细菌和病毒的遗传培训课件

细菌属于原核生物，不进行典型的有丝分裂和减数分裂，因此，其染色体传递和重组方式与真核生物不尽相同。病毒甚至不进行分裂，它在宿主细胞内以集团形式产生。细菌和病毒的遗传分析对整个遗传学，特别是对于分子遗传学的发展具有重大作用。7/16/20241细菌和病毒的遗传第一节细菌和病毒的特点遗传学研究从细胞水平推进到分子水平，是由于两大发展：（1）对基因的化学和物理结构 的了解日益深入；（2）研究材料采用了新的生物 类型-细菌和病毒。7/16/20242细菌和病毒的遗传一、细菌的特点及培养技术所有细菌都是比较小的单细胞，大约12m长，0.5m宽大肠杆菌(E.coli)在细菌遗传学研究中应用十分广泛,其染色体为一条环状的裸露DNA分子。其细胞里通常还具有一个或多个小的染色体-质粒。7/16/20243细菌和病毒的遗传图10-2大肠杆菌拟核的电子显微镜图，显示释放出的染色体DNA及数个质粒DNA7/16/20244细菌和病毒的遗传研究细菌遗传的方法研究细菌遗传的方法-平板培养平板培养7/16/20245细菌和病毒的遗传细菌菌落的表现型：原养型（野生型）形态性状：菌落形状、突变型颜色、大小生理特性营养缺陷型抗性-抗药或抗感染 为了测定所发生的突变，Lederberg设计了影印培养法7/16/20246细菌和病毒的遗传细菌的影印培养法细菌的影印培养法7/16/20247细菌和病毒的遗传二、病毒的特点及种类病毒没有细胞结构，既不属于原核生物，也不属于真核生物。病毒结构十分简单，仅含DNA或RNA和一个蛋白质外壳，没有合成蛋白质外壳所必须的核糖体。所以，病毒必须感染活细胞，改变和利用活细胞的代谢合成机器，才能合成新的病毒后代。7/16/20248细菌和病毒的遗传二、病毒的特点及种类噬菌体：感染细菌的病毒叫噬菌体。噬菌体是目前了解比较清楚的病毒，有：单链DNA;单链RNA;双链DNA;双链RNA等四种类型。7/16/20249细菌和病毒的遗传三、细菌和病毒在遗传研究中的优越性(1)世代周期短。大肠杆菌每20分钟可繁殖 一代，病毒每小时可繁殖数百个后代；(2)易于管理和进行化学分析；(3)遗传物质简单，便于研究基因的结构和 功能；(4)便于研究基因的突变和重组；(5)可用作研究高等生物的简单模型；(6)便于进行遗传操作。7/16/202410细菌和病毒的遗传四、细菌和病毒的拟有性过程细菌获取外源遗传物质的四种方式转化(transformation)接合(conjugation)性导(sexduction)转导(transduction)当不同的病毒颗粒同时侵染一个细菌时，它们能够在细菌体内交换遗传物质，并形成重组体。7/16/202411细菌和病毒的遗传第二节第二节 噬菌体的遗传分析噬菌体的遗传分析 一、噬菌体的结构一、噬菌体的结构 遗传学上应用最广泛的是大肠杆菌的遗传学上应用最广泛的是大肠杆菌的T T噬菌体系列噬菌体系列(T T1 1到到T T7 7)。其结构大同小异，。其结构大同小异，呈蝌蚪状。呈蝌蚪状。T T系列噬菌体结构如下：系列噬菌体结构如下：7/16/202412细菌和病毒的遗传1、烈性噬菌体7/16/202413细菌和病毒的遗传2、温和性噬菌体温和性噬菌体具有溶源性的生活周期，即在噬菌体侵入后，细菌并不裂解，以两种形式出现，如和P17/16/202414细菌和病毒的遗传二、噬菌体的基因重组与作图 噬菌斑形态 正常r+:小、边缘模糊噬菌体 突变r-:大、边缘清楚性状 宿主范围：感染和裂 正常h+:B株 解的菌株 突变h-:B株 不同：或B/2株7/16/202415细菌和病毒的遗传二、噬菌体的基因重组与作图 由于h和h+均能感染B株，用T2的两亲本hr+和h+r同时感染B株，称为双重感染。