细菌和病毒的遗传学习教案

1、会计学1第一页，共102页。第一节第一节 细菌和病毒细菌和病毒(bngd)的结构的结构第二节第二节 细菌细菌(xjn)的遗传分析的遗传分析第三节第三节 噬菌体的遗传噬菌体的遗传(ychun)分析分析第1页/共102页第二页，共102页。 第一节第一节 细菌和病毒细菌和病毒(bngd)(bngd)的结构的结构 细菌和病毒的结构及其遗传特点，使它们成为遗传学研究的好材料。转化试验、一个(y )基因一种酶假说、基因的精细结构、基因表达的调控、基因工程等遗传学的重大发现和技术发展都与细菌和病毒有关。第2页/共102页第三页，共102页。第3页/共102页第四页，共102页。第4页/共102页第五页，共

2、102页。1世代周期短：世代周期短：大肠杆菌大肠杆菌(E. Coli)20分钟可繁殖一代。分钟可繁殖一代。2便于管理和生化分析：便于管理和生化分析： 个体小，一般在个体小，一般在1m至几至几m之间之间(1m=1/1000mm)，操作管理方便。，操作管理方便。3便于研究基因突变：便于研究基因突变：裸露的裸露的DNA分子分子(有的病毒为有的病毒为RNA分子分子)，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，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(bioxin)出来。出来。三、细菌三、细菌(xjn)和病毒在遗传学研究的优越和

3、病毒在遗传学研究的优越性性第5页/共102页第六页，共102页。 4 4便于研究基因的作用：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。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：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：便于研究基因结构、功能及调控机制：细菌和病毒细菌和病毒(bngd)(bngd)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

4、表达调控也适于用生理生化的方法进行深入的研究。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的方法进行深入的研究。7. 7. 便于进行遗传操作：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。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6页/共102页第七页，共102页。细菌细菌(xjn)的研究方的研究方法：法：第7页/共102页第八页，共102页。第8页/共102页第九页，共102页。细菌的影印培养(piyng)方法（Lederberg, 1952）第9页/共102页第十页，共102页。第

5、10页/共102页第十一页，共102页。1. 转化（转化（transformation）：裸露的非病毒的）：裸露的非病毒的DNA导入细导入细菌细胞的过程。菌细胞的过程。2. 转染（转染（transfection）：裸露的病毒（噬菌体）：裸露的病毒（噬菌体）DNA导入导入细菌的过程。是一种特殊的转化形式。细菌的过程。是一种特殊的转化形式。3. 转导（转导（transduction）：以噬菌体为媒介将细菌的）：以噬菌体为媒介将细菌的DNA从供体菌转移到受体菌的过程。从供体菌转移到受体菌的过程。4. 接合（接合（conjugation）：细菌通过）：细菌通过(tnggu)细胞之间的直细胞之间的直接接

6、触的方式传递遗传物质的过程。接接触的方式传递遗传物质的过程。第二节第二节 细菌细菌(xjn)(xjn)的遗传分析的遗传分析第11页/共102页第十二页，共102页。通过(tnggu)接合作用，部分供体基因组DNA转移到受体菌中通过(tnggu)接合作用，质粒转移到受体菌中第12页/共102页第十三页，共102页。1. 单方向单方向(fngxing)转移转移2. 都产生部分二倍体都产生部分二倍体3. 转入的基因只有整合到环状染色体上才能稳定遗传转入的基因只有整合到环状染色体上才能稳定遗传第13页/共102页第十四页，共102页。三、细菌三、细菌(xjn)的转化（的转化（transformatio

7、n）1. 转化转化(zhunhu)的发的发现现 1928年年F. Griffith首先发现。首先发现。1944年年O. Avery研究小组证实引起转化的因子研究小组证实引起转化的因子(ynz)是细菌的是细菌的DNA。 转化转化(transformation)：细菌细胞通过其细胞膜摄取周围供体细菌细胞通过其细胞膜摄取周围供体DNA片段，并通过重组整合到自己染色体中的过程。片段，并通过重组整合到自己染色体中的过程。第14页/共102页第十五页，共102页。2. 转化转化(zhunhu)的类型的类型（1）自然）自然(zrn)转化（转化（natural transformation）细菌可以自由细菌可

8、以自由(zyu)吸收吸收DNA，并转化。如：枯草杆菌的转化。，并转化。如：枯草杆菌的转化。（2）工程转化（）工程转化（engineered transformation） 人工转化人工转化 (artificial transformation) 细菌发生改变细菌发生改变(感受态细胞的制备感受态细胞的制备)，使其能摄入外源，使其能摄入外源DNA，并转化。如：大肠杆菌的转化。，并转化。如：大肠杆菌的转化。第15页/共102页第十六页，共102页。（1）外源）外源DNA与受体细菌细胞的结合与受体细菌细胞的结合 影响因素：影响因素： 供体供体DNA片段大小：不同细菌要求转化的片段大小不同。肺炎双球菌要

