第五章细菌和噬菌体遗传

第五章细菌和噬菌体遗传第一页，共七十四页。动物、植物等真核生物的遗传规律遗传学三大定律：分离定律自由组合定律连锁交换定律依赖有丝分裂及减数分裂过程细菌、噬菌体等低等生物没有有丝分裂及减数分裂过程，其遗传规律具有特殊性1940-1960periodofmicrobialgenetics第二页，共七十四页。细菌包括真细菌和古细菌。形态多种多样，主要有杆菌、球菌、螺旋菌等。基本结构包括：细胞壁、细胞膜、拟核、核糖体、细胞质及内含物，有些细菌具有鞭毛。遗传物质包括一条主染色体，通常为环形双链DNA分子，另外包含一个或多个小染色体（质粒）1-5μm长，0.5-1μm宽直径0.5-1μm1-50μm长，0.5-1μm宽第三页，共七十四页。病毒是由蛋白质外壳和核酸组成的非细胞生物，在体外以无生命的化学大分子状态存在。依据宿主的不同可以分为植物病毒、动物病毒和细菌病毒，细菌病毒又称为噬菌体（phage）遗传物质为DNA或RNA噬菌体核酸多为DNA，植物病毒核酸多数为RNA，动物病毒核酸部分为DNA，部分为RNA第四页，共七十四页。细菌和病毒在遗传研究中的优越性世代周期短：大肠杆菌（E.coli）20分钟可繁殖一代便于管理和生化分析个体小，一般在1μ至几个μ之间，操作管理方便便于研究基因突变

裸露的DNA分子，容易受环境条件的影响而发生突变；单倍体生物，不存在显隐性问题便于研究基因的作用

影印培养，易检出营养缺陷型突变，有利于从生化角度研究基因的作用第五页，共七十四页。便于研究基因重组细菌具有转化、转导和接合作用，可以进行精密的遗传分析便于研究基因结构、功能及调控机制细菌和病毒遗传物质简单，易于进行基因定位、结构分析和分离，基因的表达调控也适于采用生理生化的方法进行深入研究便于进行遗传操作

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六页，共七十四页。第一节细菌与噬菌体的突变型细菌的突变型：①合成代谢突变型：也称为营养缺陷型，即丧失合成某种营养物质的能力，不能在基本培养基上生长；原养型：野生菌株可以在基本培养基上生长如Met-、Thi-、Pur-分别表示这些突变株系需要甲硫氨酸（methionine）、硫胺(thiamin)和嘌呤(purine)②分解代谢突变型：如Lac-菌株不能分解乳糖，无法在以乳糖为唯一碳源的基本培养基中生长。③抗性突变型：包括抗药突变型和抗噬菌体突变型如Strr表示对链霉素抗性表型，Strs表示对链霉素敏感T1r表示菌株对T1噬菌体表现抗性第七页，共七十四页。细菌突变型筛选：第八页，共七十四页。噬菌体突变型

噬菌斑突变型：如T2、T4噬菌体的r-突变体正常噬菌体，r+，产生的菌斑小而边缘模糊突变噬菌体，r-，产生的菌斑大两倍而边缘清晰宿主范围突变体：T2噬菌体的h-突变体正常噬菌体，h+，只能以大肠杆菌B株为宿主突变噬菌体，h-，能以B株和B/2株为宿主

