细菌和病毒的遗传

关于细菌和病毒的遗传

根据寄主的不同把病毒分为植物病毒、动物病毒和细菌病毒。细菌病毒又叫噬菌体（bacteriophage），它是目前研究比较清楚的一种病毒。真核生物的基因重组是通过减数分裂实现的，而原核生物的细菌和既不是原核生物又不是真核生物的病毒，它们不进行减数分裂，但也能进行基因重组。第2页,共32页，2024年2月25日，星期天第五章细菌和病毒的遗传

第一节细菌和病毒遗传研究的意义第二节噬菌体的遗传分析第三节细菌的遗传分析

第3页,共32页，2024年2月25日，星期天第一节细菌和病毒遗传研究的意义第4页,共32页，2024年2月25日，星期天第二节噬菌体的遗传分析

一、噬菌体的结构与繁殖

二、T2噬菌体的基因重组

第5页,共32页，2024年2月25日，星期天一、噬菌体的结构与繁殖

形态：蝌蚪形、微球形、细线形等。结构：E.coliT系列如T1、T2、T3、T4------T7等为蝌蚪形，它们的结构相似。分类：烈性噬菌体（virulentphage），如E.coli的

T偶数列噬菌体

温和型噬菌体（temperatephage），如λ、P1

和Ф80噬菌体第6页,共32页，2024年2月25日，星期天1、烈性噬菌体的繁殖图7－5烈性噬菌体（T4）的繁殖第7页,共32页，2024年2月25日，星期天概念：

噬菌斑：把对噬菌体敏感的细菌和噬菌体混合培养在琼脂培养基上，未受侵染的细菌迅速生长，形成菌落（colony），而受侵染的细菌裂解（lysis），再侵染邻近细菌使之再裂解，在长满菌落的不透明培养基上，会出现肉眼可见的透明的斑点，叫噬菌斑。基因型不同的噬菌体，产生的噬菌斑大小和形态不同，寄主范围（hostrange）也可能不同，根据这些性状可以加以区别。

第8页,共32页，2024年2月25日，星期天2、温和型噬菌体的繁殖

图7－6

噬菌体的溶源性周期和裂解周期

概念：溶源性（lysogeny）周期：原噬菌体（prophage）：溶源性细菌：溶源性细菌对同一种噬菌体的侵染是免疫的。

噬菌体感染细菌后，通过交换整合到细菌染色体上，而P1噬菌体并不整合到细菌染色体上，但它们都是溶原性细菌，属温和型噬菌体。温和型噬菌体多数情况下，进行溶源性周期，但在外界因素影响下，也能进入裂解周期第9页,共32页，2024年2月25日，星期天二、T2噬菌体的基因重组赫尔歇（Hershey）对T2噬菌体的基因重组作了研究。研究的性状是噬菌斑的大小和寄主范围（hostrange）。野生型r＋------小噬菌斑；突变型r－------大噬菌斑；野生型h＋------只能感染E.coli的B品系；突变型h－------既能感染B品系，又能感染B／2品系。噬菌体杂交：两种不同基因型的噬菌体在同一细菌体内的基因重组。

第10页,共32页，2024年2月25日，星期天h－r+×h+r－

即同时感染B品系，DNA复制后可能配对，hr之间可能发生交换h－r+h+r－h－r+h+r－裂解后接种在同时含有B和B/2系的培养基上

h－

r+

h+r－

h－

r－

h+r+透明、小斑半透明、大斑

透明、大斑半透明、小斑亲型重组型第11页,共32页，2024年2月25日，星期天

重组型噬菌斑数交换值=×100％总噬菌斑数去掉％即为两基因（h、r）之间的遗传距离

第12页,共32页，2024年2月25日，星期天第三节细菌的遗传分析

细菌之间基因重组的方式主要有以下四种：一、转化

二、接合

三、性导

四、转导

第13页,共32页，2024年2月25日，星期天一、转化

转化（transformation）：指一种细菌或细胞通过细胞膜吸收外源DNA（供体DNA），并通过重组将外源DNA整合（参入）到自己的基因组中，从而表现出供体（donor）遗传性状的现象。接受供体遗传物质的细胞称为受体（receptor）。只有当整合的DNA片段产生新的表现型时，才能测知转化的发生。第14页,共32页，2024年2月25日，星期天