9、求片段大小：不同细菌要求转化的片段大小不同。肺炎双球菌要求800核苷酸对以上；核苷酸对以上；枯草杆菌要求枯草杆菌要求1600核苷酸对以上；大肠杆菌转化核苷酸对以上；大肠杆菌转化DNA片段长度为片段长度为10000-20000bp（占（占E.coli染色染色体的体的1/200）。）。 供体供体DNA片段形态：供体片段形态：供体DNA必需是双链。必需是双链。 供体供体DNA片段浓度：供体片段浓度：供体DNA片段数目越多越容易发生转化，但不同细菌只能与特定数量片段数目越多越容易发生转化，但不同细菌只能与特定数量DNA片段结合。取决于细胞上接受座位数。一个细菌表面大约有片段结合。取决于细胞上接受座位数

10、。一个细菌表面大约有50个吸附位点。个吸附位点。 受体细胞生理状态：感受状态细胞（受体细胞生理状态：感受状态细胞（DNA合成刚结束，蛋白质合成仍在进行时的细胞）才能发合成刚结束，蛋白质合成仍在进行时的细胞）才能发生转化。感受态的出现主要受一类小分子蛋白质（感受态因子）影响，感受态因子可以使细胞出生转化。感受态的出现主要受一类小分子蛋白质（感受态因子）影响，感受态因子可以使细胞出现感受态，并能从感受态细菌传递到非感受态细菌，使其出现感受态。一般认为感受态出现在细现感受态，并能从感受态细菌传递到非感受态细菌，使其出现感受态。一般认为感受态出现在细菌对数生长菌对数生长(shngzhng)后期。高后期

11、。高Ca2+、温度以及电激处理等，也能够改变膜对、温度以及电激处理等，也能够改变膜对DNA的通透性的通透性，从而诱导或加强感受态。，从而诱导或加强感受态。 第16页/共102页第十七页，共102页。第17页/共102页第十八页，共102页。 b）DNA通过细胞壁和细胞膜是一个主通过细胞壁和细胞膜是一个主动运输过程，需要膜上的转运动运输过程，需要膜上的转运(zhun yn)分子，并消耗能量。分子，并消耗能量。（2）DNA的穿入的穿入(chun r)a）在细胞膜上核酸外切酶的作用）在细胞膜上核酸外切酶的作用(zuyng)下，将吸附双链下，将吸附双链DNA中的一条链降解，另一条单链则利用降解后释放的

12、能量，穿入受体细胞内。中的一条链降解，另一条单链则利用降解后释放的能量，穿入受体细胞内。 第18页/共102页第十九页，共102页。外源DNA穿入受体细胞示意图单链DNA细胞膜供体DNADNA结合复合蛋白体能量核酸外切酶细胞壁第19页/共102页第二十页，共102页。联会：外源单链联会：外源单链DNA与受体细菌染色体与受体细菌染色体DNA的同源区段发生联会的同源区段发生联会 ，形成，形成(xngchng)部分二倍体。部分二倍体。部分二倍体：细菌拟有性生殖过程中，外源部分二倍体：细菌拟有性生殖过程中，外源DNA与受体与受体DNA同源区段联会，使同源区段联会，使受体细胞部分受体细胞部分DNA形成形

13、成(xngchng)二倍体。二倍体。供体外基因子：部分二倍体中的外源供体外基因子：部分二倍体中的外源DNA。受体内基因子：部分二倍体中受体细胞的受体内基因子：部分二倍体中受体细胞的DNA。整合（重组）：部分二倍体发生交换，将外源整合（重组）：部分二倍体发生交换，将外源DNA置换到受体染色体中。置换到受体染色体中。第20页/共102页第二十一页，共102页。第21页/共102页第二十二页，共102页。 经过一次染色体复制和细胞分裂，形成一个经过一次染色体复制和细胞分裂，形成一个(y )转化了的细胞和一个转化了的细胞和一个(y )未被转化的未被转化的细胞。细胞。（4）转化细胞）转化细胞(xbo)的

14、形成的形成第22页/共102页第二十三页，共102页。细菌转化细菌转化(zhunhu)的过程的过程整合整合(zhn h)外源外源DNA结合结合(jih)在受体在受体位点位点DNA穿入穿入感受态细胞感受态细胞联会联会形成转形成转化细胞化细胞第23页/共102页第二十四页，共102页。4. 4. 转化转化(zhunhu)(zhunhu)作图作图 DNA DNA是以小片段的形式进入受体的，所以距离很远的两个基因很难同时存在于一个片段中同时转化，除非分别包括这两个基因的两个片段同时进入受体。两个片段同时转化的概率应为它们单独转化的概率的乘积。但是当两个基因紧密连锁是以小片段的形式进入受体的，所以距离很

15、远的两个基因很难同时存在于一个片段中同时转化，除非分别包括这两个基因的两个片段同时进入受体。两个片段同时转化的概率应为它们单独转化的概率的乘积。但是当两个基因紧密连锁(lin su)(lin su)时，它们就有较多的机会包括在同一个时，它们就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，因此，紧密连锁片段中，并同时整合到受体染色体中，因此，紧密连锁(lin su)(lin su)的基因可以通过转化进行作图。通过转化实验，利用转化发生的重组计算它们之间的重组率，将细菌的不同基因定位在它的染色体的基因可以通过转化进行作图。通过转化实验，利用转化发生的重组计算它们之间的重组率