条件致死突变体：温度敏感突变体，ts

抑制因子敏感突变体，sus（UAG、UAA、UGA）在含有抑制基因su+的宿主中可产生后代在su-宿主中不能产生后代第九页，共七十四页。第二节细菌的遗传重组接合（conjugation）第十页，共七十四页。细菌的杂交试验1946年，J.Lederberg的大肠杆菌杂交试验：材料：大肠杆菌(E.coli)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-、亮氨酸缺陷型leu-、硫胺缺陷型thi-原养型出现频率10-7第十一页，共七十四页。几种可能性：1.某个菌株发生基因突变2.AB菌株合成产物互相供给（互养）3.转化4.两个菌株发生遗传重组细菌自然突变概率大约10-6，两个基因同时突变概率10-12，远低于实际观察到的频率，不可能是由突变造成的原养型是怎样产生的？第十二页，共七十四页。U型管试验结论：1.野生型不是互养或转化产生的2.两菌株细胞的直接接触对野生型产生是必要的3.AB两菌株进行了重组基本培养基不生长基本培养基不生长第十三页，共七十四页。链霉素处理A菌B菌完全培养基培养洗涤离心基本培养基重组体未减少链霉素处理B菌A菌完全培养基培养洗涤离心基本培养基无重组体产生链霉素不阻止遗传物质转移和复制，但是可以阻止细胞分裂该实验说明细菌接合过程中遗传物质的转移是单向的，即遗传物质从A株转移到了B株。A为雄性菌株，B为雌性菌株细菌的性别第十四页，共七十四页。F因子（Ffactor）雄性菌株中存在F因子，介导遗传物质转移细菌染色体外的一个决定细菌雄性性别的共价环状DNA分子，称为致育因子(fertilityfactor)，又称为F因子或F质粒。大小大约是细菌染色体的2%第十五页，共七十四页。F因子结构原点（origin）：转移的起点致育基因（fertilitygene）:使其具有感染性，一些基因控制菌毛（接合管）生成配对区（pairingregion）：包含与细菌染色体同源配对及整合所需序列第十六页，共七十四页。F+×F-能使F-变成F+，细菌的遗传重组频率很低F因子双链DNA分子中一条链打开一个缺口，该链从5’端开始进入F-细胞，在F-中复制形成一个完整的F因子第十七页，共七十四页。Hfr品系（HighFrequencyRecombination）Hfr品系：含F因子菌株与F-细胞接合后可以将供体染色体的一部分或全部传递给F-受体，重组频率高达10-2以上，称为高频重组品系（Hfr）F因子整合到细菌染色体上，伴随着细菌染色体的复制同步增殖。附加体：F因子既可以以游离状态存在于细胞内，也可以整合到细菌的染色体上，称为附加体第十八页，共七十四页。Hfr×F-致育基因在最后，很难进入受体细胞，不能使F-变成F+，细菌的遗传重组频率很高第十九页，共七十四页。F因子和Hfr的关系第二十页，共七十四页。部分二倍体部分二倍体（particaldiploid）：既带有自身完整的基因组，又有外源DNA片段的细胞，也称为部分合子（merozygote）。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第二十一页，共七十四页。细菌部分二倍体的形成方式转化转导接合第二十二页，共七十四页。接合（conjugation）接合过程由性纤毛介导，需要静止第二十三页，共七十四页。转化（transformation）外源DNA片段被细菌吸附，单链进入细菌细胞并与细菌染色体发生重组转化：细菌细胞摄取周围游离的外源DNA片段，通过同源区段的交换而实现基因重组必须是感受态细胞第二十四页，共七十四页。转导（transduction）噬菌体头部可能会包裹进细菌的部分DNA，再侵染另外的细菌时介导了DNA的转移转导：以噬菌体为载体将遗传信息从一个细菌细胞传递到另一个细菌细胞，包括普遍性转导和特异性转导第二十五页，共七十四页。细菌遗传重组与高等生物的不同高等生物的遗传重组在两个完整的染色体之间进行，而细菌的遗传重组在完整的染色体和DNA片段之间进行高等生物中遗传重组产生一对相反的重组子，而细菌中遗传重组不产生相反的重组子高等生物单交换产生重组，细菌中双交换产生重组第二十六页，共七十四页。中断杂交实验1957年E.Wollman和E.Jacob设计完成第二十七页，共七十四页。第二十八页，共七十四页。第二十九页，共七十四页。中断杂交作图：指在Hfr×F-杂交中，把接合中的细菌在不同时间取样，搅拌中断杂交，分析受体菌基因型，以Hfr基因出现在F-中的先后顺序，以转移时间为图距单位进行基因作图的方法第三十页，共七十四页。用一种大肠杆菌的不同Hfr菌株进行中断杂交实验，作出连锁图，其基因向F-细胞转移的顺序不同转移的顺序是不是随机的？比如：thrthigly第三十一页，共七十四页。第三十二页，共七十四页。第三十三页，共七十四页。大肠杆菌K12菌株部分遗传图，整个环状基因组约100min第三十四页，共七十四页。重组作图两基因转移时间间距小于2min时，中断杂交法的图距不够精确，应采用重组值测定Hfr（lac+ade+strs）×F-(lac-ade-strr)已知ade+在lac+之后进入F-将两型细菌混合互作60min，在含str无ade的选择培养基上筛选ade+菌株，菌落克隆影印至伊红美蓝培养基确定其乳糖基因型，计算lac与ade的重组值例：两个紧密连锁基因：lac-（乳糖不发酵）ade-（腺嘌呤缺陷型）第三十五页，共七十四页。粉红色菌落：lac-紫红色菌落：lac+第三十六页，共七十四页。5215Rf(ade-lac)=lac-ade+lac-ade++lac+ade+=1515+52×100%=22%1min大约相当于20%重组值大肠杆菌染色体全长100min，约2000cM，1cM=2000bp第三十七页，共七十四页。F′

