细菌和病毒的遗传分析PPT

1、1,第十章 细菌和病毒的遗传分析,张爱玲2,内 容,细菌和病毒的特点 细菌的遗传分析 噬菌体的遗传分析,3,第一节,细菌和病毒的特点,1.1 细菌的特点及培养技术,细菌特点 单细胞生物，不同细菌大小不一，1-2um长，0.5um宽 结构：鞭毛、荚膜、细胞壁、胞膜、胞质、DNA（称为拟核） 遗传物质：1个 主染色体、多个微小染色体 微小染色体：也称为质粒，携带不同的基因，使细菌具有不同的性状；被作为基因工程的载体,4,5,细菌特点 繁殖世代短（ 20分钟一个世代） 会发生突变： 菌落形态性状的突变：菌落的形状、颜色和大小等。 生理特性的突变：丧失合成某种营养物质能力的营

2、养缺陷型（营养缺陷型）。 抗性突变包括：抗药性或抗感染性。,1.1 细菌的特点及培养技术,6,1.1 细菌的特点及培养技术,细菌的培养技术 固体和液体培养： 液体培养后，细菌分裂呈几何级数增殖 吸取少量液体，无菌环境下，涂布在固体培养基上 细胞在固体培养基上不能移动，每个细胞会聚集成群，达107个细胞，肉眼可见（平板培养），称为无性繁殖/克隆,7,1.1 细菌的特点及培养技术,细菌突变研究方法 1952年发明的影印培养法 过程：母板上长成菌落，然后拿一个比培养皿小的木板，上面包裹灭菌的丝绒，印在母板上，菌落会吸附在丝绒上，然后把丝绒印到不同成分的培养基上。 结果判断：凡是不能够在新的培养基上的

3、菌落，为缺陷菌落。,8,9,细菌的固体、稀释培养及菌落,10, 合成代谢功能突变型: 营养缺陷型（auxotroph) 野生型（wild type) 缺陷型（deficient) 原养型（prototroph) Met- 甲硫氨基酸缺陷型 Met+ Thi- 硫胺缺陷型 Thi+ Pur- 嘌呤缺陷型 Pur+ 分解代谢功能突变型：lac- 乳糖突变型，野生型为lac+ 抗性突变型：抗药性或抗感染性 StrR , StrS 分别表示对链霉素有抗性和敏感 T1R, T1S分别表示对T1噬菌体有抗性和敏感 R：resistant；S：sensitive,细菌的突变型和标识,11,细菌的突变型和标识

4、,基本培养基（minimal medium） 仅含葡萄糖和无机盐。 完全培养基（complete medium） 含细菌所必需的各种营养成分。,12,1.2 病毒的生物学特征,比细菌结构更为简单，只有一条染色体（DNA或 RNA ）。 病毒结构：蛋白质外壳+包被的核酸所组成的颗粒。 种类：根据宿主(动物、植物、细菌)或遗传物质(DNA或RNA)来分类。感染细菌的病毒(Bacterial phage)，称为噬菌体(phage)，是目前经过广泛研究，了解比较清楚的一种病毒。 在没有宿主情况下，可以视之为没有生命/或者一堆化合物,13,1.2 病毒的生物学特征,病毒种类 依遗传物质划分：单链DNA，

5、单链RNA，双链DNA，双链RNA 依与宿主细胞关系划分：如烈性噬菌体；温和噬菌体,14,噬菌体,15,1.3细菌和病毒在遗传研究中的优越性,繁殖世代周期短：min/h 易于操作管理和进行化学分析 (纯培养与代谢产物累积)，节省空间和人力、物力； 便于研究基因的突变 (表现与选择)； 便于研究基因作用 (突变型生长条件与基因作用)； 便于研究基因重组 (重组群体大、选择方法简便有效)； 遗传物质简单，可作为研究高等生物的简单模型,1.4 细菌和病毒的拟有性过程,细菌和病毒不同于真核生物配子融合的有性过程 遗传物质传递：从一个细胞传到另一个细胞 细菌的拟有性过程：转化、接合、性导、转导,16,1

