全国中学生生物学联赛遗传第四章 细菌和噬菌体的遗传分析ppt课件

1、第四章第四章 细菌和噬菌体的遗传分析细菌和噬菌体的遗传分析提 纲I.细菌的遗传分析II.噬菌体的遗传分析第一节第一节 细菌的遗传分析细菌的遗传分析1. 细菌概述2. 大肠杆菌的突变型和挑选3. 大肠杆菌的性别和杂交4. 致育因子(F因子)5. 低频重组与高频重组6. 中断杂交与作图7. 细菌的交换和重组8. 重组作图9. F因子和性导一一. . 细菌概述细菌概述(1). 细菌的细胞：真核生物细菌的细胞：真核生物eukaryotes) 细胞有细胞核，细胞有细胞核，进展减数分裂和有丝分裂，细菌是原核生物进展减数分裂和有丝分裂，细菌是原核生物prokaryotes)，没有细胞核，不进展减数分裂和有丝

2、，没有细胞核，不进展减数分裂和有丝分裂。而是简单地复制和一分为二。分裂。而是简单地复制和一分为二。(2). 细菌的染色体：细菌为单倍体，其染色体为环形双链细菌的染色体：细菌为单倍体，其染色体为环形双链DNA分子，不构成核小体构造。分子，不构成核小体构造。细胞壁(cell wall) 细胞膜(plasma membrane)拟核(Nucleoid)性纤毛(pili)核糖体(Ribosome)(Flagella)Electron micrograph of the bacterium Escherichia coli, which has had its DNA released by osmot

3、ic shock. 二、大肠杆菌的突变型及挑选：二、大肠杆菌的突变型及挑选：1、大肠杆菌的突变型、大肠杆菌的突变型(1). 合成代谢功能突变型合成代谢功能突变型anabolic functional mutant): 缺陷型缺陷型deficient) 野生型野生型wild type) 营养缺陷型营养缺陷型auxotroph) 原养型原养型prototroph)met- 甲硫氨基酸突变型甲硫氨基酸突变型 met+ thi- 硫胺突变型硫胺突变型 thi+ pur- 嘌呤突变型嘌呤突变型 pur+(2). 分解代谢功能突变型分解代谢功能突变型catabolic functional mutant)

4、lac- 乳糖突变型，乳糖突变型， 野生型为野生型为lac+(3). 抗性突变型抗性突变型resistance mutant)：strr , strs 分别表示对链霉素有抗性和敏感分别表示对链霉素有抗性和敏感T1r, T1s分别表示对分别表示对T1噬菌体有抗性和敏感噬菌体有抗性和敏感2、 突变型的挑选突变型的挑选 (1). 根据菌落特点挑选： 如:伊红-美蓝培育基 EMB(2). 抗性突变型的挑选：将细菌涂布在含有某种抗生素或噬菌体的培育基上，能构成菌落的就是抗性突变菌株。(3). 营养缺陷型的挑选： 印迹法(replica-plated method) : CM MMlac-突变菌株突变菌株

5、:白色或粉红色菌落白色或粉红色菌落lac+菌落菌落:有金属光泽的紫色菌落。有金属光泽的紫色菌落。 影印影印三三. . 细菌的杂交和性别细菌的杂交和性别E.coli 接合的发现：接合的发现： 1946年年 莱德伯格莱德伯格(Lederberg, J.) 塔特姆塔特姆 (Tatum) 细菌接合细菌接合 conjugation 1. 细菌的杂交细菌的杂交菌株菌株A: met-bio-thr+leu+thi+需甲硫氨酸和生物素需甲硫氨酸和生物素菌株菌株B: met+bio+thr-leu-thi-需苏氨酸，亮氨酸和硫胺需苏氨酸，亮氨酸和硫胺A B完全液体培育基完全液体培育基根本固体培育基根本固体培育基

6、结果：出现假设干原养型菌落，结果：出现假设干原养型菌落， 频率为频率为10-7 。 根本固体培育基根本固体培育基When strain A and B auxotrophs are grown in a common medium but separated by a filter, no genetic recombination occurs and no prototrophs are produced. The apparatus shown is a Davis U-tube. 结论：结论： 1菌株菌株A与菌株与菌株B之间发生了杂交，发生之间发生了杂交，发生了遗传物质的转移，出了遗传