转化现象最初是由格里费斯（Griffith，F.）在1928年研究肺炎双球菌时发现的。肺炎双球菌有两种类型：（1）光滑型（S型）：被一层多糖类的荚膜所保护，有毒性，在培养基上形成光滑的菌落。（2）粗糙型（R型）：没有荚膜，没有毒性，形成粗糙型菌落.第15页,共32页，2024年2月25日，星期天

根据血清学反应，分成许多抗原型：SⅠ、SⅡ、SⅢ、RⅠ、RⅡ.转化试验：无毒的RⅡ型有毒的SⅢ型RⅡ型SⅢ型（加热杀死）↓注入加热（65℃）↓杀死再注入混合后注↓入一个体内老鼠老鼠老鼠↓↓↓不死亡不死亡死亡RⅡ型细菌重现无SⅢ型菌重现有少数SⅢ型菌重现第16页,共32页，2024年2月25日，星期天第17页,共32页，2024年2月25日，星期天

1944年阿委瑞（Avery，O.T.）不仅重复了上述实验，而且将SⅢ型菌的DNA提取物与RⅡ型混合在一起，在离体培养条件下，使少数RⅡ型转化成了SⅢ型，并能稳定遗传，因为该提取物不受蛋白酶、多糖酶、核糖核酸酶（RNA酶）的影响，而只能为DNA酶所破坏，所以认为促成转化的物质是DNA。说明RⅡ型通过吸收了SⅢ型的DNA片段，实现了转化过程。这个转化实验直接证明了遗传物质是DNA，而不是蛋白质，也说明细菌的遗传物质可以通过转化进行重组。第18页,共32页，2024年2月25日，星期天转化的过程：

1、供体DNA的结合和穿入

（1）供体DNA片段必须是双链，且至少具有一定的长度和一定的浓度（2）受体细胞必须处于感受态

（3）受体细胞利用DNA外切酶或移位酶（translocase）降解其中一条链，利用降解产生的能量，将另一条链纵向拉进细胞。第19页,共32页，2024年2月25日，星期天2、联会（synapsis）供体单链DNA与受体DNA根据亲缘关系进行联会，亲缘关系远，联会的可能性就小，转化的成功率就低，反之，则大。

3、整合（integration）配对后通过置换作用，使供体DNA片段参入到受体DNA中。第20页,共32页，2024年2月25日，星期天二、接合接合(conjugation)：指原核生物的遗传物质通过细胞接触从供体（雄性）转移到受体（雌性）的过程。（一）接合与转化的区别

1946年黎德伯格（Lederberg，J.）和塔特姆（Tatum，E.）用E.coliK12品系做的实验：met－：甲硫氨酸缺陷型bio－：生物素（biotin）缺陷型thr－：苏氨酸（threonine）缺陷型leu－：亮氨酸（leucine）缺陷型

第21页,共32页，2024年2月25日，星期天

图7－11戴维斯的U型管试验

为了解释上述原养型形成的原因，1950年戴维斯（Davis,B.）设计了U型管试验（图7－11）。

A菌株和B菌株混合一段时间后，从任何一个臂内取样，分别涂布在基本培养基上，都没有出现原养形细菌。说明细胞接触是上述实验出现原养型的必要条件。所以这是接合而不是转化，二者的区别就在于细胞是否接触。

第22页,共32页，2024年2月25日，星期天（二）接合的过程

1952年，海斯（Hayes,W.）证明，接合中遗传物质的交流是单方向的：A（雄性，供体）→B（雌性，受体）后来研究发现，之所以A→B，是因为A中有一个性因子（sexfactor），称F因子，它是DNA，它可以自主存在于细胞质中，也可整合到细菌的染色体组内，这类遗传颗粒叫附加体（episome）。根据F因子在细胞中存在的状态，将细菌（以E.coli为例）分为三类：

