局限性转导课件

第八章第八章 微生物遗传微生物遗传生命科学学院生命科学学院馬匯泉馬匯泉第八章 微生物遗传生命科学学院微生物是遗传学研究中的明星：微生物是遗传学研究中的明星：t 微生物细胞结构简单，营养体一般为单倍体，方便微生物细胞结构简单，营养体一般为单倍体，方便建立纯系。建立纯系。t 微生物都易于人工培养，快速、大量生长繁殖。微生物都易于人工培养，快速、大量生长繁殖。t 对环境因素的作用敏感，易于获得各类突变株，操对环境因素的作用敏感，易于获得各类突变株，操作性强。作性强。微生物是遗传学研究中的明星：微生物细胞结构简单，营养体一般第四节第四节 微生物的基因组微生物的基因组一、概念一、概念基因组（基因组（genome）：）：一个物种的单倍体的所有染色体及其所包含的遗传信息的总称一个物种的单倍体的所有染色体及其所包含的遗传信息的总称原核生物（如细菌），多为单倍体原核生物（如细菌），多为单倍体（在一般情况下只有一条染色体）（在一般情况下只有一条染色体）真核微生物，多条染色体，真核微生物，多条染色体，例如啤酒酵母有例如啤酒酵母有16条染色体。条染色体。有时为双倍体有时为双倍体第四节 微生物的基因组一、概念基因组（genome）：原第四节第四节 微生物的基因组微生物的基因组一、微生物基因组结构的特点一、微生物基因组结构的特点1、原核生物（细菌）的基因组、原核生物（细菌）的基因组1）染色体为）染色体为双链环状的双链环状的DNA分子（单倍体）；分子（单倍体）；双链环状的染色体在细胞中以紧密缠绕成的较致密的不规则小体形双链环状的染色体在细胞中以紧密缠绕成的较致密的不规则小体形式存在于细胞中，该小体称为拟核式存在于细胞中，该小体称为拟核(nucliod)，其上结合有类组蛋其上结合有类组蛋白蛋白质和少量白蛋白质和少量RNA分子，使其压缩成一种脚手架形的致密结构。分子，使其压缩成一种脚手架形的致密结构。例外：布氏疏螺旋体例外：布氏疏螺旋体(Borrelia burgdorferi)的染色体是线状的的染色体是线状的第四节 微生物的基因组一、微生物基因组结构的特点1、原核第二节第二节 微生物的基因组微生物的基因组一、微生物基因组结构的特点一、微生物基因组结构的特点1、原核生物（细菌）的基因组、原核生物（细菌）的基因组1）染色体为）染色体为双链环状的双链环状的DNA分子（单倍体）；分子（单倍体）；2）基因组上遗传信息具有连续性；）基因组上遗传信息具有连续性；基因数基本接近由它的基因组大小所估计的基因数基因数基本接近由它的基因组大小所估计的基因数参见表8-1（通常以1000bp1500bp为一个基因进行计算）微生物基因组微生物基因组DNA绝大部分用来编码蛋白质、绝大部分用来编码蛋白质、RNA；用作为复制用作为复制起点、启动子、终止子和一些由调节蛋白识别和结合的位点等信起点、启动子、终止子和一些由调节蛋白识别和结合的位点等信号序列。号序列。一般不含内含子，遗传信息是连续的而不是中断的。一般不含内含子，遗传信息是连续的而不是中断的。真核生物基因组的一个重要真核生物基因组的一个重要特点就是含有内含子特点就是含有内含子个别细菌个别细菌(鼠伤寒沙门氏菌和犬螺杆菌鼠伤寒沙门氏菌和犬螺杆菌)和古生菌的和古生菌的rRNA和和tRNA中也发现有内含子或间插序列中也发现有内含子或间插序列第二节 微生物的基因组一、微生物基因组结构的特点1、原核第四节第四节 微生物的基因组微生物的基因组一、微生物基因组结构的特点一、微生物基因组结构的特点1、原核生物（细菌）的基因组、原核生物（细菌）的基因组1）染色体为双链环状的）染色体为双链环状的DNA分子（单倍体）；分子（单倍体）；2）基因组上遗传信息具有连续性；）基因组上遗传信息具有连续性；3）功能相关的结构基因组成操纵子结构；）功能相关的结构基因组成操纵子结构；4）结构基因的单拷贝及）结构基因的单拷贝及rRNA基因的多拷贝；基因的多拷贝；5）基因组的重复序列少而短；）基因组的重复序列少而短；古生菌的基因组在结构上类似于细菌。但是信息传递系统(复制、转录和翻译)则与细菌不同而类似于真核生物。