遗传学讲义第7

1、第七章细菌和噬菌体 的重组和连锁10/3/20221第一节 细菌和病毒遗传研究的意义一、细菌的生物学特征二、病毒的生物学特征三、细菌和病毒在遗传研究中的优越性四、细菌和病毒的拟有性过程五、细菌遗传的实验研究方法10/3/20222一、细菌的生物学特征细菌是单细胞生物，完成每个世代只需20分钟，而且容易得到它的生化突变型，它不仅在医学上和农业上重要，而且从进化角度上也是异常成功的，因为它占据地球上大部分的生物干重。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) 10/3/20223霉菌菌落10/3/20224大肠杆菌10/3/20225一、细菌的生物学特征原则上说，培养皿

2、中每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。 生理特性的突变包括：丧失合成某种营养物质能力的营养缺陷型。抗性突变包括：抗药性或抗感染性。 10/3/20226二、病毒的生物学特征病毒是比细菌更为简单的生物，它们也只有一条染色体，即单倍体。有些病毒的染色体是DNA，还有一些病毒是RNA。 病毒主要是由蛋白质外壳及其包被的核酸所组成的颗粒。病毒可根据宿主(动物、植物、细菌)或遗传物质(DNA或RNA)来分类。细菌病毒(Bacter

3、ial phage)，称为噬菌体(phage)(如图)，是目前经过广泛研究，了解比较清楚的一种病毒。10/3/20227噬菌体10/3/20228三、细菌和病毒在遗传研究中的优越性细菌和病毒在遗传研究中的优越性可以归纳为： 世代周期短，繁殖世代所需时间短；易于操作管理和进行化学分析(纯培养与代谢产物累积)；便于研究基因的突变(表现与选择)；便于研究基因的作用(突变型生长条件与基因作用)；便于研究基因的重组(重组群体大、选择方法简便有效)；遗传物质比较简单，可作为研究高等生物的简单模型；10/3/20229四、细菌和病毒的拟有性过程虽然细菌和病毒不具备象真核生物配子进行融合的有性过程，但它们的遗

4、传物质也能从一个细胞传递到另一个细胞，并且也能形成重组体。 细菌获取外源遗传物质有四种不同的方式：转化，接合，转导和性导。当一个细菌被一个以上的病毒粒子所侵染时，噬菌体也能在细菌体内交换遗传物质。如果两个噬菌体属于不同品系，它们之间可以发生遗传物质的部分交换(重组)。下面将叙述细菌和噬菌体遗传物质的交换过程，并且将利用这些方法作出细菌和噬菌体的染色体图。10/3/202210 五、细菌遗传的实验研究方法(一) 细胞计数(培养物细胞浓度)(二) 建立纯系的方法(三) 选择培养法鉴定突变型与重组型(四) 突变型与重组型的批量筛选方法10/3/202211细菌培养10/3/202212(一) 细胞计

5、数(培养物细胞浓度)培养物中微生物计数方法是微生物学的基本实验技术，其基本思路是：对原培养物进行连续稀释；进行平板涂抹培养；由于每个细胞形成一个菌落，计数菌落数；根据稀释倍数计算原培养物中的细胞浓度。10/3/202213细胞计数(培养物细胞浓度)10/3/202214(二) 建立纯系的方法纯培养挑取由单个细胞繁殖而来的菌落进行培养就可以获得由一个细胞繁殖而来的纯系。通常采用平板表面涂布法或划线法可以获得单菌落。这种方法获得的纯系，称为“菌种纯”。有时采用显微操纵器进行菌丝尖端切割等方法从单个细胞直接培养建立纯系。采用这种方法获得的纯系称为“菌株纯”。10/3/202215建立纯系的方法纯培养

6、10/3/202216(三) 选择培养法鉴定突变型与重组型许多细菌的突变都与培养基营养成分及培养条件有关。营养缺陷型的筛选、鉴定：选择培养法是根据菌株在基本培养基和营养培养基上的生长表现将菌株分为原养型(也称为原生营养型)与营养缺陷型(在基本培养基上不能正常生长，只能在相应的营养培养基上生长)。营养突变型的筛选、鉴定方法与红色面包霉生化突变型的鉴定方法基本一致。10/3/202217(三) 选择培养法鉴定突变型与重组型许多细菌的突变都与培养基营养成分及培养条件有关。其它突变类型的筛选、鉴定：对于其它的突变类型(如温度敏感型)，也可以通过培养条件的选择培养来筛选与鉴定。10/3/202218(四

