普通遗传学细菌和病毒的遗传

第七章 细菌和病毒的遗传,本章要点,细菌和病毒在遗传研究中的优越性； 温和噬菌体、烈性噬菌体； 原噬菌体、溶原性细菌与溶原性生活周期。 F-菌株、F+菌株、Hfr菌株； F因子、F因子； 转化、接合、性导与转导的概念与基本原理；,酵母：三个字母表明基因功能，后面的数字表示基因座。 啤酒酵母 基因: GAL4，CD28 蛋白质: GAL4，CDC28 非洲粟酒酵母 基因: gal4，cdc2 蛋白质:Gal4，Cdc2,基因和基因产物的符号,细菌：用三个引文字母表示。 表型第一个字母大写，用正体； 基因型三个字母都小写，用斜体； 肩上的符号表示野生型、突变型、抗性或敏感性。 如：表型 野生型 Gal，突变型 Gal或 Gal 基因型 野生型 gal ，突变型 gal 或 gal 表型 AmpR AmpS 基因型 ampr amps,果蝇:以1-4个字母表示。 基因:white(w ),tailless( tll ),hedgehog( hh ); 蛋白:White, Tailless, Hedgehog 植物: 没有惯用法，大多数用1-3个小写字母表示。 Arabidopsis 基因用果蝇的方法命名但用大写字母，如 基因 AGAMOUS（AG），蛋白 AGAMOUS。,脊椎动物: 一般以1-4个小写字母表示其基因功能。 例如，基因sey, myc, 蛋白 Sey, Myc 人类: 方法如脊椎动物但需大写。 例如基因 MYC、SRY，蛋白MYC、ENO1。 基因产物的命名无统一的规定，现在一般都用正体，全部大写，或第一个字母大写，如Gal或GAL。,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,一、细菌的生物学特征,1、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。 2、结构：鞭毛、细胞壁、质膜、间体、核质体 （拟核）、核糖体 3、涂布和繁殖：每个细胞在较短时间内能裂殖107，称为肉眼可见的菌落。,图7-1 大肠杆菌,图7-2 细菌的细胞结构与涂布繁殖,一、细菌的生物学特征,4、其遗传物质DNA主要以单个主染色体的形式存在。这种DNA与真核生物的DNA不同，它不与组蛋白相结合，也不形成核小体的结构是一个封闭的大环。通常还有一个或多个小染色体(质粒)。 5、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),图7-3 霉菌菌落,5、菌落形态性状的突变包括：菌落的形状、颜色和大小等。 6、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。 7、抗性突变包括：抗药性或抗感染性。,二、病毒的生物学特征,1、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。 2、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(Bacterial 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。,图7-4 噬菌体,图7-5烟草花叶病毒腺病毒T4 噬菌体爱滋病病毒 RNADNA DAN RNA,图7-6 爱滋病病毒,三、细菌和病毒在遗传研究中的优越性,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。,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。 拟有性过程的存在是细菌、病毒作为真核生物的模型研究遗传重组和基因结构的重要前提。,五、细菌遗传的实验研究方法,1、细胞计数(培养物细胞浓度) 2、建立纯系的方法 3、选择培养法鉴定突变型与重组型 4、突变型与重组型的批量筛选方法,1、细胞计数(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。,图7-7 细胞计数(培养物细胞浓度),Results of the serial dilution technique and subsequent culture of bacteria,图7-8 细菌培养,2、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”。,图7-9 细菌培养,3、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。,4、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，效率太低。 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。,图7-10 影印培养法,图7-11 影印培养法,注意： (1)最初的培养基必须是非选择性的，即各种突变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。