16、，将细菌的不同基因定位在它的染色体DNADNA上，构成它的遗传图谱。上，构成它的遗传图谱。第24页/共102页第二十五页，共102页。第25页/共102页第二十六页，共102页。arg+arg-arg+arg-arg+arg-arg+arg-arg+arg-arg+arg-arg+arg-arg+arg-arg+arg-第26页/共102页第二十七页，共102页。第27页/共102页第二十八页，共102页。E. coli接合接合(jih)的发现的发现 1946年年Joshua Lederberg（黎德伯格）和黎德伯格）和Edward Tatum发现发现(fxin)了细菌之间通过直接接触了细菌之

17、间通过直接接触传递遗传信息。传递遗传信息。 Lederberg由于研究细菌的重组而获得由于研究细菌的重组而获得1958年年Nobel Medicine or physiology Prize。 Tatum和和G.W.Beable提出的提出的“一个基因一个酶一个基因一个酶”也在此奖中。也在此奖中。第28页/共102页第二十九页，共102页。 1. Lederberg-Tatum实验实验(shyn) Lederberg发明的用基本培养基（发明的用基本培养基（minimal medium）筛选原养型（）筛选原养型（prototroph）方法。）方法。对照对照(duzho)（control）第29页/

18、共102页第三十页，共102页。实验解释：基因突变实验解释：基因突变(j yn t bin)；营；营养物质互补；遗传物养物质互补；遗传物质重组？质重组？第30页/共102页第三十一页，共102页。Lederberg和和Tatum从概率上和对照实验上排除了细菌从概率上和对照实验上排除了细菌发生发生(fshng)恢复突变的可能性：恢复突变的可能性：a）单一性状恢复突变）单一性状恢复突变(tbin)率是率是10-7，双性状恢复突变，双性状恢复突变(tbin)的概率是的概率是10-14。结论：结论：在在A菌株与菌株与B菌株之间发生了菌株之间发生了遗传物质的交换遗传物质的交换。营养物质互补：营养物质互补

19、：营养缺陷型细菌通过培养交换营养物质，相互补充了对方的不足而得以在基本培养基上生长。营养缺陷型细菌通过培养交换营养物质，相互补充了对方的不足而得以在基本培养基上生长。b）对照培养的）对照培养的A、B菌株都没有生长出菌落。菌株都没有生长出菌落。第31页/共102页第三十二页，共102页。（1）实验获得的原养型重组菌可能是转化的结果。）实验获得的原养型重组菌可能是转化的结果。（2）营养物质的互补：培养基中含有某些代谢产物，混合）营养物质的互补：培养基中含有某些代谢产物，混合(hnh)后互相补充了对方的缺陷而得以生长。后互相补充了对方的缺陷而得以生长。uLederberg和和Tatum的补充的补充(

20、bchng)试验试验A（或（或B）菌株菌株基本培养基中培养基本培养基中培养细菌滤器过滤细菌滤器过滤滤液滤液B（或（或A）菌株菌株基本培养基中培养基本培养基中培养不能生长不能生长第32页/共102页第三十三页，共102页。第33页/共102页第三十四页，共102页。uHayes（海斯）实验（海斯）实验(shyn)strain A链霉素处理链霉素处理(chl)strain Bstrain A在基本在基本(jbn)培养基中有菌落培养基中有菌落接合接合：指两菌体细胞的直接接触，遗传物质从一个菌体转移到另外一个菌体，并导致遗传重组的过程。：指两菌体细胞的直接接触，遗传物质从一个菌体转移到另外一个菌体，并

21、导致遗传重组的过程。2.接合接合 1952年年Hayes用链霉素处理菌株用链霉素处理菌株A，然后和菌株，然后和菌株B杂交，有遗传重组发生，反之，则无重组的产生，说明杂交，有遗传重组发生，反之，则无重组的产生，说明细菌遗传物质的交换不是交互的，而是单向的细菌遗传物质的交换不是交互的，而是单向的-F因子因子第34页/共102页第三十五页，共102页。strain B链霉素处理链霉素处理(chl)strain Astrain B在基本培养基中没有在基本培养基中没有(mi yu)菌落菌落链霉素只阻止细菌分裂，但允许接触杂交。链霉素只阻止细菌分裂，但允许接触杂交。 供体：供体：strain A虽然被阻止

22、分裂，但仍然能完成虽然被阻止分裂，但仍然能完成杂交（给出杂交（给出DNA），结果产生分裂形成的），结果产生分裂形成的原养型菌落。原养型菌落。第35页/共102页第三十六页，共102页。结论结论(jiln):strain B 被阻止分裂，也能完成杂交（接收被阻止分裂，也能完成杂交（接收(jishu)DNA），但不能分裂形成原养型菌落。），但不能分裂形成原养型菌落。 受体：受体：两个菌株在杂交过程中的作用不是两个菌株在杂交过程中的作用不是(b shi)交互的，而是单向的，交互的，而是单向的，DNA只能从供体转移到受体。只能从供体转移到受体。第36页/共102页第三十七页，共102页。（1）供体（）

23、供体（donor）菌株：）菌株：（2）受体（）受体（recipient）菌株：）菌株：“雄性雄性”菌株：细胞菌株：细胞(xbo)内含有一种致育因子（内含有一种致育因子（fertility factor），表示为），表示为F +。“雌性雌性”菌株：缺乏菌株：缺乏F因子因子(ynz)，表示为，表示为F -。从逻辑上预言了从逻辑上预言了F因子（因子（F factor）的存在。）的存在。第37页/共102页第三十八页，共102页。F factor：是一种质粒，有独立自主复制和能够转移到其：是一种质粒，有独立自主复制和能够转移到其它细胞它细胞(xbo)中去的能力。是一种共价闭合环状中去的能力。是一种共价