操纵子（操纵子（operon）：）：功能相关的几个基因前后相连，再加上一个共同的调节基因和一功能相关的几个基因前后相连，再加上一个共同的调节基因和一组共同的控制位点（启动子、操作子等）在基因转录时协同动作组共同的控制位点（启动子、操作子等）在基因转录时协同动作第四节 微生物的基因组一、微生物基因组结构的特点1、原核第四节第四节 微生物的基因组微生物的基因组一、微生物基因组结构的特点一、微生物基因组结构的特点2、真核微生物（啤酒酵母）的基因组、真核微生物（啤酒酵母）的基因组1）典型的真核染色体结构；）典型的真核染色体结构；2）没有明显的操纵子结构；）没有明显的操纵子结构；啤酒酵母基因组大小为啤酒酵母基因组大小为13.5106bp，分布在分布在16条染色体中。条染色体中。3）有间隔区（即非编码区）和内含子序列；）有间隔区（即非编码区）和内含子序列；4）重复序列多；）重复序列多；第四节 微生物的基因组一、微生物基因组结构的特点2、真核第五节第五节 细菌的质粒细菌的质粒质粒（质粒（plasmid）：）：一种独立于染色体外，能进行自主复制的细胞质遗传因子，一种独立于染色体外，能进行自主复制的细胞质遗传因子，主要存在于各种微生物细胞中。主要存在于各种微生物细胞中。质粒是细胞中除染色体以外的另外一类遗传因子质粒是细胞中除染色体以外的另外一类遗传因子第五节 细菌的质粒质粒（plasmid）：一种独立于染色体第五节第五节 细菌的质粒细菌的质粒一、质粒的分子结构一、质粒的分子结构1、结构、结构通常以共价闭合环状通常以共价闭合环状(covalently closed circle，简称简称CCC)的的超螺旋双链超螺旋双链DNA分子存在于细胞中；分子存在于细胞中；也发现有线型双链也发现有线型双链DNA质粒和质粒和RNA质粒；质粒；质粒分子的大小范围从质粒分子的大小范围从1kb左右到左右到1000kb；（细菌质粒多在（细菌质粒多在10kb以内）以内）第五节 细菌的质粒一、质粒的分子结构1、结构通常以共价闭合第五节第五节 细菌的质粒细菌的质粒一、质粒的主要类型一、质粒的主要类型在某些特殊条件下，质粒有时能赋予宿主细胞以特殊的机能，在某些特殊条件下，质粒有时能赋予宿主细胞以特殊的机能，从而使宿主得到生长优势。从而使宿主得到生长优势。质粒所含的基因对宿主细胞一般是非必需的；质粒所含的基因对宿主细胞一般是非必需的；第五节 细菌的质粒一、质粒的主要类型在某些特殊条件下，质粒第五节第五节 细菌的质粒细菌的质粒一、质粒的主要类型一、质粒的主要类型质粒所编码质粒所编码的功能和赋的功能和赋予宿主的表予宿主的表型效应型效应致育质粒致育质粒（Fertility factor，F因子）因子）抗性质粒抗性质粒（Resistance factor，R因子）因子）细菌素质粒细菌素质粒（Bacteriocin production plasmid）降解质粒降解质粒毒性质粒毒性质粒（virulence plasmid）共生质粒共生质粒代谢型质粒代谢型质粒（Metabolic plasmid）隐秘质粒隐秘质粒（cryptic plasmid）第五节 细菌的质粒一、质粒的主要类型质粒所编码致育质粒（F第五节第五节 细菌的质粒细菌的质粒一、质粒的主要类型一、质粒的主要类型1、致育质粒致育质粒(Fertility factor，F因因子子)又称又称F质粒，其大小约质粒，其大小约100kb，这是最早发现的一种与大肠杆菌这是最早发现的一种与大肠杆菌的有性生殖现象的有性生殖现象（接合作用）（接合作用）有关的质粒。有关的质粒。携带携带F质粒的菌株称为质粒的菌株称为F+菌株菌株（相当于雄性），无（相当于雄性），无F质粒的质粒的菌株称为菌株称为F-菌株（相当于雌性）。菌株（相当于雌性）。F因子能以游离状态因子能以游离状态(F+)和和以与染色体相结合的状态以与染色体相结合的状态(Hfr)存在于细胞中，所以存在于细胞中，所以又称之为附加体又称之为附加体(episome)。有关内容在讲细菌的接合作用有关内容在讲细菌的接合作用（conjugation）时具体介绍时具体介绍第五节 细菌的质粒一、质粒的主要类型1、致育质粒(Fert第五节第五节 细菌的质粒细菌的质粒一、质粒的主要类型一、质粒的主要类型2、抗性因子（抗性因子（Resistance factor，R因子）因子）包括抗药性和抗重金属二大类，简称包括抗药性和抗重金属二大类，简称R质粒。质粒。