,第二节 噬菌体的遗传分析,一、烈性噬菌体 二、温和噬菌体 三、噬菌体(T2)的基因重组,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。末端是基盘，由尾丝及尾针组成。,图7-12,一、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。,图7-13 烈性噬菌体,T4噬菌体从 大肠杆菌中释放,图7-14 烈性噬菌体,图7-15 烈性噬菌体,图7-16 噬菌体的溶解性周期,二、温和噬菌体,温和噬菌体侵入细菌后，细菌并不裂解，即它们有溶原性的生活周期。例如和P1噬菌体可代表略有不同的溶原性类型。 噬菌体附着在大肠杆菌染色体的gal和bio位点之间的att座位上，它能通过交换而整合到细菌染色体上，整合的噬菌体称为原噬菌体(图)。,溶原性细菌是带有原噬菌体基因组的细菌。如乳酸菌溶原性具有完整的噬菌体基因组而不被裂解的细菌称为溶原性细菌。 用温和噬菌体感染细菌并使之成为溶原性细菌的过程称为“溶原化”,图7-17 噬菌体,图7-18,图7-19 噬菌体特定位点的整合,图7-20 噬菌体的溶原性（lysogenic)周期及溶解性(lytic)的转变,表7-1 几种病毒染色体的特点,1、噬菌体遗传学的建立与发展：,（1）1946年，Beadlr A. D. and Tatum宣布了“一基因一酶”学说； （2）Lederberg J. 细菌杂交实验报告； （3）Hershey A.D. and Luria S. 宣布发现了r，h突变体 （4）Delbruke M.D. and Hershey A.D. 各自发现噬菌体重组。,三、噬菌体(T2)的基因重组与遗传作图,2、噬菌体的突变： 噬菌斑的形态 宿主范围 （1）噬菌斑突变：T噬菌体的r-突变体（速溶） 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 （2）宿主范围突变： T2噬菌体的h-突变体 正常噬菌体，h+，只能以EcoliB株(Ttor)为宿主 突变噬菌体，h-，能以EcoliB株和B/2株(Ttos)为宿主,3、T2噬菌体的基因重组,将两种不同的T2突变体进行杂交，对其杂交子代进行重组分析。 杂交方法： 将Ttor和Ttos两种大肠杆菌细胞混合； 同时接种高浓度的T2噬菌体的h-r+和h+r-两种突变体，保证绝大多数细菌都被一个以上噬菌体感染； 两种不同的噬菌体DNA可能在宿主细胞内进行重组，从而产生非亲本型子代h+r+和h-r-。 亲本型 重组型,图7-21,图7-22,T2噬菌体的基因重组,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- 混浊，大 透明，小 混浊，小 透明，大,图7-23 h+r-h-r+培养所产生的四种噬菌斑,图7-24 噬菌斑,4、T2的环形遗传图,Hershey根据h+r-h-r+的杂交结果推测T2的染色体是线性的。 多个T2噬菌体的杂交结果显示：ra、rb、rc有4种不同的排列形式。,rxh+ r+h出现的4 种噬菌斑的数目和求得的重组值 （rx代表不同的r 基因）,不同的快速溶菌突变型在表型上不同，记作ra, rb, rc。将这几种快速溶菌突变型(rx h+)与宿主范围突变型(r+ h) 杂交，结果如下表：,去掉%的重组值可作为基因间的图距，用来作基因连锁图。,图7-25 噬菌体T2 的环状基因连锁图,三个r 基因与h 基因的连锁图,4 种不同的基因顺序,rc- rb+ rc+ rb-,第三节 细菌的染色体作图,一、转化（transformation） 二、接合（conjugation） 三、性导（transduction） 四、转导（sexduction)）,一个细菌细胞的DNA与另一个细菌细胞的DNA的交换重组可以通过4种方式进行,一、转化,转化(transformation)：指某些细菌(或其它生物)能通过其细胞膜摄取周围介质中的DNA片段，并将此外源DNA片段整合到自己染色体组中的过程。 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：,（一）转化过程,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。 一般认为感受态出现在细菌对数生长后期，并且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。,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； 结合过程是一个不可逆过程。,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。,4、联会(synapsis)与外源DNA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。