7、) 突变型与重组型的批量筛选方法选择培养法一次可鉴定、筛选一种突变型，但要检测分离含有多种突变型的混和菌株，仅采用选择培养法要进行多次试验才能够达到目的、效率太低。10/3/202219(四) 突变型与重组型的批量筛选方法为高效检测、分离混和群体中不同突变型，黎德伯格夫妇设计了影印培养法。该方法原理与选择培养法一致，但是采用影印法将在完全培养基上单菌落同时接种到不同选择培养基上同时对所有菌落进行选择培养，鉴定效率大大提高。10/3/202220影印培养法10/3/202221影印培养法10/3/202222(四) 突变型与重组型的批量筛选方法注意：(1)最初的培养基必须是非选择性的，即各种突变

8、型都能够在其上生长；(2)必须采用适当的方法如涂布或划线法，以使培养物菌落之间要分开。10/3/202223第二节 细菌的遗传重组一、转化二、接合三、性导10/3/202224一、转化(transformation)(一)、细菌转化实验(二)、转化过程*(三)、共同转化与遗传图谱绘制10/3/202225(一)、细菌转化实验1. 基础知识野生型肺炎双球菌(Strep-tococcus pneumoniae)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；不同抗原型是遗传的、稳定的，一般情况下不发生互变。10/3/2022262. Griffit

9、h转化研究(1928)10/3/202227Griffith对其试验结论及发展根据上述研究结果Griffith认为：(有毒)死细菌中的某种物质转移到(无毒)活细菌中，并使之具有毒性，导致小家鼠死亡。他将这种细菌遗传类型的转变称为转化，并将引起转化的物质称为转化因子(tranforming principle)。但是当时的化学与生化分析技术还无法鉴定杀死细菌中的成分，因而不知转化因子为何物。10/3/202228Griffith对其试验结论及发展以后一些研究者重复上述试验，并且加入了体外培养试验，即：将加热杀死的SIII细菌与无毒RII细菌混合培养，然后注入小家鼠体内，同样导致家鼠死亡。表明：细

10、菌在培养条件下也能够实现遗传类型间的定向转化。10/3/2022293. 阿维利(Avery)等的转化实验(1944)10/3/202230实验结论上述实验结果表明：来源于加热杀死的SIII细菌，并使 RII细菌转化成为SIII型细菌的转化因子是DNA。正是在这一认识的基础上，将转化定义为： 某一基因型的细胞从周围介质中吸收来自另一基因型的DNA而使它的基因型和表现型发生相应变化的现象。10/3/202231实验结论Avery等人的实验实际上也表明：决定细菌遗传类型的物质是DNA，即证明了DNA就是遗传物质。但由于他们采用的实验方法当时不被人们广泛接受，而且得出的结论与当时人们的传统观念(认为

11、蛋白质是遗传物质)不符合，而长期没有得到人们的承认。10/3/202232(二)、转化过程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共同特征，即：1. 感受态与感受态因子：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，可以使后者变为感受态。10/3/202233(二)、转化过程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共同特征，即：1. 感受态与感受态因子：一般认为感受态出现在细菌对数生长后期，并且

12、某些处理过程可以诱导或加强感受态，以大肠杆菌为例，用Ca2+处理对数生长后期的大肠杆菌可以增强其感受能力。10/3/202234(二)、转化过程2.供体(donor)DNA与受体(receptor)细胞结合(binding)：结合发生在受体细胞特定部位(结合点)；对供体DNA片段有一定要求；结合过程是一个可逆过程。10/3/202235(二)、转化过程3.DNA摄取：当细菌结合点饱和之后，细菌开始摄取外源DNA；细菌在摄取外源DNA时，由DNA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。 10/3/202236(二)、转化过程4.联会(synapsis)与外源DNA

13、片段整合(integration)：整合就是指单链的转化DNA与受体DNA对应位点的置换，从而稳定地掺入到受体DNA中的过程。实际上就是一个遗传重组的过程。因而研究整合的分子机制事实上也为遗传重组的分子机制作出了贡献。10/3/202237细菌转化过程10/3/202238细菌转化过程10/3/202239*(三)、共同转化与遗传图谱绘制利用共同转化绘制细菌连锁遗传图谱的基本原理：相邻基因发生共同转化的概率与两者的距离间成正向关系，基因间距离越近，发生共同转化的频率越高，反之越低。因此可能通过测定两基因共同转化的频率来指示基因间的相对距离。10/3/202240二、接合(一)、接合现象的发现和

14、证实(二)、F因子及其在杂交中的行为*(三)、中断杂交试验作图10/3/202241(一)、接合现象的发现和证实黎德伯格(Lederberg)和塔特姆(Tatum)大肠杆菌杂交试验：材料：大肠杆菌(Escherichia coli)K12菌株的两个营养缺陷型品系：A甲硫氨酸缺陷型met-和生物素缺陷型bio-；B苏氨酸缺陷型thr-和亮氨酸缺陷型leu-。方法：将A、B混和，在基本培养基(固体)上涂布培养。结果：平板上长出原养型菌落(+)。10/3/20224210/3/202243几种可能解释及其分析对上述试验结果原养型菌落可能产生于：亲本细菌A或B发生了回复突变；两品系细胞通过培养基交换养