7/16/202416细菌和病毒的遗传 透明、小 h-r+h+r-半透明、大 BB株株 h-r+h+r-h-r-h+r+接种在同时长有B株及B/2株的培养基上 亲型噬菌斑 h-r+：透明、小 h+r-：半透明、大重组型噬菌斑 h-r-：透明、大 h+r+：半透明、小7/16/202417细菌和病毒的遗传 重组型噬菌斑 重组值=100%总噬菌斑 h+r+h-r-=100%h h-r r+h+h+r r-+h+h-r r-+h+h+r r+rah+ra+h 24%rbh+rb+h 12.3%rch+rc+h 1.6%7/16/202418细菌和病毒的遗传分别作出ra、rb、rc与h的连锁图 ra 24 h rb 12.3 h rc1.6 h ra rb rc h ra rb h rc ra rc h rb ra h rc rb 7/16/202419细菌和病毒的遗传为了确定基因排列顺序，可先只考虑rb、rc及h来确定是rchrb还是hrcrb。为此作：rb+rc-rb-rc+重组值约14%可知h应位于rb及rc之间，又因为T2噬菌体的连锁图是环状的 7/16/202420细菌和病毒的遗传三、噬菌体的基因重组与作图sco1mi+相当于前面介绍的三点测验 （自学）7/16/202421细菌和病毒的遗传第三节细菌的遗传分析一个细菌DNA与另一个细菌DNA的交换重组可以通过四种方式实现 转化、接合、性导、转导一、转化 转化：某些细菌(或其他生物)通过其细胞膜摄取周围供体的染色体片段，并将此外源DNA片段通过重组整合到自己染色体组的过程.7/16/202422细菌和病毒的遗传转化首先是Griffith(1928)在肺炎双球菌中发现的:杀死S片段 R S Avery(1944)等研究证实，转化因子是DNA。这个极其重要的发现，不仅证实遗传物质是DNA，而且表明转化是细菌交换基因的方式之一。7/16/202423细菌和病毒的遗传(一)转化机制1、供体DNA与受体细胞间最初相互作用 影响因素包括：(1)转化片段大小:肺炎双球菌的成功转 化，转化DNA片段至少要有800bp，枯草杆菌最少需要16000bp。(2)转化片段形态:转化片段必须是双链(3)转化片段浓度：每个细胞摄取的DNA 分子数不超过10个。(4)受体细胞生理状态:感受态。7/16/202424细菌和病毒的遗传2、转化过程(1)(1)结合结合：供体：供体DNADNA与受体位点的结合，与受体位点的结合，供体供体DNADNA由双链向单链的转变；由双链向单链的转变；(2)(2)穿入穿入：单链供体：单链供体DNADNA的穿入；的穿入；(3)(3)联会联会：单链供体：单链供体DNADNA与受体染色体之与受体染色体之间的联会；间的联会；(4)(4)整合整合：整合或整合或DNADNA重组对同源重组对同源DNADNA具具 有特异性。有特异性。7/16/202425细菌和病毒的遗传7/16/202426细菌和病毒的遗传(二)转化和基因重组作图 当两个基因紧密连锁时，它们就有较多的机会包括在同一个DNA片段中，并同时整合到受体染色体中。因此，紧密连锁的基因可以通过转化进行作图。如：7/16/202427细菌和病毒的遗传(二)转化和基因重组作图 供体 受体 trp2+his2+tyr1+trp2 his2 tyr1 重组型数Trp2-his2重组率=100%亲型数+重组型数7/16/202428细菌和病毒的遗传Trp2-his2 0.34 Trp2-tyr1 0.40 His2-tyr1 0.13 trp2 his2 tyr1 3413 40 7/16/202429细菌和病毒的遗传二、接合 接合：在原核生物中，是指遗传物质从供体-“雄性”转移到受体-“雌性”的过程1946年，Lederberg和Tatum发现E.coli细胞之间通过接合可以交换遗传物质。他们选择了两个不同营养缺陷型的E.coli菌株：7/16/202430细菌和病毒的遗传图图 10-12 10-12 黎德伯格和泰特姆的杂交试验，黎德伯格和泰特姆的杂交试验，证明大肠杆菌发生遗传重组证明大肠杆菌发生遗传重组 +-7/16/202431细菌和病毒的遗传发现长出了一些原养型的菌落。这种原养型细胞的出现是由于转化还是由于细胞与细胞直接接触而发生的遗传物质交换和重组？为了解答这个问题，Davis(1950)设计了U型管实验细菌不能透过，细菌不能透过，但大分子但大分子（DNA）可以）可以7/16/202432细菌和病毒的遗传在任何一臂内都没有出现原养型细菌。