,自然转化（natural transformation） 在自然转化中细菌可以自由地吸收DNA，通过它来进行遗传转化。枯草杆菌中的转化属于自然转化。 工程转化（engineered transformation） 在这种转化中，细菌发生改变使得它们能摄入并转化外源DNA。E.coli 转化就属于工程转化。,本实验采用质粒pUC18转化大肠杆菌DH-5a，通过氨苄青霉素抗性筛选转化子。,我们通过一个重要的分子生物学实验来介绍细菌工程转化的过程：,（一）实验材料 大肠杆菌DH-5a 质粒pUC18（ampicillin，AmpR）（二）培养基和试剂 1. LB液体培养基(%) 2. LB固体培养基 3. 抗生素：氨苄青霉素配制成100mg/ml备用。 4. 0.1mol/L CaCl2溶液,实验材料和试剂：,（三）器材 接种针 10ml移液管 50ml塑料离心管 5ml移液管 90mm培养皿 1ml移液管 1.5ml Eppendorf管 200ml吸头 三角瓶15150试管 冰块 试管铝帽 封膜 纱布盖 线绳 硫酸纸 （四）仪器 净化工作台 摇床机 恒温水浴锅 离心机 培养箱,（二）细菌的转化 1.取大肠杆菌DH-5a新鲜感受态细胞100ml于1.5mlEppendorf管中，加入50100ng质粒pUC18DNA，轻轻旋转以混合内容物，在冰浴中放置30min。 2.42热休克120s，不要摇动Eppendorf管。 3.加入LB液体培养基900ml，37保温60min。 4.取100ml转化液涂布在含氨苄青霉素（Amp）100mg/ml的LB固体平板上，37倒置培养1624h。 5观察平板，长出的菌落可能就是转化子，可进一步提取质粒鉴定。,实验步骤： （以下均需无菌操作 ） （一）感受态细胞的制备,*(二)、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。,共转化 供体一条DNA片段上的两个基因同时转化的现象称为共转化。 应用： 两个基因同时转化的效率（连锁或不连锁） 基因定位（遗传作图）（枯草杆菌） 转化实验：trp2+his2+tyr1+ 转化 trp2- his2- tyr1-,trp2+ his2+ tyr1+转化trp2- his2- tyr1- 实验,3660,二、接合：,(一) 接合现象的发现和证实 (二) F因子及其在杂交中的行为 (三) 中断杂交试验作图,(一) 接合现象的发现和证实,1、Lederberg和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(+)。,图7-30,2、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。,回复突变可能的排除,Lederberg和Tatum采用的是双营养缺陷型菌株，已基本排除A或B品系发生回复突变产生原养型细菌的可能。 理论分析： 单基因回复突变的频率约为10-6； 双基因回复突变的频率则为10-12，频率很低； 但试验中产生原养型菌落产生的频率非常高，因此基本可以排除回复突变的可能。 对照实验： 单独接种，未产生原养型菌落。,互养作用及其排除,试验材料： A品系：A-B+ T1S(met-bio-thr+leu+T1S) B品系：A+B- T1R(met+bio+thr-leu-T1R) 试验方法： 将A、B品系混合接种在基本培养基表面； 短时间后喷T1杀死A品系，使其不能持续产生；thr、leu供B品系生长 结果与结论： 仍然出现原养型菌落 互养并非前述原养型菌落出现的原因，而可能发生了遗传重组,转化作用及其排除,Lederbery和Tatum曾把品系A的培养液经过滤后，加入到B品系的培养物中，未得到原养型菌落；表明原养型菌落可能不是由转化作用产生 戴维斯(Dawis, 1950)的U型管试验 结果：没有得到原养型细菌 结论：细胞直接接触是原养型细菌产生的必要条件,图7-31,异核体和杂合二倍体的可能性,出现原养型菌落的另一种可能是： 细胞融合产生异核体或双杂合二倍体，类似二倍体生物的杂合体可产生原养型菌落； 异核体指由于细胞融合而在细胞内含有遗传组成不同的两个或多个细胞核； 双杂合二倍体则是异核体进一步发生核融合，形成二倍体细胞核，核内含有两种遗传物质。 但细菌为单倍配子体生物，异核体和二倍体只能暂时存在，继续培养将发生分离； 对试验中得到的原养型菌落后代研究表明： 后代没有出现预期的性状分离现象。,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。,细菌的同宗配合(homothallic)与 异宗配合(heterothallic),-认为细菌接合是一个彼此交换遗传物质的过程，即细菌同宗配合。,3、W.Hayes的实验（1952）,链霉素处理A菌 完全培养基培养一段时间 洗涤离心 B菌 重组体未减少 基本培养基 链霉素处理B菌 完全培养基培养一段时间 洗涤离心 A菌 无重组体产生 基本培养基 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。