R100质粒质粒(89kb)可使宿主对可使宿主对下列药物及重金属具有抗性：下列药物及重金属具有抗性：汞（汞（mercuric ion，mer）四环素（四环素（tetracycline，tet）链霉素链霉素(Streptomycin,Str)、磺胺磺胺(Sulfonamide,Su)、氯霉素氯霉素(Chlorampenicol,Cm)夫西地酸（夫西地酸（fusidic acid，fus）并且负责这些抗性的基因是并且负责这些抗性的基因是成簇地存在于抗性质粒上。成簇地存在于抗性质粒上。抗性质粒在细菌间的传递是细菌抗性质粒在细菌间的传递是细菌产生抗药性的重要原因之一。产生抗药性的重要原因之一。第五节 细菌的质粒一、质粒的主要类型2、抗性因子（Resi第五节第五节 细菌的质粒细菌的质粒一、质粒的主要类型一、质粒的主要类型3、细菌素质粒（细菌素质粒（Bacteriocin production plasmid）细菌素结构基因、细菌素结构基因、涉及细菌素运输及发挥作用（涉及细菌素运输及发挥作用（processing）的蛋白质的基因、的蛋白质的基因、赋予宿主对该细菌素具有赋予宿主对该细菌素具有“免疫力免疫力”的相关产物的基因的相关产物的基因一般都位于质粒或转座子上，因此，细菌素可以杀死一般都位于质粒或转座子上，因此，细菌素可以杀死同种但不携带该质粒的菌株。同种但不携带该质粒的菌株。第五节 细菌的质粒一、质粒的主要类型3、细菌素质粒（Bac第五节第五节 细菌的质粒细菌的质粒一、质粒的主要类型一、质粒的主要类型3、细菌素质粒（细菌素质粒（Bacteriocin production plasmid）细菌素一般根据产生菌的种类进行命名：细菌素一般根据产生菌的种类进行命名：大肠杆菌（大肠杆菌（E.coli）产生的细菌素为产生的细菌素为colicins（大肠杆菌素），大肠杆菌素），而质粒被称为而质粒被称为Col质粒。质粒。由由G+细菌产生的细菌素或与细菌素类似的因子与细菌产生的细菌素或与细菌素类似的因子与colicins有所不有所不同，但通常也是由质粒基因编码，有些甚至有商业价值，例如同，但通常也是由质粒基因编码，有些甚至有商业价值，例如一种乳酸细菌产生的细菌素一种乳酸细菌产生的细菌素NisinA能强烈抑制某些能强烈抑制某些G+细菌的生细菌的生长，而被用于食品工业的保藏。长，而被用于食品工业的保藏。第五节 细菌的质粒一、质粒的主要类型3、细菌素质粒（Bac第三节第三节 细菌的质粒细菌的质粒一、质粒的主要类型一、质粒的主要类型4、毒性质粒（毒性质粒（virulence plasmid）许多致病菌的致病性是由其所携带的质粒引起的，这些质粒许多致病菌的致病性是由其所携带的质粒引起的，这些质粒具有编码毒素的基因，其产物对宿主（动物、植物）造成伤害。具有编码毒素的基因，其产物对宿主（动物、植物）造成伤害。产毒素大肠杆菌是引起人类和动物腹泻的主要病原菌之一，产毒素大肠杆菌是引起人类和动物腹泻的主要病原菌之一，其中许多菌株含有为一种或多种肠毒素编码的质粒。其中许多菌株含有为一种或多种肠毒素编码的质粒。苏云金杆菌含有编码苏云金杆菌含有编码内毒素内毒素(伴孢晶体中伴孢晶体中)的质粒的质粒根癌土壤杆菌所含根癌土壤杆菌所含Ti质粒是引起双子叶植物冠瘿瘤的质粒是引起双子叶植物冠瘿瘤的致病因子致病因子第三节 细菌的质粒一、质粒的主要类型4、毒性质粒（viru第五节第五节 细菌的质粒细菌的质粒一、质粒的主要类型一、质粒的主要类型5、代谢质粒（代谢质粒（Metabolic plasmid）质粒上携带有有利于微生物生存的基因，如能降解某些基质质粒上携带有有利于微生物生存的基因，如能降解某些基质的酶，进行共生固氮，或产生抗生素（某些放线菌）等。的酶，进行共生固氮，或产生抗生素（某些放线菌）等。将复杂的有机化合物降解成能被其作为碳源和能源利用将复杂的有机化合物降解成能被其作为碳源和能源利用的简单形式的简单形式，环境保护方面具有重要的意义。，环境保护方面具有重要的意义。假单胞菌：假单胞菌：具有降解一些有毒化合物，如芳香簇化合物具有降解一些有毒化合物，如芳香簇化合物(苯苯)、农药、农药(2,4 dichlorophenoxyacetic acid)、辛烷和樟脑等的能力。辛烷和樟脑等的能力。