7、物质的转移，出现了原养型。现了原养型。 2杂交过程中，杂交过程中，两菌株的接触是必需的。两菌株的接触是必需的。 2. 细菌的性别细菌的性别 菌株菌株A: met-thr+leu+thi+需甲硫氨酸需甲硫氨酸 菌株菌株B: met+thr-leu-thi-需苏氨酸，亮氨酸和硫胺需苏氨酸，亮氨酸和硫胺 A Str B出现原养型菌落出现原养型菌落 A B Str 不出现原养型菌落A：供体：供体(donor) 雄性雄性B：受体：受体(recipient)雌性雌性MM+Str四四. F因子因子F因子：是一种质粒，又称为致育因子因子：是一种质粒，又称为致育因子fertility factor，F。F菌：性

8、伞毛菌：性伞毛(sex pili)，即，即F纤毛。纤毛。F菌：菌：An electron micrograph of conjugation between an F+ E.coli cell and an F- cell. The sex pilus linking them is clearly visible. 1. F因子因子F-factor)的构造的构造 配对区域(pairing region) 致育基因致育基因(fertility gene)原点原点(origin) 原点原点(origin)：复制区：复制区 配对区域配对区域(pairing region)：重组：重组区区 致育基因

9、致育基因(fertility gene)：接合：接合转移区转移区F因子因子 2. F-菌与F+菌的接合转移F+lac+F-lac-F-lac-F+lac+F+lac+F+lac+1F+与与F-接触构成结接触构成结合管合管(conjugation tube).2F因子滚环复制，转因子滚环复制，转移到移到F-细胞。细胞。3F-细菌细菌 F+细菌。细菌。An F+F- mating demonstrating how the recipient F- cell converts to F+. 五、五、 低频重组与高频重组低频重组与高频重组 低频重组低频重组(low frequency recombi

10、nation，Lfr)： F+与与F-的杂交中，的杂交中，F因子因子的转移频率很高，但供受体细菌染的转移频率很高，但供受体细菌染色体的重组频率却很低，约为色体的重组频率却很低，约为10-6，因此因此F+品系称为低频重组品系品系称为低频重组品系(菌菌株株)。2、高频重组、高频重组(High frequence recombination,Hfr) 1951年 Cavalli用氮芥处置F， 然后将处置后的FF 104 1954年 Hayes 也分别了Hfr品系，发现： (1)Hfr使重组才干添加，但无传送F因子的才干，Hfr F F (2)Hfr只能将供体基因组的一部分传给受体，Hayes的解释是

11、Hfr的F因子发生了永久性改动。FF 重组子重组子 此称为此称为Hfr. 解释：解释： 此品系中，此品系中， F因子整合到了细菌染因子整合到了细菌染色体上，与色体上，与F-细胞接细胞接合后将供体染色体的合后将供体染色体的一部分或全部传送给一部分或全部传送给F-受体，当供体和受受体，当供体和受体的等位基因带有不体的等位基因带有不同的遗传标志时，可同的遗传标志时，可察看到它们之间发生察看到它们之间发生重组，频率可到达重组，频率可到达10-2以上，称为高频重以上，称为高频重组品系菌株。但组品系菌株。但却很少使却很少使F-细菌转变细菌转变成成F+细菌。细菌。 F因子的整合和环出因子的整合和环出 配对区

12、域：配对区域： 插入序列插入序列 insertion sequence, IS) 配对和交换配对和交换 附加体附加体(episome)：六六. 中断杂交技术与作图中断杂交技术与作图 1954年年, Wollman和和Jacob ， 实验：实验：Hfr F-Hfr: thr+ leu+ azir tonr lac+ gal+ strsF-: thr- leu- azis tons lac- gal- strr 混合混合 间隔时间取样间隔时间取样 中断杂交中断杂交 稀稀释菌液释菌液 选择培育基选择培育基thr+leu+str) 测定重组子测定重组子 链霉素抗性半乳糖能否利用乳糖能否利用Tl 噬菌体

13、抗性叠氮化钠抗性亮氨酸合成才干苏氨酸合成才干 Hfr F- 出现重组子菌落T1 azi lacThr leu 时间分钟时间分钟 转移的基因转移的基因9 - 9 azir 11 azir tonr 18 azir tonr lac+ 24 azir tonr lac+ gal+ T=0：杂交开场；：杂交开场；T=8分钟内，无重组菌落出现；分钟内，无重组菌落出现；T=9分钟，有少量分钟，有少量azir菌落，但仍为菌落，但仍为tons。T=11分钟时，开场出现分钟时，开场出现tonr菌落；菌落；T=18分钟时，出现分钟时，出现lac+菌落；菌落；T=24分钟时，出现分钟时，出现gal+菌落。菌落。