24、闭合环状DNA，全长，全长94.5kb。 质粒（质粒（plasmid）：存在于细菌染色体以外的）：存在于细菌染色体以外的DNA。对细菌的生存并非必须，但能给细菌带来一些额外。对细菌的生存并非必须，但能给细菌带来一些额外( wi)的功能（如抗菌素抗性等）。的功能（如抗菌素抗性等）。F因子的结构因子的结构第38页/共102页第三十九页，共102页。大肠杆菌的接大肠杆菌的接合合(jih)过程过程（F+F- ）：）：F因子的转移频因子的转移频率高，而细菌率高，而细菌DNA转移频率转移频率极低。极低。 F+F-(1)F+与F-混合培养(piyng)相互接触，F+供体菌上的性伞毛形成两细胞之间的接合管(2

25、)核酸内切酶在F因子的转移起点（oriT）的一条链上产生一个缺口，然后5末端单链通过(tnggu)接合管进入受体细胞(3)F因子上的单链DNA和正在转移的单链DNA，各自为模板，在DNA聚合酶的作用下合成双链DNA(4) 完成F因子向受体细胞转移以及DNA的合成(5)在DNA连接酶的作用下完成接合，形成两个F+细胞第39页/共102页第四十页，共102页。 1950年年Luca Cavalli-Sforza（卡瓦里斯弗所）用氮芥（卡瓦里斯弗所）用氮芥（nitrogen mustard）处理）处理A菌株，从存活下来菌株，从存活下来(xi li)的菌中分离到一株能与的菌中分离到一株能与B菌株以菌株

26、以10-4频率杂交的菌株，称之为频率杂交的菌株，称之为Hfr（high frequency recombination）。）。F+ + F- -F+ +Hfr F- -F- -低频率低频率(pnl)重组，重组，10-7高频率重组，高频率重组，10-4第40页/共102页第四十一页，共102页。（1）Hfr与与F factor的异同的异同(ytng)处：处： 都能与都能与F-F-杂交杂交(zjio)(zjio) 杂交时都要通过接合的形式杂交时都要通过接合的形式 高剂量的链霉素处理不影响杂交高剂量的链霉素处理不影响杂交 产生的重组菌落的频率不同产生的重组菌落的频率不同 F+ + F- -的后代是的

27、后代是F+ + ； Hfr F- -的后代是的后代是F- - F+ +经吖啶橙处理变成经吖啶橙处理变成F- -；而；而Hfr经丫啶经丫啶橙处理仍为橙处理仍为Hfr，能与能与 F- -杂交杂交相相同同点点不不同同点点第41页/共102页第四十二页，共102页。部分(b fen)二倍体F因子整合到染色体上，形成因子整合到染色体上，形成Hfr，由于，由于F因子整合在细菌染色体的位置和方向因子整合在细菌染色体的位置和方向(fngxing)是随机的，所以存在许多不同的是随机的，所以存在许多不同的Hfr菌株。菌株。Hfr F-：细菌：细菌DNA转移率很高，转移率很高，F因子转移率很低。因子转移率很低。Hf

28、r染色体上F因子的转移起点(qdin)被核算内切酶切开，以一小段FDNA首先进入受体细胞，然后是染色体DNA第42页/共102页第四十三页，共102页。1.两细胞接触，供体性伞毛形成接合管，整合的两细胞接触，供体性伞毛形成接合管，整合的F因子因子(ynz)产生缺口。单链通过接合管转移到受体产生缺口。单链通过接合管转移到受体细胞（细胞（F因子因子(ynz)的转移原点及附近的供体基因）；的转移原点及附近的供体基因）；2.转移的部分转移的部分Hfr染色体与完整的染色体与完整的F-染色体，形成部分二倍体；染色体，形成部分二倍体；3.通过双交换，供体基因整合在受体基因组上。如果部分二倍体中发生单交换或奇

29、数的交换，则受通过双交换，供体基因整合在受体基因组上。如果部分二倍体中发生单交换或奇数的交换，则受体内基因子体内基因子(ynz)由环状变为线状，导致细菌死亡。由环状变为线状，导致细菌死亡。Hfr F-部分二倍体：转移的供体染色体称为部分二倍体：转移的供体染色体称为供体外基因子，而受体的完整染色体供体外基因子，而受体的完整染色体称为受体内称为受体内(t ni)基因子。转移染色基因子。转移染色体的长度一般限制在供体染色体总长体的长度一般限制在供体染色体总长的的1/2以内。以内。线性DNA片段(pin dun)被降解第43页/共102页第四十四页，共102页。第44页/共102页第四十五页，共102

30、页。F因子因子(ynz)的形成的形成在在Hfr细胞中，染色体上的细胞中，染色体上的F因子因子是相当稳定的，但是相当稳定的，但F因子也能够因子也能够低频率低频率(pnl)地从细菌染色体上地从细菌染色体上切除，偶尔会形成携带部分细菌切除，偶尔会形成携带部分细菌染色体基因的染色体基因的F因子，阿代尔伯因子，阿代尔伯格和伯恩斯（格和伯恩斯（Adelberg和和Burns ，1959年）称该因子为年）称该因子为F因子。因子。第45页/共102页第四十六页，共102页。性导性导(sexduction)：指指F因子所携带的细菌染色体因子所携带的细菌染色体DNA，通过接合，通过接合作用转移到受体细菌染色体中，