降解质粒：降解质粒：第五节 细菌的质粒一、质粒的主要类型5、代谢质粒（Meta第五节第五节 细菌的质粒细菌的质粒一、质粒的主要类型一、质粒的主要类型6、隐秘质粒（隐秘质粒（cryptic plasmid）隐秘质粒不显示任何表型效应，它们的存在只有通过物理的隐秘质粒不显示任何表型效应，它们的存在只有通过物理的方法，例如用凝胶电泳检测细胞抽提液等方法才能发现。方法，例如用凝胶电泳检测细胞抽提液等方法才能发现。它们存在的生物学意义，目前几乎不了解。它们存在的生物学意义，目前几乎不了解。在应用上，很多隐秘质粒被加以改造作为基因工程的载体在应用上，很多隐秘质粒被加以改造作为基因工程的载体（一般加上抗性基因）（一般加上抗性基因）第五节 细菌的质粒一、质粒的主要类型6、隐秘质粒（cryp第五节第五节 细菌的质粒细菌的质粒一、质粒的主要类型一、质粒的主要类型高拷贝数高拷贝数(high copy number)质粒质粒（每个宿主细胞中可以有（每个宿主细胞中可以有10-100个拷贝）个拷贝）松弛型质粒松弛型质粒(relaxed plasmid)低拷贝数低拷贝数(low copy number)质粒质粒（每个宿主细胞中可以有（每个宿主细胞中可以有1-4个拷贝）个拷贝）严谨型质粒严谨型质粒(stringent plasmid)窄宿主范围质粒窄宿主范围质粒(narrow host range plasmid)（只能在一种特定的宿主细胞中复制）（只能在一种特定的宿主细胞中复制）广宿主范围质粒广宿主范围质粒(broad host range plasmid)（可以在许多种细菌中复制）（可以在许多种细菌中复制）第五节 细菌的质粒一、质粒的主要类型高拷贝数(high c第五节第五节 细菌的质粒细菌的质粒三、质粒的不亲和性三、质粒的不亲和性质粒之间的不亲和性、以及质粒拷贝数的多少、能适应质粒之间的不亲和性、以及质粒拷贝数的多少、能适应的宿主范围的宽窄等特性均与质粒的复制控制类型有关的宿主范围的宽窄等特性均与质粒的复制控制类型有关第五节 细菌的质粒三、质粒的不亲和性质粒之间的不亲和性、以第六节第六节 原核生物的基因重组原核生物的基因重组细菌的三种水平基因转移形式细菌的三种水平基因转移形式接合接合转导转导自然转化自然转化第六节 原核生物的基因重组细菌的三种水平基因转移形式接合转导接合接合(conjugation)：细胞与细胞的直接接触（由细胞与细胞的直接接触（由F因子介导）因子介导）转导转导(transduction)：由噬菌体介导由噬菌体介导转化转化(natural genetic transformation)：游离游离DNA分子分子+感受态细胞感受态细胞接合(conjugation)：细胞与细胞的直接接触（由F一、细菌的接合作用一、细菌的接合作用(conjugation)通过细胞与细胞的直接接触而产生的遗传通过细胞与细胞的直接接触而产生的遗传信息的转移和重组过程信息的转移和重组过程1.实验证据实验证据1946年，年，Joshua Lederberg 和和Edward L.Taturm细菌的多重营养缺陷型杂交实验细菌的多重营养缺陷型杂交实验一、细菌的接合作用(conjugation)通过细胞与细胞的中间平板上长出的原养型菌落中间平板上长出的原养型菌落是两菌株之间发生了遗传交换是两菌株之间发生了遗传交换和重组所致！和重组所致！中间平板上长出的原养型菌落证实接合过程需要细胞间的直接接触的证实接合过程需要细胞间的直接接触的“U”型管实验（型管实验（Bernard Davis，1950）证实接合过程需要细胞间的直接接触的2.机制机制(大肠杆菌的接合机制大肠杆菌的接合机制)接合作用是由一种被称为接合作用是由一种被称为F因子的质粒介导因子的质粒介导F因子的分子量通常为因子的分子量通常为5107，上面有编码细菌产生性菌，上面有编码细菌产生性菌毛（毛（sex pili）及控制接合过程进行的及控制接合过程进行的20多个基因。多个基因。含有含有F因子的细胞：因子的细胞：“雄性雄性”菌株（菌株（F+），），其细胞表面有性菌毛其细胞表面有性菌毛 不含不含F因子的细胞：因子的细胞：“雌性雌性”菌株（菌株（F-），），细胞表面没有性菌毛细胞表面没有性菌毛2.机制(大肠杆菌的接合机制)接合作用是由一种被称为F因子F因子为附加体质粒。既可以脱离染色体在细胞内独立存在，也因子为附加体质粒。既可以脱离染色体在细胞内独立存在，也可插入（整合）到染色体上可插入（整合）到染色体上F因子为附加体质粒。