这说明两个菌株间的直接接触-接合，是原养型细胞出现的必要条件。Hayes（1952)试验证明，在接合过程中遗传物质的交换是一种单向的转移：供体（雄性）受体（雌性）7/16/202433细菌和病毒的遗传1、F因子Hayes和Cavalli-Sforza（1953)发现，供体有一个性因子即致育因子-F因子，由DNA组成，是染色体外的遗传物质。其组成结构：7/16/202434细菌和病毒的遗传E.coliF因子存在状态有三种类型：没有F因子，即“F”自主状态的F因子，即“F+”整合的F因子，即“Hfr”7/16/202435细菌和病毒的遗传2 2、接合过程、接合过程F F+FF-F F+F F+F F-F F+F因子偶然地(10000个F+细胞中有一个)能整合到细菌染色体中去，就可能引起染色体的转移57/16/202436细菌和病毒的遗传图图 10 1016 16 两个两个E.ColiE.Coli 细胞杂交的电子显微镜照片细胞杂交的电子显微镜照片(X(X 34,300)34,300)性伞毛性伞毛/接合管接合管 7/16/202437细菌和病毒的遗传 HfrF HfrF-Hfr Hfr Hfr Hfr F F-F F-接合开始，F因子仅有一部分进入F细胞，剩下部分基因只有等到细菌染色体全部进入到F细胞之后才能进入，然而转移过程常常中断 57/16/202438细菌和病毒的遗传受体细胞常常只接受部分的供体染色体，这些染色体称为供体外基因子，而受体的完整染色体则称为受体内基因子，这样的细菌称为部分二倍体或部分合子、半合子发生单交换时：发生单交换时：发生双交换时：发生双交换时：7/16/202439细菌和病毒的遗传第三节第三节 细菌的遗传分析细菌的遗传分析一、转化一、转化二、接合二、接合 F因子因子（F-、F+、Hfr）供体供体 受体受体第一节第一节 细菌和病毒的特点细菌和病毒的特点第二节第二节 噬菌体的遗传分析噬菌体的遗传分析7/16/202440细菌和病毒的遗传3、中断杂交试验及染色体作图 为了证明接合时遗传物质从供体到受体细胞的转移是直线式进行的，1957年Wollman和Jacob设计了一个著名的中断杂交试验：7/16/202441细菌和病毒的遗传Hfr:thrHfr:thr+leuleu+laclac+galgal+aziazis stontons sstrstrs sF-:thr:thr-leuleu-laclac-galgal-aziaziR RtontonR RstrstrR R 每隔一定时间取样，放在食物搅拌器内搅拌每隔一定时间取样，放在食物搅拌器内搅拌 培养在含培养在含strstr的完全培养基上，的完全培养基上，HfrHfr被杀死被杀死 用影印培养法测试形成的用影印培养法测试形成的F-菌落的基因型，菌落的基因型，确定每个基因转入确定每个基因转入F-的顺序（时间）的顺序（时间）根据基因转入根据基因转入F-的时间，进行细菌染色体作图的时间，进行细菌染色体作图 7/16/202442细菌和病毒的遗传图图101019 19 中断杂交后，重组体中中断杂交后，重组体中HfrHfr遗传性状出现的频率遗传性状出现的频率 7/16/202443细菌和病毒的遗传图图 10-20 10-20 沃尔曼和雅沃尔曼和雅各布的中断各布的中断杂交试验杂交试验表示表示HfrHfr菌菌株的基因是株的基因是以直线方式以直线方式进入进入FF细细胞的胞的 7/16/202444细菌和病毒的遗传thrleuazitonlacgaFO88.59111825min根据中断杂交实验作出的大肠杆菌连锁图用不同的Hfr菌株进行中断杂交实验，基因转移的原点(O)和转移的方向不同，说明F因子和细菌染色体都是环状的。