31、从而改变受体遗作用转移到受体细菌染色体中，从而改变受体遗传性状的过程。传性状的过程。性导在受体细菌中可形成性导在受体细菌中可形成(xngchng)部分二倍部分二倍体。体。第46页/共102页第四十七页，共102页。基因AE形成(xngchng)部分二倍体通过接合作用(zuyng)转移到受体细菌染色体F因子携带(xidi)细菌染色体DNA第47页/共102页第四十八页，共102页。形成的部分二倍体可发生一下形成的部分二倍体可发生一下(yxi)几种几种情况：情况： 2、若发生重组，即、若发生重组，即F因子所携带的供体细菌因子所携带的供体细菌(xjn)染色体同受体细菌染色体同受体细菌(xjn)染色体

32、之间发生了同源重组，染色体之间发生了同源重组， 1、这种部分二倍体若不发生重组，那么、这种部分二倍体若不发生重组，那么F因子因子(ynz)可在细菌细胞中自主的延续下去；可在细菌细胞中自主的延续下去； 1）如果发生单交换，会导致）如果发生单交换，会导致F因子整合到受体染色体上而形成因子整合到受体染色体上而形成Hfr品系，同时品系，同时F因子上所携带的供体基因也发生重组；因子上所携带的供体基因也发生重组； 2）如果发生双交换，使）如果发生双交换，使F因子上的细菌基因与受体染色体上等位基因之间发生互换，形成的因子上的细菌基因与受体染色体上等位基因之间发生互换，形成的F品系和重组的细菌染色体。品系和重

33、组的细菌染色体。 第48页/共102页第四十九页，共102页。5. F 因子因子(ynz)与与F-、F+、Hfr、F的的关系关系 1）F+与F-关系：当F+ 和 F-接合过程中，它们之间形成接合管，使受体获得了F因子而成为F+ 菌。F因子以高频率从F+菌向F-菌转移，而染色体基因的转移则很少发现，重组频率大约只有10-7，因此F+菌称为低频重组型 (low frequency recombination，Lfr)。 2） Hfr与F-关系：当Hfr与F-的接合过程中，首先形成接合管，使供体染色体转移给受体，形成高重组频率（10-4），因此 Hfr菌称为高频重组型 (high frequency

34、 recombination strain，Hfr)。 3）Hfr 与F+、 F关系：Hfr与F+菌株可以相互转变，F因子既可以插入到染色体中去（Hfr），又可以通过规则的交换和剪切，从染色体上完整地游离下来(xi li)（F+）。 F因子在从染色体上剪切时偶尔也会出现不规则分离的结果，使F因子携带一段相邻的细菌染色体，这种带有插入细菌基因的环状F因子称为F因子。F因子即能高频地转移质粒DNA，也能高频地转移细菌DNA。 第49页/共102页第五十页，共102页。 中断杂交（中断杂交（interrupted mating technique)：1957年，年，Ellie Wollman（沃尔曼

35、）和（沃尔曼）和Francois Jacob（雅各布）建立了一种绘制（雅各布）建立了一种绘制E.coli遗传图的方法：遗传图的方法：1） Hfr与与F-杂交，在混合后的不同时间进行搅拌，使接合管断裂，终止染色体向杂交，在混合后的不同时间进行搅拌，使接合管断裂，终止染色体向F- 细胞移动；细胞移动；2）稀释后接种到含有）稀释后接种到含有(hn yu)链霉素培养基上，杀死链霉素培养基上，杀死Hfr ；3）影印到各种选择性培养基（）影印到各种选择性培养基（selective media）上，以某供体基因作为选择标记，测定其进入受体后其他非选择性标记基因进入）上，以某供体基因作为选择标记，测定其进入受

36、体后其他非选择性标记基因进入F-细菌的顺序和时间。细菌的顺序和时间。五、细菌的重组频率五、细菌的重组频率(pnl)和遗传作图和遗传作图第50页/共102页第五十一页，共102页。u作图原理作图原理(yunl)(yunl) 越是靠近转移起点（原点）的基因越早发生转移，混合培养时间越少。在不同的时间中断杂交，根据越是靠近转移起点（原点）的基因越早发生转移，混合培养时间越少。在不同的时间中断杂交，根据(gnj)不同基因的转移时间就能推断出基因的顺序。不同基因的转移时间就能推断出基因的顺序。第51页/共102页第五十二页，共102页。Hfr：strs（抗链霉素）、（抗链霉素）、azi+（抗叠（抗叠N化

37、合物）、化合物）、ton+（抗（抗T1噬菌体）、噬菌体）、gal+（半乳糖（半乳糖(r tn)原养型）、原养型）、lac+（乳糖（乳糖(r tn)原养型）原养型）F：strr（链霉素敏感型）、（链霉素敏感型）、azi-（叠（叠N化合物敏感型）、化合物敏感型）、ton-（T1噬菌体敏感型）、噬菌体敏感型）、gal-（半乳糖（半乳糖(r tn)缺陷型）、缺陷型）、lac-（乳糖（乳糖(r tn)缺陷型）缺陷型）第52页/共102页第五十三页，共102页。 Wollman和和Jacob用用4个不同的个不同的Hfr菌株同菌株同F - 进行中断杂交，得到的基因排列顺序进行中断杂交，得到的基因排列顺序(s