既可以脱离染色体在细胞内独立存在，也可插F F因子的四种细胞形式因子的四种细胞形式a）F-菌株，菌株，不含不含F因子，没有性菌毛，但可以通过因子，没有性菌毛，但可以通过 接合作用接接合作用接 收收F因子而变成雄性菌株（因子而变成雄性菌株（F+）；）；b）F+菌株，菌株，F因子独立存在，细胞表面有性菌毛。因子独立存在，细胞表面有性菌毛。c）Hfr菌株，菌株，F因子插入到染色体因子插入到染色体DNA上，细胞表面有性菌毛。上，细胞表面有性菌毛。d）F菌株，菌株，Hfr菌株内的菌株内的F因子因不正常切割而脱离染色体因子因不正常切割而脱离染色体 时，形成游离的但携带一小段染色体基因的时，形成游离的但携带一小段染色体基因的F因子，特称为因子，特称为 F因子。因子。细胞表面同样有性菌毛。细胞表面同样有性菌毛。F因子的四种细胞形式a）F-菌株，不含F因子，没有性菌毛，1）F+F-杂交杂交杂交的结果：杂交的结果：给体细胞和受体细胞均成为给体细胞和受体细胞均成为F+细胞细胞理化因子的处理可将理化因子的处理可将F因子消除而使因子消除而使F+菌株变成菌株变成F-菌株菌株F+菌株的菌株的F因子向因子向F-细胞转移，但含细胞转移，但含F因子的宿主细胞因子的宿主细胞的染色体的染色体DNA一般不被转移。一般不被转移。1）F+F-杂交杂交的结果：给体细胞和受体细胞均成为F+Hfr菌株的菌株的F因子插入到染色体因子插入到染色体DNA上，因此上，因此只要发生接合转移只要发生接合转移转移过程，就可以把部分甚至全部细菌染色体传递给转移过程，就可以把部分甚至全部细菌染色体传递给F-细胞并发细胞并发生重组，由此而得名为生重组，由此而得名为高频重组菌株高频重组菌株。2）HfrF-杂交杂交Hfr菌株仍然保持着菌株仍然保持着F+细胞的特征，具有细胞的特征，具有F性菌毛，并象性菌毛，并象F+一样与一样与F-细胞进行接合。所不同的是，当细胞进行接合。所不同的是，当OriT序列被缺刻螺旋酶识别而序列被缺刻螺旋酶识别而产生缺口后，产生缺口后，F因子的先导区因子的先导区(leading region)结合着染色体结合着染色体DNA向受体细胞转移，向受体细胞转移，F因子除先导区以外，其余绝大部分是处于转因子除先导区以外，其余绝大部分是处于转移染色体的末端，由于转移过程常被中断，因此移染色体的末端，由于转移过程常被中断，因此F因子不易转入因子不易转入受体细胞中，故受体细胞中，故HfrF-杂交后的受体细胞杂交后的受体细胞(或接合子或接合子)大多数仍然大多数仍然是是F-。Hfr菌株的F因子插入到染色体DNA上，因此只要发生接合转移染色体上越靠近染色体上越靠近F因子的先导区的基因，进入的机会因子的先导区的基因，进入的机会就越多，在就越多，在F-中出现重组子的的时间就越早，频率也高。中出现重组子的的时间就越早，频率也高。F因子不易转入受体细胞中，故因子不易转入受体细胞中，故HfrF-杂交后的受体细胞（或称接合杂交后的受体细胞（或称接合子）大多数仍然是子）大多数仍然是F-。染色体上越靠近F因子的先导区的基因，进入的机会F因子不易转入3）FF-杂交杂交Hfr菌株内的菌株内的F因子因不正常切割而脱离染色体时，因子因不正常切割而脱离染色体时，形成游离的但携带一小段染色体基因的形成游离的但携带一小段染色体基因的F因子，因子，特称为特称为F因子。因子。FF-与与F+F-的不同：的不同：给体的给体的部分染色体基因随部分染色体基因随F一起转入受体细胞一起转入受体细胞a）与染色体发生重组；与染色体发生重组；b）继续存在于继续存在于F因子上，因子上，形成一种部分二倍体；形成一种部分二倍体；细胞基因的这种转移过程又常称为性导（细胞基因的这种转移过程又常称为性导（sexduction）、）、F因子转导因子转导（F-duction），），或或F因子媒介的转导（因子媒介的转导（F-mediated transduction）。）。