,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（异宗配合）； 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受体与供体。,接合(conjugation)： 遗传物质从供体(donor) (“雄性”)转移到受体(receptor) (“雌性”)的重组过程。,图7-32 细菌的接合,(二) F因子及其在杂交中的行为,1、F因子(细菌染色体外的一个决定细菌雄性性别的共价环状DNA质粒) ： 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。,A(strs) ,冰箱放置一年,B(strs) A(strs) “”,不育 A(strr) “” A(strs) ,诱变,B(strs) A(strr) ,可育,F因子的发现：,F因子实际上是一种微小的质粒，一种封闭的环状DNA，全长约94.5kb。F因子结构包含3个区域： 复制起点或原点（O）：oriT和oriV 致育基因区：这些基因使它具有感染性，其中一些基因编码生成F纤毛的蛋白质。 配对区：这一区域有4个插入序列（insertion sequence,IS），通过和宿主染色体上的IS同源重组或转座，F因子可以整合到宿主的不同位点。,图7-33 F因子的结构,图7-34 F因子与细菌结构、生理差异,F因子可以在细菌细胞间进行转移并传递遗传物质。 没有F因子的细菌称为F，F细菌经吖啶橙处理而丢失，成为F。F因子一经丢失， 细胞中便不再出现； F可以和F杂交，而不能和F杂交； FF的杂交后代皆为F，而且可以107频率获得重组体后代。,F因子的存在状态,以大肠杆菌为例，F因子能够以自主状态存在于细胞质中或整合到细菌的染色体上，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 (high frequency recombination) (如图)。,图7-35 F因子的存在状态,图7-36 F因子的存在状态,Hfr与F+的异同：,相同点： 1、和F-杂交产生重组后代； 2、杂交是通过接合管和受体菌相连； 3、用高剂量链霉素处理不影响杂交。,不同点： 1、产生重组子的频率不同； 2、 F+ F-的后代常为F+，而Hfr F-后代皆为F-； 3、经吖啶橙处理后，F+会变成F-，Hfr仍为Hfr。,图7-36 F因子的存在方式,图7-37 自主状态时F因子独立进行分裂,2、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，F+DNA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)。,图7-38 F因子的杂交,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F DNA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。,103,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DNA。这样的细菌称为部分二倍体或部分合子。部分供体染色体的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),图7-39 F因子的遗传重组,(三) 用中断杂交试验作染色体连锁图,Jacob,F等人在1961年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-菌株混合在一起进行杂交培养。 Hfr菌株的基因型是：thr+ leu+ strs azir tonAr lac+ gal+ F- 菌株的基因型是： thr- leu- strr azis tonAs lac- gal- 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。,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)。,？,图7-40 中断杂交试验作图,*(三)、中断杂交试验作图,图7-41,上图表示利用这个方法所获得的结果， thr+ 最先进入F-细胞，结合8min后出现重组体，leu+随后0.5min出现；混合9min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-细胞中。混合11min后，才开始出现抗噬菌体T1的F-细菌。混合18min和24min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。