15、料互养作用；两品系间发生了转化作用；发生细胞融合，形成了异核体或杂合二倍体。为了验证这些原养型菌落产生的可能而进行的研究最终表明：这些解释均不成立。10/3/202244(一)、接合现象的发现和证实经过上述分析可以认为：在Lederbery和Tatum及其它类似试验中，发生了一种不同于转化的遗传重组方式，称之为接合。10/3/202245(一)、接合现象的发现和证实Hayes(1952)研究表明：大肠杆菌两种不同菌株(品系)接合过程中遗传物质的转移是单向的；从而认为大肠杆菌存在两种类型品系：雌性与雄性分别作为接合过程中遗传物质的供体与受体。10/3/202246(一)、接合现象的发现和证实接合

16、(conjugation)：遗传物质从供体(donor) (“雄性”)转移到受体(receptor) (“雌性”)的重组过程。10/3/202247(二)、F因子及其在杂交中的行为1. F因子：Hayes等进一步研究发现，大肠杆菌在接合中作供体的能力受细胞内一种致育因子(fertility factor, F因子; sex factor, 性因子)控制。携带F因子的菌株称供体菌或雄性，用F+表示，没有F因子的菌株称为雌性，用F-表示。 F因子的化学本质是DNA，可以自主状态存在于细胞质中或整合到细菌的染色体上。F因子可以在细菌细胞间进行转移并传递遗传物质。10/3/202248(二)、F因子及

17、其在杂交中的行为10/3/202249F因子的存在状态以大肠杆菌为例，F因子能够以三种状态存在：没有F因子，即F-；包含一个自由状态的F因子，即F+；包含一个整合到自己染色体组内的F因子，即Hfr (如图)。10/3/202250F因子的存在状态10/3/202251F因子的存在状态10/3/2022522. F因子及其在杂交中的行为当F+细菌和F-细菌接合时 (F+ F-)，F因子的新拷贝能在接合过程中转移到F-细胞中去，使F-细胞转变成F+细胞，在接合管形成后，FDNA双链之一被切断，从断端转移到F-细胞，在那里发生DNA复制。当F因子复制完成后，F-变成F+ (图，动画)。 10/3/2

18、0225310/3/202254F+细菌和F-细菌接合10/3/2022552. F因子及其在杂交中的行为当Hfr F-接合时，F-细菌很少转变成Hfr，这是因为当Hfr与F-接合时，整合的FDNA从一端被内切酶切成单链切口，细菌染色体由这一小段单链的F因子作为前导转移到F-受体，一边进入一边合成，在大多数情况下，只有一小部分细菌染色体转移，接合即出现中断，受体细胞仍保持为F-，因为F因子仍留在供体内。(动画) 10/3/202256Hfr和F-接合10/3/2022572. F因子及其在杂交中的行为当F+或Hfr的细菌染色体进入F-后，在一个短时期内，F-细胞中对某些位点来说总有一段二倍体的

19、DNA。这样的细菌称为部分二倍体或部分合子。新染色体的DNA称为供体外基因子，而宿主的染色体则称为受体内基因子，部分二倍体中发生单数交换，可使环状染色体打开，产生一个线性染色体，这种细胞不能成活，只有发生偶数的交换，才能产生遗传的重组体和片段。(图，动画) 10/3/20225810/3/202259部分二倍体中的单交换10/3/202260部分二倍体中的双交换10/3/2022612. F因子及其在杂交中的行为10/3/202262(三)、用中断杂交试验 作染色体连锁图 雅科等人在五十年代设计了中断杂交试验，以证明接合时遗传物质从供体细胞的转移是直线式进行的，他们把Hfr菌株与F-菌株混合在

20、一起进行杂交培养。 Hfr菌株的基因型是：strs azir tonAr galb+ lac+ F- 菌株的基因型是：strr azis tonAs galb- lac- str代表链霉素，s代表敏感性，r代表抗性，+代表原养型或抗性，- 代表营养缺陷型。 10/3/202263(三)、用中断杂交试验 作染色体连锁图 每隔一定时间取样，把菌液放在食物搅拌器内搅拌，以中断杂交。经过稀释，接种到含有链霉素的完全培养基上，这样将杀死所有Hfr细胞，然后对形成菌落的F-细胞用影印培养法测试其基因型，以便确定每个基因转移到F-细胞的时间(如图)。 10/3/202264(三)、用中断杂交试验 作染色体连