3）FF-杂交Hfr菌株内的F因子因不正常切割而脱离染色二、细菌的转导（二、细菌的转导（transduction）由噬菌体介导的细菌细胞间进行遗传交换的一种方式：由噬菌体介导的细菌细胞间进行遗传交换的一种方式：一个细胞的一个细胞的DNA通过病毒载体的感染转移到另一个细胞中通过病毒载体的感染转移到另一个细胞中能将一个细菌宿主的部分染色体或质粒能将一个细菌宿主的部分染色体或质粒DNA带到另一个细菌的噬菌体称为带到另一个细菌的噬菌体称为转导噬转导噬菌体菌体细菌转导的二种类型：细菌转导的二种类型：普遍性转导普遍性转导局限性转导局限性转导二、细菌的转导（transduction）由噬菌体介导的细菌1、普遍性转导（、普遍性转导（generalized transduction）噬菌体可以转导噬菌体可以转导给体染色体的任何部分给体染色体的任何部分到受体细胞中的转导过程到受体细胞中的转导过程(1)意外的发现意外的发现1951年，年，Joshua Lederberg和和Norton Zinder为了证实大肠杆菌以为了证实大肠杆菌以外的其它菌种是否也存在接合作用，用二株具不同的多重营养缺外的其它菌种是否也存在接合作用，用二株具不同的多重营养缺陷型的鼠伤寒沙门氏菌进行类似的实验：陷型的鼠伤寒沙门氏菌进行类似的实验：用用“U”型管进行同样的实验时，在给体和受体型管进行同样的实验时，在给体和受体细胞不接触的情况下，同样出现原养型细菌！细胞不接触的情况下，同样出现原养型细菌！1、普遍性转导（generalized transducti沙门氏菌沙门氏菌LT22A是携带是携带P22噬菌体的溶源性细菌噬菌体的溶源性细菌 另另一株是非溶源性细菌一株是非溶源性细菌一个表面看起来的常规研究却导致一个表面看起来的常规研究却导致一个惊奇和十分重要发现的重要例证！一个惊奇和十分重要发现的重要例证！基因的传递很可能是由可透过基因的传递很可能是由可透过“U”型管滤板型管滤板的的P22噬菌体介导的噬菌体介导的（普遍性转导这一重要的基因转移途径的发现）（普遍性转导这一重要的基因转移途径的发现）沙门氏菌LT22A是携带P22噬菌体的溶源性细菌一个表面看起(2)转导模型转导模型(2)转导模型转导噬菌体为什么转导噬菌体为什么“错错”将宿主的将宿主的DNA包裹进去包裹进去?噬菌体的噬菌体的DNA包装酶包装酶也能识别染色体也能识别染色体DNA上类似上类似pac的位点的位点并进行切割，以并进行切割，以“headful”的包装机制包装进的包装机制包装进P22噬菌体外壳，噬菌体外壳，形成只含宿主形成只含宿主DNA的转导噬菌体颗粒的转导噬菌体颗粒（假噬菌体）（假噬菌体）。因为染色体上的因为染色体上的pac与与P22 DNA的的pac序列不完全相同，序列不完全相同，利用效率较低，这种利用效率较低，这种“错装错装”机率一般仅约机率一般仅约10-6-10-8转导噬菌体为什么“错”噬菌体的DNA包装酶也能识别染色体DN形成转导颗粒的噬菌体可以是温和的也可以是烈性的，但必须形成转导颗粒的噬菌体可以是温和的也可以是烈性的，但必须具有能偶尔识别宿主具有能偶尔识别宿主DNA的包装机制并在宿主基因组完全降解的包装机制并在宿主基因组完全降解以前进行包装。以前进行包装。普遍性转导的基本要求：普遍性转导的基本要求：形成转导颗粒的噬菌体可以是温和的也可以是烈性的，但必须普遍性普遍性转导的三种后果：进入受体的外源进入受体的外源DNA通过与细胞染色体通过与细胞染色体的重组交换而形成稳定的转导子的重组交换而形成稳定的转导子流产转导（流产转导（abortive transduction）转导转导DNA不能进行重组和复制，但其不能进行重组和复制，但其携带的基因可经过转录而得到表达。携带的基因可经过转录而得到表达。特点：在选择培养基平板上形成微小菌落特点：在选择培养基平板上形成微小菌落外源外源DNA被降解，转导失败。被降解，转导失败。DNA不能复制，因此群体中仅一个细胞含有不能复制，因此群体中仅一个细胞含有DNA，而其它细胞只能得到其基因产物，形成微小菌落。而其它细胞只能得到其基因产物，形成微小菌落。