菌进行转化和重组试验 DNA DNA 片段进入受体细胞之后，可与受体染色体发 生重组。紧密连锁的两个基因有较多的机会包括在同 一个DNADNA片段中，并同时整合到受体染色体中。 Trp2 his2 tyr

13、1 三者并发转化的频率最高，故这3 3个基因是连锁的， 其中his2his2和tyr1tyr1连锁紧密： 单交换时，染色体开环易降解，故不存在单交换类型； 只有双交换和偶数的多交换才有效的。 二、接合（conjugationconjugation）： 1.1.概念：是指原核生物的遗传物质从供体(donor)(donor)转移 到受体(receptor)(receptor)内的过程。 特点：需通过细胞的直接接触。 B B菌株：Met+ bio+ thr- leu-Met+ bio+ thr- leu-， 需加苏氨酸和亮氨酸。 不同营养缺陷型的大肠杆菌： A A菌株：Met- bio- thr+

14、leu+Met- bio- thr+ leu+， 需加甲硫氨酸和生物素。 2 2实例：黎德伯格和塔特姆（19461946年）： A A菌株和B B菌株营养缺陷型，不能在基本培养上生长。 A+BA+B菌株混合培养，在完全培养基上，几小时后离心，涂 布基本培养, ,长出原养型(Met+bio+ thr+ leu+)(Met+bio+ thr+ leu+)菌落。 这种原养型细胞如何出现？ 转化？ 细胞间直接接触而发生遗传物质交换和重组? ? A A、B B菌株分别培养在基本培养基上 一边加压和吸引使 培养液充分混合 结果任何一臂的培养基上均未长出原 养型细菌。 直接接触( (接合) )是 原养型细胞

15、出现的必要 条件。 大分子可通过，细 菌不能通过 Hayes(1952)Hayes(1952)试验证明： 接合过程是一种单向转移， A A菌株遗传物质 B B菌株， 从供体“donor”donor”到受体 “receptor”receptor”。 F F 因子：致育因子( (性因子) )，是一种附加体。 携带F F因子的菌株称为供体菌或雄性，用F F表示。 未携带F F因子的菌株为受体菌或雌性，用F F表示。 、F F因子及F F向F F的转移： F F 因子的组成： 染色体外遗传物质， 环状DNADNA； 40-6040-60个蛋白质基因； 2-42-4个/ /细胞( (雄性内) )。 F

16、F 因子的三种状态： 以大肠杆菌为例： 一个自主状态F F因子，即F F； 带有一个整合的F F因子的细胞叫高频重组细胞，HfrHfr细胞。 没有F因子，即F； 自主状态时 F F 因子独立进行分裂。 F FF F：先形成接合 管，F F因子的DNADNA边转 移边复制，F F细胞 F F细胞。 F F因子整合到细菌染色体上 (F(F Hfr Hfr细胞) )，其繁殖 与细菌染色体同步进行。 此时，细菌基因的重组频 率增加4 4倍以上，因此染色 体上整合有F F因子的菌株， 称为HfrHfr菌株。 、HfrHfr细胞的形成及染色体的转移： 细菌染色体由一小段单 链的F F因子为前导而转移 到F

17、 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，接合中断 受体 细胞仍为F F，F F因子仍留 在供体内。 当F因子复制完成后，F-变成F+(动画)。 部分二倍体中发生交换: : 单数交换：打开环状染色体，产 生一个线性染色体，这种细胞是 不能成活的。 偶数交换：产生可遗传的重组体 和片段。 部分二倍体：当F F或HfrHfr的细菌染色体进入F F后，在 一个短时期内，F F细胞内的某些位点就会成为二倍体 的DNADNA。 三、性导（sexductionsexduction）: : 性导：指接合时由F F因子所携带 的外源DNADNA整合到细菌染色体的 过程。 F F

18、 因子整合过程： 可逆，发生环出时，F F因子又可重 新离开染色体。 AdelbergAdelberg和Burns(1959)Burns(1959)： F F因子偶尔在环出时不够准确，会携带出染色体上的一 些基因，这种因子称为F F因子。 F F因子携带染色体的节段大小：从一个标准基因到半个 细菌染色体。 F F因子使细菌带有某些突出的特点： F F因子转移基因比率极 高，如同F+F+因子转移比率； F F因子的自然整合率极 高，并且整合在一定的座位 上。 携带有与细菌染色体 一样的同源区段；而正常F F 因子可在不同座位整合。 雅科和阿代尔伯格发现： 特殊的HfrHfr菌株能把laclac+

19、 + 等位基因高频率地转移到F lacF lac- - 受体之中。 laclac基因位于远端，中断杂交实验中只有1/10001/1000重组率； 由F F携带lac+ lac+ 基因进入受体后可在laclac位点上形成部分 二倍体FlacFlac+ + / lac / lac- -。 性导在大肠杆菌遗传研究中的作用： 每个F F因子携带有不同大肠杆菌基因，包括全部染色体 基因，可以分离出大量的F F因子，利用不同基因在一起的并 发性导的频率来作图； 通过性导产生部分二倍体，确定等位基因位置、显隐性 关系提供了重要方法； . . 性导形成的部分二倍体可用作互补测验，确定两个突 变类型是否属于同一

20、个基因。 1.1.概念：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。 2.2.特点： 以噬菌体为媒介 细菌的一段染色体被错误地包装在噬菌 体的蛋白质外壳内 通过感染转移到另一个受体细胞内。 感染细菌的能力决定于噬菌体的蛋白质外壳。 四、转导（transductiontransduction）： 3.3.例如： 黎德伯格与津德（19511951）发现鼠伤寒沙门氏菌中转导现象。 . . 将两个沙门氏菌的营养缺陷型进行杂交： phephe- - try try- - tyr tyr- - met met+ + his his+ + phe phe+ + try try+