38、hnx)相相同，但是进入的时间早晚（重组率）不同。同，但是进入的时间早晚（重组率）不同。第53页/共102页第五十四页，共102页。 Hfr染色体上染色体上F因子的整合因子的整合(zhn h)位点不同位点不同，整合，整合(zhn h)方向也不同方向也不同;传递的起始传递的起始(q sh)点不同。点不同。E.coli的染色体是环状的。的染色体是环状的。第54页/共102页第五十五页，共102页。第55页/共102页第五十六页，共102页。2.2.重组重组(zhn z)(zhn z)作图作图部分二倍体，只有偶数交换部分二倍体，只有偶数交换才能产生平衡重组配子，相才能产生平衡重组配子，相反反(xin

39、gfn)的重组子不出现的重组子不出现。部分部分(b fen)二二倍体倍体第56页/共102页第五十七页，共102页。 重组作图重组作图 （recombination mapping） 是根据基因是根据基因(jyn)间的重组率进行基因间的重组率进行基因(jyn)定位。定位。 下面通过实例下面通过实例(shl)来加以说明：来加以说明： 例如根据(gnj)中断杂交试验，已知大肠杆菌的甲硫氨酸缺陷型（met-）、精氨酸缺陷型（arg-）、亮氨酸缺陷型（leu-）这三个基因是紧密连锁的，而且就某特定的Hfr菌株来说，基因的转移的顺序是met+、 arg+ 、leu+ Hfr met+ arg+ leu+

40、 strs F- met- arg- leu- strr 含链霉素并添加精氨酸以及甲硫氨酸的培养基上（在这种培养基中，杀死所有的含链霉素并添加精氨酸以及甲硫氨酸的培养基上（在这种培养基中，杀死所有的Hfr细胞和未杂交的细胞和未杂交的F-细胞）。在这种培养基中形成菌落的重组子基因型应该是细胞）。在这种培养基中形成菌落的重组子基因型应该是leu+ strr 。 第57页/共102页第五十八页，共102页。 已经筛选出的leu+ 重组子，用影印法测定其余两个非选择标记(bioj)基因以及他们的菌落数。测定结果如下： 基因型 菌落(jnlu)数 基因型 菌落(jnlu)数leu+ arg- met-

41、16 leu+ arg+ met- 36leu+ arg+ met+ 348 leu+ arg- met+ 0 基因型leu+ arg- met+ 是四交换的结果，与双交换相比，其交换频率(pnl)非常低，在本次实验中未能检测到该重组基因型 。第58页/共102页第五十九页，共102页。16363480第59页/共102页第六十页，共102页。 根据上述接合(jih)结果，基因间的重组率可用下式计算： leu - arg 的重组率=（leu+arg-met-）+（leu+arg-met+）/ （leu+arg-met-）+（leu+arg+met-）+（leu+arg+met+）+（leu+a

42、rg-met+） 100% =16/16+36+348=4% arg-met 的重组率=（leu+arg+met-）+（leu+arg-met+） / （leu+arg-met-）+（leu+arg+met）+（leu+arg+met+）+（leu+arg-met+） 100% =36 / 16+36+348= 9% leu-met 的重组率= （leu+arg+met-）+（leu+arg-met-）+ （leu+arg-met+）/ （leu+arg-met-）+（leu+arg+met-） +（leu+arg+met+）+（leu+arg-met+） 100% =16+36/16+36+

43、348=13%第60页/共102页第六十一页，共102页。 重组作图的重组频率重组作图的重组频率 (RF) 所测得基因间距离与中断杂交以时间所测得基因间距离与中断杂交以时间 (T) 为单位为单位(dnwi)获得的基因间距离基本上相一致；获得的基因间距离基本上相一致；1个时间单位个时间单位(dnwi)（1分钟）相当于分钟）相当于20%重组值重组值 (或或20 cM)。 大肠杆菌(d chn n jn)遗传图谱和物理图谱的比较 图a表示1990年绘制的遗传图谱中近60分钟到61分钟的标记基因； 图b表示每个基因在大肠杆菌(d chn n jn)完整基因组序列中的精确位置。第61页/共102页第六十

44、二页，共102页。中断中断(zhngdun)(zhngdun)杂交法和重组作图绘制的大肠杆菌遗传图杂交法和重组作图绘制的大肠杆菌遗传图(1963)(1963)map units in minutes第62页/共102页第六十三页，共102页。 第三节第三节 噬菌体的遗传噬菌体的遗传(ychun)(ychun)分析分析第63页/共102页第六十四页，共102页。一、噬菌体的生活一、噬菌体的生活(shnghu)周期周期(一一) 烈性烈性(lixng)噬菌体噬菌体第64页/共102页第六十五页，共102页。1. 噬菌体吸附到宿主噬菌体吸附到宿主(szh)细胞上细胞上2. 尾丝鞘收缩，中轴刺穿宿主尾丝