普遍性转导的三种后果：进入受体的外源DNA通过与细胞染色体流2、局限性转导（、局限性转导（specialized transduction）（参见P219）温和噬菌体感染温和噬菌体感染整合到细菌染色体的特定位点上整合到细菌染色体的特定位点上宿主细胞发生溶源化宿主细胞发生溶源化溶源菌因诱导而发生裂解时，溶源菌因诱导而发生裂解时，在前噬菌体二侧的少数宿主在前噬菌体二侧的少数宿主基因因偶尔发生的不正常切基因因偶尔发生的不正常切割而连在噬菌体割而连在噬菌体DNA上上部分缺陷的温和噬菌体部分缺陷的温和噬菌体把供体菌的少数特定基因转移到受体菌中把供体菌的少数特定基因转移到受体菌中2、局限性转导（specialized transducti2、局限性转导（、局限性转导（specialized transduction）温和噬菌体温和噬菌体裂解时的裂解时的不正常切割：不正常切割：包含包含gal或或bio基因基因（几率一般仅有（几率一般仅有10-6）缺陷噬菌体在宿主细胞内能够象正常的缺陷噬菌体在宿主细胞内能够象正常的DNA分子一样进行复制、分子一样进行复制、包装，提供所需要的裂解功能，形成转导颗粒。包装，提供所需要的裂解功能，形成转导颗粒。但没有正常噬菌体的但没有正常噬菌体的溶源性和增殖能力溶源性和增殖能力，感染受体细胞后，通过，感染受体细胞后，通过DNA整合进宿主染色体而形成稳定的转导子。整合进宿主染色体而形成稳定的转导子。2、局限性转导（specialized transducti局限性转导与普遍性转导的主要区别：局限性转导与普遍性转导的主要区别：a）被转导的基因共价地与噬菌体被转导的基因共价地与噬菌体DNA连接，与噬菌体连接，与噬菌体DNA一起一起 进行复制、包装以及被导入受体细胞中。进行复制、包装以及被导入受体细胞中。而普遍性转导包装而普遍性转导包装 的可能全部是宿主菌的基因。的可能全部是宿主菌的基因。b）局限性转导颗粒携带特定的染色体片段并将固定的个别基因局限性转导颗粒携带特定的染色体片段并将固定的个别基因 导入受体，故称为局限性转导。导入受体，故称为局限性转导。而普遍性转导携带的宿主基而普遍性转导携带的宿主基 因具有随机性。因具有随机性。2、局限性转导（、局限性转导（specialized transduction）局限性转导与普遍性转导的主要区别：a）被转导的基因共价地与噬 溶源转变（溶源转变（lysogenic conversion）：）：一个与转导相似又不同的现象一个与转导相似又不同的现象温和噬菌体感染细胞后使之发生溶源化，因噬菌体的基温和噬菌体感染细胞后使之发生溶源化，因噬菌体的基因整合到宿主染色体上，而使后者获得了新性状的现象因整合到宿主染色体上，而使后者获得了新性状的现象溶源转变与转导的不同？溶源转变与转导的不同？a）不携带任何供体菌的基因；不携带任何供体菌的基因；b）这种噬菌体是完整的，而不是缺陷的；这种噬菌体是完整的，而不是缺陷的；溶源转变（lysogenic conversion）：一个三、转化（三、转化（genetic transformation）定义：定义：同源或异源的游离同源或异源的游离DNA分子分子(质粒和染色体质粒和染色体DNA)被自然被自然或人工感受态细胞摄取，并得到表达的水平方向的基因转移过程或人工感受态细胞摄取，并得到表达的水平方向的基因转移过程自然转化（自然转化（natural genetic transformation）人工转化（人工转化（artificial transformation）感受态细胞：感受态细胞：具有摄取外源具有摄取外源DNA能力的细胞能力的细胞（competent cell）三、转化（genetic transformation）定义自然感受态与人工感受态的不同？自然感受态与人工感受态的不同？自然感受态自然感受态的出现是细胞一定生长阶段的生理特性，的出现是细胞一定生长阶段的生理特性，受细菌自身的基因控制；受细菌自身的基因控制；人工感受态人工感受态则是通过人为诱导的方法，使细胞具有则是通过人为诱导的方法，使细胞具有 摄取摄取DNA的能力，或人为地将的能力，或人为地将DNA导入细胞内。导入细胞内。（该过程与细菌自身的遗传控制无关）（该过程与细菌自身的遗传控制无关）自然感受态与人工感受态的不同？