,根据中断杂交实验作出的大肠杆菌直线连锁图,0,l l l l l,8.5 9 11 18 25,azi ton lac gal F,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，因而形成了不同的转移原点和转移方向。,表7-2 不同Hfr菌株的基因转移顺序,HfrH thrprolacpurgalhisglythi Hfr1pro lacpurgalhisglythithr Hfr2 lacpurgalhisglythithrpro Hfr3 galhisglythithrprolacpur,thr,pro,lac,pur,gal,his,gly,thl,1,图7-42 大肠杆菌染色体作图,这种方法是根据两个基因作为重组子在受体菌中出现，以时间分钟作为两个基因间图距单位的。 大肠杆菌大片段染色体的遗传学图就是用这种方法，以随意的起始点用时间分钟为单位完成的。,如果两个基因间的转移时间小于2min，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。,(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lac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。,图7-43,图7-44,两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1min，可见1个时间单位(min)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。,图7-45 大肠杆菌K12的环状遗传图,三、性导与F因子,1、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。 2、 F因子的产生： 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因，这种F因子称为F因子(图)。,图7-46,图7-47 F（ lac+）,3、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。 解释：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，即Flac+/lac-，它的表现型是lac+。 部分二倍体Flac+/lac-不稳定： 如果发生单交换，就会导致F因子整合到受体染色体上而形成Hfr品系； 如果发生双交换，则只是F 因子的细菌基因和受体染色体上的等位基因之间发生互换。 如果这种部分二倍体不发生重组，那么F 因子自主复制，在细菌细胞中可延续下去。,4、F 和F因子不同 ：,F 品系转变成Hfr品系的频率要高于F+； F 变成Hfr时，F因子整合到相同位点上，而F+变成Hfr时刻整合到不同位点； F F-高频传递特定基因，形成部分二倍体；而F+F-要么产生F+但不转移任何基因，要么以10-7将宿主的基因按顺序转入受体，但受体仍为F-，所转移的基因是不同的。,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。,5、性导的遗传学应用:,性导所形成的部分二倍体可用作不同突变型之间的互补测验，以确定这两个突变是属于同一个基因或者是两个不同的基因。,例如在精氨酸合成中，包括有12个不同的基因(argA、argB、argC等)，它们的突变都会产生相同的表型其生长依赖精氨酸，其中有4个基因在大肠杆菌的遗传学图谱中靠得很近，很难通过重组将它们分开。,图7-48,图7-49,相反，如果这两个突变株是由同一基因突变引起的， 结果会是怎样的呢？,？,如果我们将含有性因子的细菌称为雄株，那么我们已经知道了三种不同的雄株，有哪三种？致育因子在三种雄株间是如何转换的？它们与F-菌株杂交结果会怎样？,？,四、转导,转导是指以温和噬菌体为媒介所进行的细菌遗传物质的重组过程。 黎德伯格等1956年在伤寒沙门氏菌中发现了转导现象。他们用一个不能合成苯丙氨酸、色氨酸和酪氨酸的营养缺陷型和另一个不能合成甲硫氨酸和组氨酸的营养缺陷型杂交，结果在基本培养基上出现原养型菌落。,一）转导的发现,LA22 LA2 phe- trp- tryr- met+his+ phe+trp+met-his- 基本培养基培养 是否形成原养型的菌落： 否 是 否,单独培养,单独培养,混合培养,黎德伯格将上述两种菌株分别放在戴维斯U型管的两臂内，中间用玻璃滤板隔开，以防止细胞接触，但可以允许比细菌小的物质通过，结果也获得了野生型重组体。这样确定，这种野生型重组体是通过一种过滤性因子实现的。以后的研究工作表明，这种过滤性因子是噬菌体P22。P22的遗传信息可以整合到宿主的染色体中。,二）普遍性转导,噬菌体P22可以转导沙门氏菌染色体组的任何不同的部分，因此称为普遍性转导。 普遍性转导(generalized transduction)，指通过噬菌体可以转移细菌染色体上的任何基因，如P22，P1。