6、7,第二节,细菌的遗传分析,18,1 细菌转化,转化： 细菌通过细胞膜摄取周围供体DNA的片段，并可能将外源DNA片段通过重组整合到自己染色体组的过程。,+,19,1 细菌转化,转化： 细菌通过细胞膜摄取周围供体DNA的片段，并可能将外源DNA片段通过重组整合到自己染色体组的过程。,+,20,1 细菌转化,外源DNA 要求：双链DNA（环状质粒）；环状/线性 细菌要求：处于感受态状态，可能只发生在细菌生长周期的某一时期,21,1 细菌转化,转化的类型 自然转化（natural transformation）： 细菌能够自然地吸收DNA，如枯草杆菌的转化。 工程转化（engineered tra

7、nsformation） 通过某种处理使细菌能够摄入外源DNA，如大肠杆菌 的转化: 电转化、化学法转化（氯化钙法）。 转化效率：约1 转化片段的长度：800 bp-20 kb,22,电转仪和电转杯（仍需是感受态细胞）,1 细菌转化,23,转化 转化进宿主细胞的质粒数目在宿主菌中不等。 分为： 松弛型质粒（几十至几百个拷贝） 严谨型质粒（10个拷贝以下）,1 细菌转化,24,转化的质粒丢失情况 吖黄素处理细胞，不妨碍细菌增殖，有选择性阻碍质粒复制，在细胞中丢失。（有压力才有动力）,无选择压力,1 细菌转化,1 细菌转化,转化过程 结合：供体DNA与受体位点的结合 双链DNA结合在细胞表面几个受

8、体位点 穿入：供体DNA由双链DNA 变成单链DNA 外切酶降解其中一条链，产生能量，把另外一条单链拉近细胞,25,1 细菌转化,转化过程 联会： 受体DNA双链部分变为单链，与供体单链DNA互补配对 整合： 单链供体DNA与受体DNA对应位点置换，稳定渗入到受体DNA中，随着受体DNA复制而复制,26,1 细菌转化,转化成功的前提 获知受体DNA的序列 供体DNA含有相应的序列，可与受体DNA互补配对,27,1 细菌转化,质粒的转化 过程比较简单。 可以以游离状态存在，不一定发生整合,28,2 细菌接合,29,2 细菌接合,接合：遗传物质从供体（雄性）转移到受体（雌性）的过程,30,31,2

9、.1 接合现象的发现,A菌: met- bio- thr+ leu+ thi+；需要在基本培养基上补充甲硫氨酸和生物素才能生长； B菌： met+ bio+ thr- leu- thi-；需要在基本培养基上补充苏氨酸、亮氨酸和硫胺才能生长；,Lederberg和Tatun细菌杂交实验（1946）,32,2.1 接合现象的发现,met- bio- thr+ leu+ thi+ met+ bio+ thr- leu- thi-,基本固体培养基（不含有上述5种物质）,Lederberg和Tatun细菌杂交实验（1946）,？,33,2.1 接合现象的发现,戴维斯U型管试验，1950,34,2.1 接

10、合现象的发现,综合两个实验得出结论： A和B细菌通过接触，发生了杂交，遗传物质发生了交换，产生了与两个亲代菌株不同的野生型met+ bio+ thr+ leu+ thi+菌株。,A菌和B菌怎么接触的呢,35,2.1 接合现象的发现,F-,F+,性伞毛：F+细菌表面的细长纤毛,两株E.coli的接合电镜照片,36,2.1 接合现象的发现,Lederberg和Tatun细菌杂交实验（1946）结果猜想,？,A 菌 B菌,37,2.1 接合现象的发现,Lederberg和Tatun细菌杂交实验（1946）结果猜想,？,A 菌 B菌,38,2.1 接合现象的发现,A 菌 B菌,（链霉素处理，阻碍细菌分

11、裂，能够转移基因；即B菌被链霉素杀死了，失去了繁殖能力，但其DNA还在）,基本培养基,B菌的基因没有转移到A菌,39,2.1 接合现象的发现,A 菌 B菌,基本培养基,A菌的基因转移到B菌,（链霉素处理，阻碍细菌分裂，能够转移基因；即A菌被链霉素杀死了，失去了繁殖能力，但其DNA还在）,40,2.1 接合现象的发现,上述现象的原因 A菌受处理不能分裂，但能够转移基因（DNA） B菌未受处理能分裂，在分裂过程中接受A转移过来的基因(DNA) 基因间单向发生了交换，最终形成野生型菌落 A菌可以看做供体（雄），B菌可以看做受体（雌）,A菌向B菌转移的到底是什么物质？,41,2.1 接合现象的发现,F