21、锁图 每隔一定时间取样，把菌液放在食物搅拌器内搅拌，以中断杂交。经过稀释，接种到含有链霉素的完全培养基上，这样将杀死所有Hfr细胞，然后对形成菌落的F-细胞用影印培养法测试其基因型，以便确定每个基因转移到F-细胞的时间(如图)。 10/3/202265*(三)、中断杂交试验作图10/3/202266*(三)、中断杂交试验作图10/3/202267(三)、用中断杂交试验 作染色体连锁图 上图表示利用这个方法所获得的结果，混合9分钟后取样时，开始出现少量对叠氮化物有抗性的菌落，说明抗叠氮化物的基因此时已进入F-细胞中，但对T1噬菌体来说，全部F-细胞还属于敏感型，说明tonA基因还没有进入F-细胞

22、中。混合11分钟后，才开始出现抗噬菌体T1的F-细菌。混合18分钟和24分钟取样时，又分别出现乳糖发酵和半乳糖发酵的基因。这说明Hfr菌株的基因是按一定的线性顺序依次进入F-菌株，也就是说，染色体从原点开始以直线方式进入F-细胞的。 10/3/202268(三)、用中断杂交试验 作染色体连锁图 根据中断杂交的实验，以Hfr基因在F-细胞中出现的时间为标准，可以作出大肠杆菌的连锁遗传图。用不同的Hfr菌株进行中断杂交实验所作出的大肠杆菌基因连锁图，其基因进入F-细胞的转移的顺序不大相同。这个实验进一步说明F因子和细菌染色体都是环状的，而Hfr细胞染色体的形成，则因F因子插入环状染色体的不同位置，

23、因而形成了不同的转移原点和转移方向(如图)。10/3/20226910/3/202270(四)、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。例如，有两个紧密连锁的基因lac-(乳糖不发酵)和ade-(腺嘌呤缺陷型)，为了求得两个基因间的距离，可采用Hfr lac+ ade+和F- lac- ade-的杂交实验。用完全培养基但不加腺嘌呤，可以选出F- ade+的菌落。 10/3/202271(四)、重组作图 由于ade进入F-细胞的顺序较lac为晚，因此只要ade进入F-细胞，lac自然也已经进入。如果选出ade+同时也是lac+，说明l

24、ac和ade间没有发生过交换。如果是lac-，说明两者之间发生过交换。(动画) 10/3/202272重组作图10/3/202273(四)、重组作图 两基因间的重组值约等于22%。而这两个位点间的时间单位约为1分钟，可见1个时间单位(分钟)大约相当于20%的重组值。根据大肠杆菌接合实验的研究，利用中断杂交，基因重组等方法已绘制出大肠杆菌K12的环状遗传图。 10/3/202274三、性导与F因子性导是指接合时由F因子所携带的外源DNA整合到细菌染色体的过程。F因子整合到宿主细菌染色体过程是可逆的，当发生环出时，F因子又重新离开染色体，然而F因子偶然环出时不够准确，它携带有大肠杆菌染色体的一些基

25、因，这种F因子称为F因子(图，动画)。10/3/20227510/3/202276F因子10/3/202277三、性导与F因子雅科等发现一个特殊的Hfr菌株能把lac+等位基因高频率地转移到F lac-受体，F因子携带lac+基因进入受体细胞，在lac位点成为部分二倍体，Flac+/lac-，它的表现型是lac+。部分二倍体Flac+/lac-不稳定，F因子可能丢失，产生lac-单倍体，或是在F和染色体间重组产生稳定的lac+。 10/3/202278三、性导与F因子由性导产生的部分二倍体，一方面为确定等位基因显隐性关系提供了重要方法，另一方面由于分离出大量的F因子，每个F因子携带不同的大肠杆

26、菌的基因，包括全部染色体基因，因此，并发性导是建立遗传图的另一手段，即两个位点必须密切相连才能处在同一个F因子上。这样通过两个位点间重组频率的计算就可以获得每个片段的连锁群。 10/3/202279第三节 噬菌体的遗传分析 一、烈性噬菌体二、温和噬菌体三、转导10/3/202280一、烈性噬菌体 遗传学上应用较广泛的是大肠杆菌的T偶数系列噬菌体。它们的外貌都象蝌蚪状(如图)。T偶数系列噬菌体具有六角形的头部，其内部含有双链DNA分子，尾部包括一个中空的针状结构及外鞘。末端是基板，由尾丝及尾针组成。10/3/20228110/3/202282一、烈性噬菌体 T偶数系列噬菌体的尾丝附着在大肠杆菌表面时，通过尾鞘的收缩将噬菌体DNA经中空尾部注入寄主细胞，破坏寄主细胞的遗传物质，并合成大量的噬菌体DNA和蛋白质，组成许多新的子噬菌体，最后使细菌裂解，释放出无数个子噬菌体。所以这样的T偶数系列噬菌体称为烈性噬菌体。10/3/20228310/3/202284二、温和噬菌体 温和噬菌体侵入细菌后，细菌并不裂解，即它们有溶源性的生活周期。例如和P1噬菌