,P22侵染细菌后，细菌染色体断裂成片段，在形成噬菌体颗粒时，偶尔错误地把细菌染色体片段包装在噬菌体蛋白质外壳内，其中并不包含有噬菌体的遗传物质，这种假噬菌体称为转导颗粒。 由于决定噬菌体感染细菌的能力是噬菌体的外壳蛋白质，所以转导颗粒可以吸附到细菌上，并将它的内含物注入受体细菌后，形成部分二倍体，导入的基因经过重组，整合到宿主的染色体上。,图7-50 普遍性转导的机制,转导子：是指那些通过转导作用能表达外基因子的受体细胞。,转导频率 =,转导子数,侵染受体的P1颗粒数,=,转导子数,噬菌斑数+转导子数,利用普遍性转导制作细菌遗传学图，仅需要温和噬菌体和携带不同遗传标记的细菌菌株，采用两点或三点转导实验。 一个典型的转导实验是首先筛选出含一个供体标记的转导子（transductant），然后再分析其它供体标记的存在与否。,利用普遍性转导制作细菌遗传学图,例如从一个a+b+供体到一个ab受体的转导会产生下列不同类型的转导子，如a+b，ab+，a+b+，如果筛选到其中一个作为供体标记，我们就能够获得这两个基因之间的连锁资料。 如果选择a+转导子作供体标记，则a-b间的重组率为： 如果选择b+转导子作供体标记，则a-b间的重组率为： 。,R Fab =,单个转导子数,总转导子数,即：,一个以上的基因同时被转导的现象称为共转导。 共转导也可以用来作图：两个共转导基因之间的距离可以通过转导来确定，建立精细的结构图。 中断杂交实验方法复杂，且结果不精确；重组作图构建交互突变的品系也很不容易，而采用共转导的方法既简单又精确。,共转导（contransduction）：,例如：如何让利用大肠杆菌P1噬菌体转导产生的部分二倍体来确定基因间的图距和制作细菌染色体连锁图。,供体 thr+ leu+ azir 受体 thr- leu- azis,P1噬菌体转导E. coli用于推断基因顺序的实验数据,以leu+为选择标记时，同时有50%的azir和2%thr+被转导，这表明leu靠azi较近，而离thr较远，所以排列顺序可能是下列二者之一： thr -azi-leu thr -leu -azi 再考虑以thr+选择标记的情况，正确的基因顺序应该是？,分析：,三）特异性转导（局限性转导）,1、定义：通过部分缺陷的温和噬菌体把供体菌的少数特定基因携带到受体菌中，并获得表达的转导现象。 2、特点： 噬菌体对供体菌和受体菌都是温和噬菌体； 只能转导供体菌的个别特定基因（一般为噬菌体整合位点两侧的基因）； 该特定基因由部分缺陷的噬菌体携带；,3、缺陷噬菌体的形成：,缺陷噬菌体是由于其在形成过程中所发生的低频率（约10 5）“误切”，或由于双重溶原菌的裂解而形成（约形成50%缺陷噬菌体）。 温和噬菌体感染受体菌后，其DNA会开环，以线状形式整合到宿主染色体的特定位点（附着位点attachment）上，从而使宿主细胞发生溶原化。,该溶原菌被诱导裂解时，有极少数（ 10 5）的原噬菌体（prophage）发生不正常切离（abnormal excesion），其结果会将插入位点两侧之一的少数宿主基因连接到噬菌体DNA上（而噬菌体也将相应的一段DNA遗留在宿主的染色体组上），通过衣壳的“误包”，就形成了一种特殊的噬菌体缺陷噬菌体（defective phage）。,如: 噬菌体和E. coli 之间有一个同源的特定位点（附着位点），简写为att（attB、attP），att的两侧分别为发酵半乳糖的gal基因或合成生物素的bio基因； 正常的染色体可通过att位点整合到E. coli的染色体中，呈原噬菌体状态，进入溶原周期； 染色体的切离：正常切离和非正常切离（ dgal-缺陷噬菌体）；,图7-51 缺陷噬菌体的形成,由于dgal常缺失尾部基因J，多不能复制， dgal侵染gal-菌株时，菌株经诱导使细胞裂解后，在释放出的106个噬菌体中只有1个gal+转导噬菌体感染受体； 因此，转导的频率较低(小于106)，故称为低频转导(low-frequency transduction, LFT)。,4、低频转导：,d gal侵染gal-菌株时可以通过两种不同的途径进行转导： 一种是通过整合形成部分二倍体，但这种转导子可因的切离、丢失而又回复成gal-品系，因而不稳定。 另一种途径是通过携带的gal+和受体的基因gal- 进行同源配对，经双交换，产生重组的转导子，这种转导子较为稳定。,图7-52 噬菌体的LFT,5、高频转导 ：,当带有gal+的d gal感染E. coli gal-()时，通过d gal和已整合的正常的之间通过单交换进行同源重组可形成双重溶原(double lysoge)细菌。 和d gal都同步大量复制，直至细胞裂解释放出来，释放出来的d gal可感染E. coli gal-受体，从而进行转导。 由于一个细胞能释放出比LFT多得多的d gal，转导频率较高，故称为高频转导(high-frequency transduction，HFT)。,图7-53 噬菌体的HFT,普遍性转导和局限性转导的比较,细菌遗传分析中的基因转移：,本章小结,图 7-54 转化,图7-55 接合,7-56 性导,转导,