12、因子：细菌间被转移物质称为F因子，又被称为质粒、性因子、致育因子。 A菌可以看作供体（雄），记为F+，含有F因子；B菌可以看作受体（雌），不含F因子，记为F-。,42,2.1 接合现象的发现,F因子的转移引起细菌间杂交 F因子的化学本质是DNA，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,43,大肠杆菌F因子向F-细胞转移图解,44,2.2 高频重组与中断杂交技术,Hfr：high frequency of recombination,A B,45,2.2 高频重组与中断杂交技术,1951年，卡瓦里（Cavalli）等人，1954年海斯（Hayes）先后在A菌株中分离出新的菌株。

13、 Hfr形成 F因子可以整合到细菌环状DNA上（染色体上），含有重组状态的这种F菌株叫Hfr（高频重组）菌。 特点 (1)可以作为供体，与B杂交，重组频率比AB高1000倍，称高频重组菌株。 (2)转移F因子频率低,46,F因子的存在状态,2.2 高频重组与中断杂交技术,47,2.2 高频重组与中断杂交技术,Hfr怎么进行基因的重组？ 中断杂交技术揭示了上述现象。 中断杂交：根据供体基因进入受体细胞的顺序和时间绘制连锁图的技术。 重组的顺序是什么呢？,48,2.2 高频重组与中断杂交技术,苏AA 亮AA 叠氮化钠 噬菌体 乳糖 半乳糖 链霉素 F+ thr + leu+ azir tonr l

14、ac+ gal+ strs F-： thr- leu- azis tons lac- gal- strr 将 F+与F-同时加入装有完全培养基的大试管中，一定时间取样振荡，稀释接种至添加str但不含thrAA和leuAA的培养基上，形成含有F-和F+的重组子，再把菌落分别转移到只添加azi、ton、以lac或gal为炭源的选择性培养基上。,49,2.2 高频重组与中断杂交技术,F+ F-,混合后震荡培养（形成结合管）,添加str，无thrAA和leuAA,thr+， leu+，strr,（首先确定F+和F-的重组子具有F+的thr+、 leu+和F-的strr ）,(1) 混合,(2) 涂平板

15、,那么F+菌其他基因是否也得到重组？重组顺序呢？,50,2.2 高频重组与中断杂交技术,9min,11min,18min,25min,F+ F-,（3）,注：时间为F+和F-混合的时间，如9混合9min后中断，混合11min后中断,51,2.2 高频重组与中断杂交技术,Hfr进入F-的频率：从重组子的出现，随时间的推移，菌落开始增加，直至某一百分数，出现时间越早，百分数越高。,（1）F+的基因按一定顺序和时间间隔进入F- （2）每个基因进入F-有一定频率，且在短时间内达到最高 （3）进入F-越早，频率越高 （4）F因子进入迟，频率低,2.2 高频重组与中断杂交技术,52,一个特定的Hfr菌株和

16、F-菌株接合时 首先出现的F-细胞中供体性状是固定不变的 而且各性状的出现有一定的先后次序 说明供体染色体是从某一特定位置即原点开始逐渐转移的 标记基因离原点越远，进入F-细胞越迟。不同的Hfr菌株的染色体原点不同，转移方向也不同。,53,2.2 高频重组与中断杂交技术,根据重组子出现时间，得到Hfr基因在F-的连锁图，距离单位为min，不反应基因间的物理距离。,中断杂交技术得到的基因连锁图 ton在azi进入F-后2min后才进入F-，可以认为azi和ton相隔2个单位。,54,2.2 高频重组与中断杂交技术,用不同Hfr菌株进行中断杂交试验，基因转移的顺序，转移起点和转移方向很不相同。,大

17、肠杆菌环状染色体,55,2.3 F因子整合到细菌染色体的过程,细菌染色体 Hfr染色体,附加体：可以整合到染色体上成为染色体一部分的质粒。,56,2.3 F因子整合到细菌染色体的过程,F因子：质粒的一种。 组成部分：转移的原点； 形成性伞毛基因群； DNA复制酶基因； 插入序列（具有极性，决定了插入转移的方向）,57,2.3 F因子整合到细菌染色体的过程,供体 受体,58,2.3 F因子整合到细菌染色体的过程,细菌基因重组特点： 单交换导致不平衡部分二倍体线性染色体 只有偶数交换才能产生平衡的重组子 相反重组子不出现,59,2.3 F因子整合到细菌染色体的过程,当两基因转移时间接近2min时，