7/16/202445细菌和病毒的遗传HfrHfr的的类型类型基基 因因 转转 移移 顺顺 序序HfrH123AB3120 thr pro lac pur gal his gly thi0 thr thi gly his gal pur lac pro0 pro thr thi gly his gal pur lac0 pur lac pro thr thi gly his gal0 thi thr pro lac pur gal his gly 表表 10 106 6 用中断杂交法确定的几个用中断杂交法确定的几个HfrHfr菌株的基因顺序菌株的基因顺序7/16/202446细菌和病毒的遗传如果两个基因间的转移时间如果两个基因间的转移时间小于小于2 2 minmin，用中断杂交法所得的图距不太可靠，应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。采用传统的重组作图法。laclac+adeade+基本培养基基本培养基 lac lac+adeade 完全培养基完全培养基-adelaclacadeade lac lac-adeade+7/16/202447细菌和病毒的遗传 laclac-adeade+重组频率重组频率=100%=22%100%=22%lac lac+adeade+lac+lac-adeade+这两个位点间的时间单位约为这两个位点间的时间单位约为1min 20%1min 20%重组率重组率 7/16/202448细菌和病毒的遗传 图图10-24 10-24 大肠杆菌大肠杆菌的环状连的环状连锁图。图锁图。图距用距用minmin表示，总表示，总长为长为100 100 minmin 7/16/202449细菌和病毒的遗传第三节第三节 细菌的遗传分析细菌的遗传分析一、转化一、转化二、接合二、接合三、性导三、性导 第一节第一节 细菌和病毒的特点细菌和病毒的特点第二节第二节 噬菌体的遗传分析噬菌体的遗传分析7/16/202450细菌和病毒的遗传三、性导 性导：指接合时由F因子所携带的外源DNA转移到细菌染色体的过程。F因子整合到宿主细菌染色体的过程是可逆的，当发生环出时偶然不够准确，携带有染色体的一些基因，称这种F因子为F因子。7/16/202451细菌和病毒的遗传性导产生的F因子 7/16/202452细菌和病毒的遗传 F因子特点（1）以极高的比率转移它的基因；（2）有极高的自然整合率，而且整合在 一定的座位上，因为它有与细菌染 色体的同源区段；性导作用（1）确定等位基因的显隐性关系；（2）利用并发性导进行细菌染色体作图（3）性导形成的部分二倍体也可用作互 补测验，确定两个突变型是同属于 一个基因还是不同基因。7/16/202453细菌和病毒的遗传四、转导 转导：指以噬菌体为媒介所进行的细菌遗传物质重组的过程。1、普遍性转导 转导噬菌体可以转移细菌染色体组的任何不同部分的转导。7/16/202454细菌和病毒的遗传Zinder和Lederberg（1952)首先在鼠伤寒沙门氏菌中发现转导现象 phetrptyr methis 在基本培养基上发现原养型的菌落 可能性:(1)接合 (2)转化 (3)？7/16/202455细菌和病毒的遗传 U型管试验 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 防止细胞直接接触，但允许比细菌小 的物质通过，获得了野生型重组体，说明不是接合 这种重组是通过一种过滤性因子(FA)而实现的。FA不受DNA酶的影响，说明 不是转化 进一步研究证明，FA是一种噬菌体，称为P22（用抗P22血清处理后失活）7/16/202456细菌和病毒的遗传转导颗粒7/16/202457细菌和病毒的遗传两个基因同在一起转导就是合转导 或叫并发转导合转导的频率愈高，表明两个基因 在染色体上的距离愈近，连锁愈密 切；相反，如果两个基因的合转导 频率很低，就说明它们之间距离较 远因此，测定两基因的合转导频率就 可以确定基因之间的次序和距离7/16/202458细菌和病毒的遗传（1）两因子转导：通过观察两个基因的转导，计算并比较每两个基因之间的合转导频率，就可以确定三个或三个以上基因在染色体上的排列顺序例如：a基因和b基因的合转导频率很高，a和c基因的合转导频率也很高，而b和c很少或完全不在一起转导，这三个基因的次序就应为：bac7/16/202459细菌和病毒的遗传（2）三因子转导：只需分析一个实验的结果就可以推出3个基因的次序例如：供体大肠杆菌具有基因型a+b+c+，受体的基因型为abc。