14、1. 中断杂交实验结果Conversion of F+ to an Hfr state occurs by integrating the F factor into the bacterial chromosome. 1不同的非选择标志进入受体且重组的时间不同，但都是稳定的； 2各基因的重组频率随着时间的添加 而添加，直至极值； 3按时间顺序，先重组和后重组的基因，重组率的极值在逐渐减少；2. 中断杂交技术作图中断杂交技术作图 中断杂交技术中断杂交技术interrupted mating technique)：根据供体基因进入受体细胞的时：根据供体基因进入受体细胞的时间顺序可绘制连锁图。间顺

15、序可绘制连锁图。 间隔单位：分钟间隔单位：分钟 Hfr细菌的染色体从原点细菌的染色体从原点(Origin, O)开场，开场，以线性方式进入以线性方式进入F-细菌，基因进入细菌，基因进入F-有一定的有一定的时间顺序。每一次较远基因的转移，都意味着时间顺序。每一次较远基因的转移，都意味着较近基因也要一同转移，因此，越早进入的基较近基因也要一同转移，因此，越早进入的基因，离原点越近，所能到达的重组频率也越高；因，离原点越近，所能到达的重组频率也越高；越晚进入的基因，离原点越远，所能到达的重越晚进入的基因，离原点越远，所能到达的重组频率也越低。组频率也越低。O azi ton lac gal0 9 1

16、1 18 25 0 5 10 15 20 25 (分钟) 起点 thr,leu azi ton lac gal 图 8-13 利用中断杂交进行 E.coli 染色体作图 3. F因子最后转移因子最后转移 假设Hfr F-杂交不断进展到2小时再中断，某些F-受体转变为Hfr,即F因子也转移到受体，并使之成为Hfr供体，但是频率很低，阐明F因子离原点最远。O azi ton lac gal F0 9 11 18 25 120 Hfr菌株染色体上菌株染色体上F因子的转移呵斥了高频重组。因子的转移呵斥了高频重组。由于由于F因子离原点最远，转移频率很低，所以很少使因子离原点最远，转移频率很低，所以很少使

17、F-变成变成Hfr或或F+。 4、 大肠杆菌染色体是环形的 不同不同Hfr菌株进展中断杂交实菌株进展中断杂交实验，基因转移的顺序、起点和转验，基因转移的顺序、起点和转移方向各不一样。移方向各不一样。 推断大肠杆菌的染色体为环推断大肠杆菌的染色体为环形，而形，而F因子在细菌染色体上有因子在细菌染色体上有许多插入位点，且插入方向不同。许多插入位点，且插入方向不同。Hfr H o thr azi lac tsx gal trp mal xyl metB thi F C o tsx lac azi thr thi metB xyl mal trp gal F J4 o thi metB xyl mal

18、 trp gal tsx lac azi thr F P72 o metB thi thr azi lac tsx gal trp mal xyl F Trp malGal xyltsx metB lac thi azi thr C P72 H J4(a)The order of gene transfer in four Hfr strains, suggesting that the E. coli chromosome is circular. (b) The point where transfer originates (O) is identified in each strain

19、. 七、七、 细菌的交换和重组细菌的交换和重组 F-内基因子，内基因子，endogenote) 供体外基因子，供体外基因子，exogenote 供体外基因子供体外基因子F-内基因子内基因子部分二倍体部分二倍体(partial diploid) 细菌的交换和重组的特点细菌的交换和重组的特点F-受体很少得到完好的受体很少得到完好的F因子，大多数重组子仍为因子，大多数重组子仍为F-。只需偶数次交换才干产生平衡的有活性的重组子；只需偶数次交换才干产生平衡的有活性的重组子；3重组子只需一种类型，重组子只需一种类型， 相反的重组子相反的重组子(reciprocal recombinant)不会出现。不会出

20、现。3、 大肠杆菌的遗传图谱大肠杆菌的遗传图谱图距单位：分钟图距单位：分钟总长度：总长度：100分钟分钟起点起点0分钟分钟 ：thr座座位位大肠杆菌的环形遗传学图大肠杆菌的环形遗传学图九、九、 F因子和性导因子和性导 Adel berg ，1959年年 F因子因子(F-primer factor) 如图如图 性导性导(sex-duction or F-duction)Conversion of an Hfr bacterium to F and its subsequent mating with an F- cell. 1、. F-,F+,Hfr,F细菌的相互转化F+ F- HfrF+ F-