18、中断杂交技术测定基因距离不可靠，需要重组作图。 重组作图是一种传统的作图方法。,60,2.3 重组作图（当基因转移时间接近2min时）,Hfr F-,lac+ ade+ strs lac- ade- strr,完全培养基，添加str，无ade,ade+ strr（lac需进一步确定）,EMB培养基，伊红美兰培养基，含乳糖,lac- ade+（基因发生交换,浅红色菌落）,lac+ade+ （基因未发生交换，暗红色菌落,lac和ade基因重组率（或距离）, 100%,lac+ （乳糖发酵）和ade-（腺嘌呤缺陷型）基因紧密连锁,当含有lac+时， lac+基因表达产生lac酶，分解乳糖，产酸，菌落

19、为深紫色；否则为浅红色,61,2.3 重组作图,重组后F-染色体,重组后F-染色体,62,2.3 重组作图, 100%,lac和ade基因重组率（或距离）,1min相当于20%的重组率,3 性导,63,64,3 性导,利用F因子进行细菌基因的转移叫做性导。 F ：既可以整合到细菌染色体上，又可以从整合的细菌染色体随染色体片段上解离下来的F因子。 F 因子组成：F因子+受体染色体片段,65,小结,细菌的遗传一般指质粒在供体与受体之间的转移 接合和性导是转移的方式，转化也是接合的一种方式 转移的物质分为：F因子、性因子、致育因子和F因子 接合转移的物质是F因子，性导转移的物质是F因子 F 因子=

20、F因子+受体染色体片段,66,小结,含有质粒的菌株称为F+菌株，不含有质粒的称为F-菌株； F+菌株的质粒易与受体染色体发成重组的称为Hfr菌株 附加体是指可以整合到染色体上成为染色体一部分的质粒 F+、F-、Hfr、 F 各自关系,67,第三节 噬菌体的遗传分析,烈性噬菌体 烈性噬菌体基因重组 溶原性噬菌体 噬菌体转导,68,尾管,刺突,由头部、颈部、尾部组成,69,噬菌体的特点,个体极小：2-200kb，DNA或者RNA，只能借助电镜才可看见，实验时一般用肉眼观察它感染细菌后所形成的噬菌斑加以识别。,专性寄生：在活体外不具任何生命特征，往往一个噬菌体只感染一种细菌。侵染过程： 吸附 遗传物

21、质注入 复制 裂解细菌,无细胞结构：化学组成和繁殖方式简单。,不同结构的噬菌体（或不同的突变型）可同时感染一个细菌，并能在细菌细胞内进行基因重组，即混合感染。,70,1 烈性噬菌体,定义： 当噬菌体感染细菌后，寄主细胞的DNA立即停止活动，由噬菌体的DNA指导合成噬菌体的DNA和蛋白质，产生新的子噬菌体，最后寄主细菌裂解，释放出成熟的子噬菌体，这一类噬菌体称之为烈性噬菌体。 通过它对相邻细菌连续不断地侵染和裂解，在长满细菌的不透明的菌落上看到一个圆形的透明区噬菌斑。,71,噬菌斑描述：大小，透明与不透明，边缘光滑与清晰。,72,1 烈性噬菌体,烈性噬菌体生活史,73,2 烈性噬菌体基因重组,烈

22、性噬菌体性状,74,2 烈性噬菌体基因重组,两个噬菌体可以通过感染同一宿主菌实现两者之间重组。,75,2 烈性噬菌体基因重组,形成噬菌斑,统计各种噬菌斑的数目（亲本、重组型）,计算重组率,同时感染1种细菌,76,2 烈性噬菌体基因重组,77,3 温和噬菌体与溶原性细菌,温和噬菌体两种增殖周期：溶菌周期和溶原周期,1,2,78,3 温和噬菌体和溶原性细菌,定义： 温和噬菌体：感染细菌后，并不使细菌出现出现溶菌现象的噬菌体。 溶原性：细菌本身带有噬菌体，但不立即导致溶菌的现象。 溶原性细菌：被温和噬菌体感染但并不发生溶菌现象的细菌。 原噬菌体：细胞内含有的无感染能力的的噬菌体。,79,3 温和噬菌体和溶原性细菌,溶原菌中原噬菌体的存在形式： 游离在细胞质中，增殖与细菌染色体不同步