最少的一类转导体应代表最难于转导的情况，这种转导体是同时发生交换次数最多的一类，这种转导体的两边应为供体基因，而中间为受体基因，如为a+bc+，则正确次序就应为abc。假定由实验得到的最少的转导体类别为a+b+c，则可以确定，这3个基因的正确次序应当是acb或bca。7/16/202460细菌和病毒的遗传图1027 转导颗粒与受体染色体之间，通过四交换形成转导体，这种转导体的频率最低 7/16/202461细菌和病毒的遗传利用并发转导进行细菌基因重组作图P P1 1侵染带侵染带leuleu+thrthr+aziaziR R E.coliE.coli 用用转转导导颗颗粒粒P P1 1再再侵侵染染带带leuleu-thrthr-aziazis s E.coliE.coli 将将受受体体细细菌菌特特定定培培养养：培培养养在在一一种种可可选选择择1-2个个标记基因而不选择其余标记基因的培养基上标记基因而不选择其余标记基因的培养基上 例如：例如：0 0azi+thrazi+thr培养基培养基，leuleu为标记基因为标记基因因为：只有因为：只有leuleu+才生长，才生长，leuleu-不生长不生长 thrthr可能为可能为thrthr+/thr/thr-azi azi可能为可能为aziaziR R/azi/aziS S 7/16/202462细菌和病毒的遗传表表10-7 10-7 用用P1P1噬噬菌菌体体普普遍遍性性转转导导测测定定大大肠杆菌基因间的连锁关系肠杆菌基因间的连锁关系 实验实验 选择的标记基因选择的标记基因 未选择的标记基因未选择的标记基因 1 1 leuleu+50%azi50%aziR R2%thr2%thr+2 thr2 thr+3%leu3%leu+0%azi0%aziR R 3 leu3 leu+thrthr+0%azi0%aziR R 7/16/202463细菌和病毒的遗传实验1 说明leu和azi相近 leu和thr则远 leu azi thr azi leu thr 或 实验2 说明leu比azi更接近thr azi leu thr 实验3 说明这个顺序是正确的，因为leu+thr+片段从未携带有aziR 这也说明了转导片段的大小。在 thr和leu之间的DNA长度已接近于 这个片段大小的极限 7/16/202464细菌和病毒的遗传如果把三个基因中每两个基因的合转导频率算出来，还可根据这一频率推算出三个基因之间的物理距离：d=L(1-3 X)d=同一染色体上两基因之间的物理距离 L=转导DNA的平均长度 X=两个基因合转导的频率 7/16/202465细菌和病毒的遗传2、特殊性转导特殊性转导或局限性转导：指一些温和性噬菌体只能转导细菌染色体基因组的某些基因。多数噬菌体当整合在细菌染色体中时都占有一个特定的位置；形成特殊性转导颗粒，这种颗粒能把细菌的基因由一个细胞转移到另一个细胞。7/16/202466细菌和病毒的遗传原噬菌体的环出与携带有大肠杆原噬菌体的环出与携带有大肠杆菌菌galgal位点位点的缺陷噬菌体的形成的缺陷噬菌体的形成 7/16/202467细菌和病毒的遗传特殊性转导特殊性转导7/16/202468细菌和病毒的遗传细菌染色体图细菌染色体图应用应用中断杂交技术、中断杂交技术、重组作图、转化和转重组作图、转化和转导导相结合的方法已经相结合的方法已经得到细菌的非常详细得到细菌的非常详细的染色体图。早在的染色体图。早在1963年对年对E.coli就已就已定位了近定位了近100个基因个基因(图图)，而截至，而截至1990年年定位的基因已超过定位的基因已超过1400个个。7/16/202469细菌和病毒的遗传应用中断杂交技术、重组作图、转化和转导相结合的方法已经得到细菌的非常详细的染色体图7/16/202470细菌和病毒的遗传本章重点本章重点转化、接合、性导、转导转化、接合、性导、转导转化与遗传作图转化与遗传作图中断杂交实验作图中断杂交实验作图普遍性转导和作图普遍性转导和作图7/16/202471细菌和病毒的遗传