：Hfr菌株的F因子不正常环出，可能会包含部分细菌的染色体片段，称为F′因子第三十八页，共七十四页。F′

×F-能使F-变成F′，细菌的遗传重组频率很高HfrF′性导（sexduction）：利用F′因子将供体细胞基因导入受体形成部分二倍体的过程称为性导第三十九页，共七十四页。F-菌株：缺乏F因子F+菌株：具有游离的F因子Hfr菌株：F因子整合到宿主染色体上F′菌株：含带有部分宿主染色体的游离F因子三种致育因子的关系F+×F-：能使F-变成F+，细菌的遗传重组频率很低Hfr×F-:不能使F-变成F+，细菌的遗传重组频率很高F′×F-:能使F-变成F′,所携带细菌基因的遗传重组频率很高第四十页，共七十四页。第四十一页，共七十四页。烈性噬菌体（virulentphage）侵入宿主细胞后，利用宿主细胞内的物质进行自身遗传物质和蛋白质的合成，组装出子噬菌体，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。T系列噬菌体第三节噬菌体的遗传分析第四十二页，共七十四页。烈性噬菌体侵染过程第四十三页，共七十四页。温和噬菌体（temperatephage）：侵入后并不使细菌裂解，而是以原噬菌体或质粒的形式存在的一类噬菌体称为温和性噬菌体。λ

P1噬菌体温和噬菌体侵染宿主菌后仅有少数基因活动，表达出阻遏物关闭其它基因从而使该噬菌体不具有感染能力。这种无感染能力的噬菌体称为原噬菌体

(prophage)原噬菌体经诱导可转变为烈性噬菌体溶源菌：含有温和噬菌体的寄主细菌称为溶源菌溶源免疫：含有原噬菌体的细菌具有抵抗同种噬菌体超感染的能力，称为溶源免疫第四十四页，共七十四页。第四十五页，共七十四页。第四十六页，共七十四页。温和噬菌体的溶菌周期和溶源周期第四十七页，共七十四页。合子诱导（zygoticinduction）雅可布和沃尔曼（1956年）发现了合子诱导现象。含有原噬菌体（λ）的Hfr×F－很难得到重组子，而Hfr×F－（λ）或Hfr（λ）×F－（λ）却可以得到重组子。这是由于在Hfr（λ）×F－的杂交中，原噬菌体进入无阻遏物的受体细胞质中进行大量复制使受体细胞裂解，因此不易得到重组子，此现象就称为合子诱导。利用合子诱导可以确定噬菌体在细菌染色体上的整合位点Hfr(λ)×F－无重组子Hfr×F－(λ)有重组子Hfr(λ)×F－(λ)有重组子第四十八页，共七十四页。噬菌体基因重组T2噬菌体突变型快速溶菌突变型：正常噬菌体，r+，产生的菌斑小而边缘模糊突变噬菌体，r-，产生的菌斑大两倍而边缘清晰宿主范围突变体：正常噬菌体，h+，只能以大肠杆菌B株为宿主突变噬菌体，h-，能以B株和B/2株为宿主h+r+：产生半透明的小菌斑h-r+：产生透明的小菌斑h+r-：产生半透明的大菌斑