F+：F因子自主状态存在于细胞质中

F－：细胞质中无F因子

Hfr：F因子整合在细菌的染色体组内

第23页,共32页，2024年2月25日，星期天接合有两种情况：

部分二倍体（部分合子）内基因子外基因子单交换时，E.coli的染色体被打开，呈链状，细菌死亡，无意义。双交换时，产生遗传的重组体，实现了遗传物质的交换。需要说明的是F－很少转为Hfr（与F－可转化为F＋区别），因为Hfr中的DNA在转移的过程中，接合常常中断。

第24页,共32页，2024年2月25日，星期天分别影印培养到各培养皿

中（三）中断杂交试验和染色体作图在接合过程中，根据F－细胞中发现Hfr细胞基因的时间早晚来确定其顺序，从而进行基因定位。原理：把Hfr菌株与F－菌株混合培养设Hfr菌株的基因型为：strsa+b+c+d+F－菌株的基因型为：strra－

b－

c－

d－（strs------链霉素敏感基因，strr------链霉素抗性基因，abcd代表不同的基因，＋------为原养型或抗性，－------为缺陷型或敏感型）含str的完全培养基以杀死Hfr细胞

缺少A物质的缺少B物质的缺少C物质的缺少D物质的完全培养基完全培养基完全培养基完全培养基Hfr

F－混合培养隔一定时间取样搅拌第25页,共32页，2024年2月25日，星期天1950年雅科（Jacob，F.）和沃尔曼（Wollman，E.）的中断杂交试验（interruptedmatingexperiment）:Hfr的基因型F－的基因型thr＋------苏氨酸野生型thr－leu＋------亮氨酸野生型leu－aziR------抗叠氮化钠aziStonR------抗T1噬菌体tonSlac＋------能发酵乳糖lac－gal＋------能发酵半乳糖gal－strS------对链霉素敏感strR实验发现：混合8分钟后取样，开始出现少量thr＋的F－菌落；混合8.5分钟后取样，开始出现少量leu＋的F－菌落；混合9分钟后取样，开始出现少量抗azi的F－菌落；混合11分钟后取样，开始出现少量抗T1噬菌体的F－菌落；混合18分钟后取样，开始出现乳糖发酵基因的F－菌落；混合25分钟后取样，开始出现半乳糖发酵基因的F－菌落；在18分钟之前F－均属不发酵型。

随着时间的推移，从Hfr得到的某个等位基因重组体的百分率增加，百分率增加到一定程度，就维持在一定的水平，很少出现100％，这是因为在人为搅拌之前，有些接合已经中断，这种情况在重组体中就不会出现某个基因

。第26页,共32页，2024年2月25日，星期天

根据上述实验可知，Hfr菌中的基因是按一定的线性顺序依次进入F－的，据开始进入时间的早晚，可作出基因的直线连锁图（图7－18），以始点为原点（origin）,写作OthrleuazitonlacgalF

88.59111825O•••••••图7－18根据中断杂交试验作出的大肠杆菌直线连锁图（数字单位：min）

第27页,共32页，2024年2月25日，星期天

注意：对于同一种细菌来说，不同的菌株F因子整合到细菌染色体的位置可能不同，这就形成不同的Hfr类型，在接合时，转移的原点和方向可能不同，就会出现多种基因转移顺序（如表7－6）。Hfr的类型基因转移顺序HfrH123AB312OthrprolacpurgalhisglythiOthrthiglyhisgalpurlacproOprothrthiglyhisgalpurlacOpurlacprothrthiglyhisgalOthithrprolacpurgalhisgly

从表7－6看出，尽管Hfr类型不同，基因转移的起点和顺序不同，但基因的相邻关系并没有改变，说明细菌染色体是环状的，据表7－6作连锁图（图7－19），但当两基因的距离小于2分钟时，中断杂交法作出的图距不太准确。表7－6用中断杂交法确定的几个Hfr菌株的基因顺序第28页,共32页，2024年2月25日，星期天三、性导（sexduction）