45、鞘收缩，中轴刺穿宿主(szh)细胞细胞3. 头部的头部的DNA被送入宿主被送入宿主(szh)细胞细胞4. 在数分钟内，所有的细菌核酸和蛋白质合成都被抑制。在数分钟内，所有的细菌核酸和蛋白质合成都被抑制。第65页/共102页第六十六页，共102页。5. 噬菌体大分子合成噬菌体大分子合成(hchng)，细菌的核酸被降解。，细菌的核酸被降解。（1） 噬菌体噬菌体DNA复制。复制。（2） 噬菌体外壳噬菌体外壳(wi k)蛋白合成。蛋白合成。第66页/共102页第六十七页，共102页。(1) DNA被包到头部被包到头部(2) 组装组装(z zhun)尾部尾部(3) 装上尾丝装上尾丝第67页/共102页第

46、六十八页，共102页。约约200个噬菌体导致细菌被噬菌体基因编码个噬菌体导致细菌被噬菌体基因编码(bin m)的溶菌酶（的溶菌酶（lysozyme)溶解。溶解。第68页/共102页第六十九页，共102页。烈性(lixng)噬菌体(二二)温和性噬菌体温和性噬菌体侵染(qn rn)细菌 原噬菌体（ 噬菌体）溶源途径(tjng) 进入溶菌阶段 理化因素作用 ，原噬菌体脱离宿主染色体而进入裂解途径。裂解寄主而释放 溶源细菌细胞分裂，溶源性稳定遗传 噬菌体吸附在细菌上，将染色体注入宿主细胞内溶源途径溶菌途径第69页/共102页第七十页，共102页。.噬菌体表型的区分噬菌体表型的区分(qfn)噬菌体突变影

47、响生活周期，会产生不同的噬菌斑。噬菌斑是噬菌体感染宿主细菌后，在细菌涂布平板培养基中形成的，肉眼可见的透明圈。噬菌体突变影响生活周期，会产生不同的噬菌斑。噬菌斑是噬菌体感染宿主细菌后，在细菌涂布平板培养基中形成的，肉眼可见的透明圈。1个噬菌斑大约含有个噬菌斑大约含有107个噬菌体，它们起源于同一个噬菌体，是噬菌体反复个噬菌体，它们起源于同一个噬菌体，是噬菌体反复(fnf)侵染、裂解细菌后产生的噬菌体后代，因此有着相同的基因型。通过观察噬菌斑的形态来鉴别噬菌体的基因型。侵染、裂解细菌后产生的噬菌体后代，因此有着相同的基因型。通过观察噬菌斑的形态来鉴别噬菌体的基因型。第70页/共102页第七十一页

48、，共102页。 噬菌斑的形态噬菌斑的形态(xngti)(xngti)：（：（T2T2噬菌噬菌体）体） 宿主宿主(szh)范围：范围：h（突变型）：噬菌体能在（突变型）：噬菌体能在E.coli B和和B/2品系品系(pn x)上生长上生长h+ +（野生型）（野生型）：只能在：只能在E.coli B品系上生长。品系上生长。能在能在B和和B/2混合菌苔上产生透明斑。混合菌苔上产生透明斑。感染感染B菌株，产生半透明斑。菌株，产生半透明斑。r（突变型）：快速溶菌，噬菌斑大，边缘清楚。（突变型）：快速溶菌，噬菌斑大，边缘清楚。r+（野生型）：噬菌斑小，边缘模糊。（野生型）：噬菌斑小，边缘模糊。第71页/共

49、102页第七十二页，共102页。亲本亲本(qn bn)噬菌体（噬菌体（T2）基因型）基因型hr+：透明，小斑，边缘：透明，小斑，边缘(binyun)模糊模糊h+ +r：半透明，大斑，边缘清楚，：半透明，大斑，边缘清楚，杂交过程杂交过程混合感染实验混合感染实验两个亲本噬菌体两个亲本噬菌体混合感染混合感染E.coli B和和B/2，观察菌苔上出现的噬菌斑特征，用以推断噬菌体的基因型。，观察菌苔上出现的噬菌斑特征，用以推断噬菌体的基因型。第72页/共102页第七十三页，共102页。hr+h+rhr+和和h+r噬菌体同时噬菌体同时(tngsh)感染感染E.coli B噬菌体噬菌体DNA复制复制(fzh

50、)、重组、重组产生产生(chnshng)亲本型和重组型子代噬菌体亲本型和重组型子代噬菌体第73页/共102页第七十四页，共102页。半大半大(bnd)半小半小透小透小透大透大上述子代噬菌体接种在同时上述子代噬菌体接种在同时(tngsh)长满大肠杆菌长满大肠杆菌B和和B/2的混合培养物中的混合培养物中根据根据(gnj)噬菌斑点形态识别噬菌体基因型噬菌斑点形态识别噬菌体基因型第74页/共102页第七十五页，共102页。 hr+h+r中在B和B/2混合(hnh)菌苔上出现了4种噬菌斑。噬菌斑表型噬菌斑表型推测基因型推测基因型亲本型亲本型透明透明小小h r+ +半透明半透明大大h+ + r重组型重组型

51、半透明半透明小小h+ + r+ +透明透明大大h r第75页/共102页第七十六页，共102页。重组重组(zhn z)值的计算值的计算 重组重组(zhn z)噬菌体的噬菌斑数噬菌体的噬菌斑数总噬菌斑数总噬菌斑数100%基因图距基因图距用两个基因的重组值表示基因间的距离。用两个基因的重组值表示基因间的距离。（h+ +r+ + + hr）total plaques100%第76页/共102页第七十七页，共102页。基因型基因型噬菌斑噬菌斑百分率百分率hr+ +4276%h+ +r34h+ +r+ +1224%hr12rh24第77页/共102页第七十八页，共102页。h+ +rh+ +rh+ +r