自然感受态的出现是细胞一定生长1、自然遗传转化（简称自然转化）、自然遗传转化（简称自然转化）1928年，年，Griffith发现肺炎链球菌（发现肺炎链球菌（Streptococcus pneumoniae）的转化现象的转化现象目前已知有目前已知有20多个种的细菌具有自然转化的能力多个种的细菌具有自然转化的能力进行自然转化，需要二方面必要的条件：进行自然转化，需要二方面必要的条件：建立了感受态的受体细胞建立了感受态的受体细胞外源游离外源游离DNA分子分子1、自然遗传转化（简称自然转化）1928年，Griffith枯草芽孢杆菌的自然转化过程（革兰氏阳性菌的转化模型）枯草芽孢杆菌的自然转化过程（革兰氏阳性菌的转化模型）枯草芽孢杆菌的自然转化过程（革兰氏阳性菌的转化模型）自然转化过程的特点：自然转化过程的特点：a）对核酸酶敏感；对核酸酶敏感；c）转化是否成功及转化效率的高低主要取决于转化（转化是否成功及转化效率的高低主要取决于转化（DNA）给体菌株和转化受体菌株之间的亲源关系；给体菌株和转化受体菌株之间的亲源关系；d）通常情况下质粒的自然转化效率要低得多；通常情况下质粒的自然转化效率要低得多；提高质粒的自然转化效率的二种方法：提高质粒的自然转化效率的二种方法：1）使质粒形成多聚体，这样进入细胞后重新组合成有活性的质）使质粒形成多聚体，这样进入细胞后重新组合成有活性的质粒的几率大大提高；粒的几率大大提高；2）在质粒上插入受体菌染色体的部分片段，或将质粒转化进含）在质粒上插入受体菌染色体的部分片段，或将质粒转化进含有与该质粒具有同源区段的质粒的受体菌有与该质粒具有同源区段的质粒的受体菌-重组获救重组获救b）不需要活的不需要活的DNA给体细胞；给体细胞；自然转化过程的特点：a）对核酸酶敏感；c）转化是否成功及转化自然遗传转化的进行涉及到细菌染色体上几十个自然遗传转化的进行涉及到细菌染色体上几十个基因的功能及彼此间的相互协调，因此被认为是基因的功能及彼此间的相互协调，因此被认为是名副其实名副其实 的细菌水平基因转移途径。的细菌水平基因转移途径。目前的研究热点：目前的研究热点：1）细菌为什么要耗费如此多的染色体遗传资源来进行自然转化，）细菌为什么要耗费如此多的染色体遗传资源来进行自然转化，即该过程的生物学意义到底何在？它对细菌自身有什么好处？即该过程的生物学意义到底何在？它对细菌自身有什么好处？（人们已提出了一些假说，但均不圆满）（人们已提出了一些假说，但均不圆满）2）自然转化过程的很多细节仍不清楚，包括细菌如何协调感受）自然转化过程的很多细节仍不清楚，包括细菌如何协调感受 态的建立，外源态的建立，外源DNA进入和重组的具体过程等等进入和重组的具体过程等等3）细菌中具有自然转化能力的范围，到底有那些菌具有自然）细菌中具有自然转化能力的范围，到底有那些菌具有自然 转化能力？转化能力？4）转化）转化DNA的来源和在自然环境中发生的自然转化的来源和在自然环境中发生的自然转化自然遗传转化的进行涉及到细菌染色体上几十个目前的研究热点：1“接合接合”“转导转导”及及“自然转化自然转化”这三种在自然界中这三种在自然界中存在的细菌遗传重组过程各自的特点：存在的细菌遗传重组过程各自的特点：a）外源外源DNA的来源及进入途径有差异；的来源及进入途径有差异；b）决定因素也各有不同；决定因素也各有不同；如何设计实验对三种途径进行区分？如何设计实验对三种途径进行区分？“接合”“转导”及“自然转化”这三种在自然界中a）外源D2、人工转化、人工转化用用CaCl2处理细胞，电穿孔等是常用的人工转化手段。处理细胞，电穿孔等是常用的人工转化手段。在自然转化的基础上发展和建立的一项细菌基因重组手段，在自然转化的基础上发展和建立的一项细菌基因重组手段，是基因工程的奠基石和基础技术。是基因工程的奠基石和基础技术。不是由细菌自身的基因所控制；不是由细菌自身的基因所控制；用多种不同的技术处理受体细胞，使其人为地处于一用多种不同的技术处理受体细胞，使其人为地处于一种可以摄取外源种可以摄取外源DNA的的“人工感受态人工感受态”。质粒的转化效率高；质粒的转化效率高；2、人工转化用CaCl2处理细胞，电穿孔等是常用的人工转化手思考题：思考题：1、如果二个不同营养缺陷标记（如果二个不同营养缺陷标记（a-b-c+d+和和 a+b+c-d-）的菌株经混合后能产生在基本培养的菌株经混合后能产生在基本培养 基平板上生长的原养型重组菌株，请设计一基平板上生长的原养型重组菌株，请设计一 个实验来决定该遗传转移过程是转化、转导个实验来决定该遗传转移过程是转化、转导 还是接合还是接合?2、自然遗传转化与人工转化之间有什么关系自然遗传转化与人工转化之间有什么关系?为什么在一般情况下它们转化质粒的成功率为什么在一般情况下它们转化质粒的成功率 有如此大的差别有如此大的差别?思考题：1、如果二个不同营养缺陷标记（a-b-c+d