21、 F+ F-结结合合吖黄素吖黄素高频重组高频重组低频重组低频重组整合整合FF重组频率较低重组频率较低 2. 三种致育因子的相互关系(1). 有有F因子的细菌为因子的细菌为F+，无，无F因子为因子为F-，具有致育因子，具有致育因子F, F或或Hfr的菌株就是雄性菌株的菌株就是雄性菌株(male strains) 。(2). F因子可以整合到细菌染色体上，构成因子可以整合到细菌染色体上，构成Hfr菌株。不同菌株。不同Hfr菌菌株株F因子的整合位点不同。因子的整合位点不同。(3). F因子又可以从因子又可以从Hfr染色体上剪切下来，产生染色体上剪切下来，产生F因子。假设剪因子。假设剪切不准确而带有一

22、段细菌染色体，那么称为切不准确而带有一段细菌染色体，那么称为F因子。因子。(4). F因子很容易转移到因子很容易转移到F-细胞中，细胞中， F+ F-F+，但是供体染色，但是供体染色体的转移频率很低体的转移频率很低, 重组频率很低。重组频率很低。(5). Hfr能以高频率把细菌染色体基因转移到能以高频率把细菌染色体基因转移到F-细菌中，却极少使细菌中，却极少使F-变为变为F+由于由于F因子位于因子位于Hfr染色体的最末端；染色体的最末端；(6). F因子的性质介于因子的性质介于F+和和Hfr之间，即可转移本身，又可以转移之间，即可转移本身，又可以转移细菌基因。但频率较低。细菌基因。但频率较低。

23、第二节第二节. 噬菌体的遗传分析噬菌体的遗传分析1. 病毒概述2. 噬菌体的繁衍和感染周期(infection cycle)(1). 烈性噬菌体(2). 温暖性噬菌体3. 噬菌体的突变型4. 噬菌体的基因重组5. 转导与作图(1). 普遍性转导(2). 局限性转导一、噬菌体的构造和形状一、噬菌体的构造和形状病毒无细胞构造，仅由蛋白质和核酸构成病毒无细胞构造，仅由蛋白质和核酸构成,可以分为可以分为:(1). 动物病毒动物病毒(2). 植物病毒植物病毒(3). 细菌病毒噬菌体细菌病毒噬菌体, bacteriophage, phageT噬菌体的构造蛋白质外壳核酸 表8-6 几种病毒染色体的特点病毒宿

24、主核酸结构染色体类型T-偶数噬菌体E.coli双链DNA线状；环状排列末端有RST7E.coli双链DNA线状；单一顺序E.coli双链DNA线状；单股粘性末端P22沙门氏菌双链DNA线状；单一顺序174E.coli单链DNA环状QE.coli单链RNA线状（呼肠病毒）哺乳动物双链RNA几个片段SV40人类双链DNA超螺旋环鼠白血病病毒鼠单链RNA几个片段烟草花叶病毒烟草单链RNA线状二二. 噬菌体的繁衍和感染周期噬菌体的繁衍和感染周期(1). 烈性噬菌体烈性噬菌体: 如如T噬菌体噬菌体吸附吸附细菌裂解细菌裂解,释放出释放出子代噬菌体颗粒子代噬菌体颗粒细菌染色体降解细菌染色体降解噬菌体噬菌体D

25、NA和蛋和蛋白质外壳包装成白质外壳包装成子代噬菌体颗粒子代噬菌体颗粒The structure of bacteriophage T4 including an icosahedral head filled with DNA, a tail consisting of a collar, tube sheath, base plate, and tail fibers. Life cycle of bacteriophage T4. The plaque assay for bacteriophage analysis. (2). 温暖噬菌体温暖噬菌体:吸附溶菌周期溶菌周期-uv诱导诱导细菌

26、裂解细菌裂解溶源周期溶源周期如如噬菌体噬菌体:原噬菌体原噬菌体Electron micrographs of phage lambda (left) and the DNA isolated from it (right). 三三. 噬菌体的突变型噬菌体的突变型1). 条件致死突变型条件致死突变型:(1). 温度敏感突变温度敏感突变(2). 抑制因子敏感突变抑制因子敏感突变2).宿主范围突变型宿主范围突变型: E.coli B E.coli B/2 E.coli B+E.coli B/2 h+ + - 半透明噬菌斑半透明噬菌斑 h- + + 透明噬菌斑透明噬菌斑3).噬菌斑形状突变型噬菌斑形状

27、突变型:(1). r+ 小噬菌斑小噬菌斑,边缘模糊边缘模糊(2). r- 大噬菌斑大噬菌斑,边缘明晰边缘明晰: 快速溶菌快速溶菌(rapid lysis)四四. 噬菌体的基因重组噬菌体的基因重组1、基因重组、基因重组用用T2噬菌体噬菌体h-r+和和h+r-混合感染混合感染E.coli B,再再用释放出来的子代噬菌体感染用释放出来的子代噬菌体感染E.coli B+E.coli B/2 ,出现四种噬菌斑出现四种噬菌斑:透明小噬菌斑透明小噬菌斑(h-r+ )半透明大噬菌斑半透明大噬菌斑(h+r-)透明大噬菌斑透明大噬菌斑(h-r-)半透明小噬菌斑半透明小噬菌斑(h+r+) T2噬菌体的四种噬菌斑噬菌