52、h r+ +h r+ +h r+ +h+ +rh+ +rh+ +rhr+ +hr+ +h r+ +噬菌体染色体在细菌噬菌体染色体在细菌(xjn)体内复制体内复制不同的噬菌体染色体在细菌体内不同的噬菌体染色体在细菌体内(t ni)交换重组交换重组h+ +rh+ +r第78页/共102页第七十九页，共102页。h+ +r+ +h+ +rh+ +rhr+ +hr+ +h rh+ +rh+ +r+ +h+ +rh r+ +h rh+ +r释放释放(shfng)出的出的4种子代噬菌体种子代噬菌体部分部分(b fen)噬菌体噬菌体DNA重组重组第79页/共102页第八十页，共102页。第80页/共102页

53、第八十一页，共102页。类型类型基因型基因型噬菌斑数噬菌斑数比例比例%重组发生在重组发生在mrrtumtu亲本型亲本型m r tu346769.6+ + +3929单交换型单交换型m + +5209.6+ r tu474单交换型单交换型m r +85317.5+ + tu965双交换型双交换型m + tu1623.3+ r +172 合合 计计1034212.9%20.8%27.1%第81页/共102页第八十二页，共102页。第82页/共102页第八十三页，共102页。噬菌体的遗传噬菌体的遗传(ychun)图图第83页/共102页第八十四页，共102页。1.转导转导(zhun do)的发的发现

54、现1952年，年，J. Lederberg和他的学生和他的学生(xu sheng)N.Zinder（津德）在鼠伤寒沙门氏菌（津德）在鼠伤寒沙门氏菌（salmonella typhimurium）中作的重组实验：）中作的重组实验：菌菌株株Strain LA-2：phe+ + trp+ + met - - his- -Strain LA-22：phe- - trp- - met + + his+ +三、转导三、转导(zhun do)(transduction)(zhun do)(transduction) Transduction: :以噬菌体为媒介，将细菌供体以噬菌体为媒介，将细菌供体DNADN

55、A转移到受体，使受体发生遗传变异的过程。转移到受体，使受体发生遗传变异的过程。第84页/共102页第八十五页，共102页。Strain LA-2：Strain LA-22：10-5 Prototrophsphe+ + trp+ + met + + his+ +Davis U-tube实验实验(shyn)将两个亲本分别放在将两个亲本分别放在U形管两臂中，结果形管两臂中，结果(ji gu)同样能获得原养型重组菌！而且只在同样能获得原养型重组菌！而且只在LA-22中！中！第85页/共102页第八十六页，共102页。加压或吸压菌株LA-22 菌株LA-2 涂布在固体平涂布在固体平板板(pngbn)的的

56、基本培养基上基本培养基上微孔(wi kn)滤片涂布在固体平板涂布在固体平板(pngbn)的基本培养的基本培养基上基上没有菌落没有菌落原养型菌落（原养型菌落（phe+ trp+ met + his+）,频率为频率为10-5第86页/共102页第八十七页，共102页。第87页/共102页第八十八页，共102页。第88页/共102页第八十九页，共102页。穿过滤穿过滤(gul)片片原养型原养型LA-22 (+ P22)P22偶然偶然(u rn) 溶菌溶菌P22感染感染(gnrn)LA-22LA-22 重组重组感染感染LA-2偶然包装偶然包装LA-2基因基因P22P22第89页/共102页第九十页，共

57、102页。2.普遍性转导普遍性转导(zhun do)(generalized transduction)例如例如(lr)：鼠伤寒沙门氏菌的：鼠伤寒沙门氏菌的P22噬菌体、大肠杆菌的噬菌体、大肠杆菌的P1噬噬菌体菌体 普遍性转导：供体细菌普遍性转导：供体细菌(xjn)染色体染色体DNA的任何基的任何基因或任何片段都有可能被噬菌体转入受体菌的过程因或任何片段都有可能被噬菌体转入受体菌的过程 。 通常能够进行普遍性转导的噬菌体是烈性噬菌体，他们感染细菌细胞后通常能够进行普遍性转导的噬菌体是烈性噬菌体，他们感染细菌细胞后，在细胞内复制，最后导致细胞裂解。在裂解过程中，供体细胞，在细胞内复制，最后导致细胞裂解。在裂解过程中，供体细胞DNA降降解。噬菌体包装时可能以很低的频率发生错误而将供体细胞解。噬菌体包装时可能以很低的频率发生错误而将供体细胞DNA误为噬菌误为噬菌体自身体自身DNA进行包装。当这个噬菌体（转导噬菌体或转导颗粒）感染另一个细胞（受体进行包装。当这个噬菌体（转导噬菌体或转导颗粒）感染另一个细胞（受体）时，能够将供体）时，能够将供体DNA转移到受体细胞中，形成部分二倍体，并经过同源区段交转移到受体细胞中，形成部分二倍体，并经过同源区段交换整合到受体细菌染色体换整合到受体细菌染色体DNA中，形成一个稳定的中，形成一个稳定的转导子转导子。第90页/共102页第