h-r-：产生透明的大菌斑第四十九页，共七十四页。

h+r-×h-r+

接种在同时长有B和B/2

株的培养基上

h+r-h-r+

h+r+h-r-

半透明，大透明，小半透明，小透明，大h+r-h-r-

h+r+h-r+(透明，小)(半透明，大)第五十页，共七十四页。第五十一页，共七十四页。第五十二页，共七十四页。T4噬菌体重组测验与基因结构分析类型不同大肠杆菌菌斑平板上表型BK(λ)S野生型小噬菌斑小噬菌斑小噬菌斑rI大噬菌斑大噬菌斑大噬菌斑rII大噬菌斑无噬菌斑（致死）小噬菌斑rIII小噬菌斑大噬菌斑大噬菌斑T4噬菌体野生型和突变型的区别第五十三页，共七十四页。第五十四页，共七十四页。重组子r47r104不能生长，无法检出，但其频率与++相等%100=总噬菌斑数2×rII+噬菌斑数重组值×2×K(λ)菌株噬菌斑数B菌株噬菌斑数×100%两种rII突变型双重感染重组第五十五页，共七十四页。T4染色体rII区精细重组图第五十六页，共七十四页。转导：指以噬菌体为媒介进行的细菌遗传物质重组，是细菌遗传物质传递和交换方式之一。转导（transduction）第五十七页，共七十四页。Lederberg和Zinder（1952）在沙门氏菌中发现转导现象。转导的发现第五十八页，共七十四页。不是由接合产生的重组；而是通过过滤因子介导的重组该过滤因子为LT-22菌株中的温和噬菌体P221.LT22携带P22原噬菌体2.过滤因子的大小和质量与P22相同3.过滤因子用抗P22血清处理后失活4.LT2是对P22敏感的非溶源性细菌5.用抗P22菌株替代LT2菌株则不再出现重组体第五十九页，共七十四页。普遍性转导3/1000几率错误包装AA第六十页，共七十四页。普遍性转导在噬菌体感染的末期，细菌染色体被断裂成许多小片段，在形成噬菌体颗粒时，少数噬菌体将细菌的DNA随机包裹进其蛋白质衣壳内，该噬菌体颗粒再感染其他宿主时，就将所携带的细菌染色体片段带入受体菌中导致基因重组。这种转导类型称为普遍性转导。解释普遍性转导的机制称为“选择包裹模型”转导颗粒：把细菌染色体片段包装到噬菌体蛋白质外壳内而产生的假噬菌体,可以介导细菌的基因重组第六十一页，共七十四页。AA流产转导（abortivetransduction）第六十二页，共七十四页。流产转导（abortivetransduction）普遍性转导中，在基本培养基上除了出现正常菌落之外，还有大量小菌落，两者之比约为1:10，这一现象称为流产转导。导入受体的野生型基因只有大约10%可以重组到受体染色体，形成完全转导90%的未重组片段因不能复制而在细胞分裂时只能传递到一个细胞中，称为单线遗传。未得到供体基因的细胞依靠母细胞残留的酶可以分裂一两次，形成小菌落。第六十三页，共七十四页。普遍性转导中约0.3%噬菌体为转导噬菌体，而包装DNA量约为沙门氏菌染色体的1%，任意基因的转导频率约为3×10-5普遍性转导中，受限于噬菌体头部DNA的包装量，两基因之间距离大于噬菌体染色体长度时通常不能同时转导，两个基因始终一起转导或同时转导频率较高时即证明两个基因是连锁的。这种两个基因同时转导的现象称为共转导或并发转导（co-transduction）利用共转导可以进行细菌染色体基因作图，两基因共转导频率越高则连锁越紧密共转导第六十四页，共七十四页。第六十五页，共七十四页。第六十六页，共七十四页。第六十七页，共七十四页。例：转导噬菌体P1侵染大肠杆菌(