28、体的四种噬菌斑重组率重组率= =(h+r+h-r-) 总噬菌斑数总噬菌斑数五五. 转导与作图转导与作图 转导(transduction):以噬菌体为媒介,将细菌的染色体片段或基因从一个细菌转移到另一个细菌.供体A 受体B(1). 普遍性转导(2). 局限性转导噬菌体噬菌体1、转导的发现、转导的发现 1952年年J.Lederberg ，N. Zinder发现发现1P22的侵染性和的侵染性和FA的才干都可被一的才干都可被一些水解酶，如些水解酶，如DNase和胰蛋白酶所抑和胰蛋白酶所抑制；制；2FA的大小和质量与的大小和质量与P22一样。一样。3用用P22抗血清或加热处置都可以使抗血清或加热处置都

29、可以使P22和和FA失活，且失活速率一样；失活，且失活速率一样；4FA和和P22的宿主范围一样。的宿主范围一样。 (一一). 普遍性转导普遍性转导The Lederberg-Zinder experiment using Salmonella. Generalized transduction. 普遍性转导普遍性转导(generalized transduction):噬菌体携带供体染噬菌体携带供体染色体片段是完全随机的色体片段是完全随机的, 供体染色体中一切基因具有同等时机供体染色体中一切基因具有同等时机被转导入受体被转导入受体,而且各个标志基因被转移的频率大致相等而且各个标志基因被转移的频

30、率大致相等.这是这是由于噬菌体将供体染色体降解，在合本钱身由于噬菌体将供体染色体降解，在合本钱身DNA和包装时，偶和包装时，偶尔会将细菌染色体片段包装进入子代噬菌体颗粒，并带入受体尔会将细菌染色体片段包装进入子代噬菌体颗粒，并带入受体菌。菌。 如用如用P22噬菌体转导沙门氏菌：供体噬菌体转导沙门氏菌：供体A: trp+phe+tyr+ 受体受体B: trp- phe- tyr- 可出现大致相等的重组子：可出现大致相等的重组子：trp+phe-tyr- trp-phe+tyr- trp-phe-tyr+ 普遍性转导的频率较低普遍性转导的频率较低,约为约为10-5,两个基因同时转导的频两个基因同时

31、转导的频率那么更低率那么更低, 仅有仅有10-5 10-5=10-10. 假设两个基因同时转导的频率那么较高假设两个基因同时转导的频率那么较高,那么阐明它们那么阐明它们相互连锁相互连锁,成为共转导成为共转导(cotransduction).共转导的频率越高共转导的频率越高,那么基因连锁越严密那么基因连锁越严密.反之那么基因间隔越远反之那么基因间隔越远.据此可用于据此可用于细菌染色体的基因作图细菌染色体的基因作图.表 8-9 P1 共转导实验结果实验选择标记非选择标记1leuazir:5%, thr:2%2thrleu:3%,3leu,thrazir:0%二、局限性转导二、局限性转导(restr

32、icted transduction J. Lederberg & N. Zinder发现 又叫特异性转导(specialized transduction)。 野生型E.coli UV 细胞裂解 K12 () gal 诱导 感染非溶原的品系 根本 106 gal 培育基 选择 转导体 这类噬菌体只能转移细菌染色体的特定部分和基因这类噬菌体只能转移细菌染色体的特定部分和基因. 如如 噬菌体是一种附加体噬菌体是一种附加体(episome), 即可作为一即可作为一个复制因子独立存在，又可以整合到细菌染色体上个复制因子独立存在，又可以整合到细菌染色体上的特定位点的特定位点attB位点位点,而构成原噬菌体。而构成原噬菌体。 attB位位点一边是点一边是gal基因，另一边是基因，另一边是bio。在紫外线诱导下，。在紫外线诱导下，原噬菌体从细菌染色体上分开时，偶尔带有宿主细原噬菌体从细菌染色体上分开时，偶尔带有宿主细菌基因，包装构成局限性转导的噬菌体颗粒，可将菌基因，包装构成局限性转导的噬菌体颗粒，可将供体基因转移至受体细菌，但仅限于供体基因转移至受体细菌，但仅限于 接近接近attB位点位点附近的基因，如附近的基因，如 噬菌体专门转导噬菌体专门转导gal和和bio基因。基因。Electron micrograp