细菌和病毒的遗传ppt培训讲义课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,现 代 遗 传 学,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,细菌和病毒的遗传,（优选）细菌和病毒的遗传,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,3,一、细菌的生物学特征,4,、生长特点,细菌是,单细胞生物,细胞结构包括细胞壁、细胞膜、细胞质和核区,部分细菌还有某些特殊结构，如鞭毛、伞毛、荚膜、芽胞、气泡等,生活周期短，易培养,；,易获得其生化突变型,；,大小不一，形态各异,。常见细菌的形状有杆状、球状和螺旋状，其中以杆状最常见。,5,、遗传特点,细菌,DNA,是一个很长的共价闭合环状双链分子（,dsDNA,），通常以超螺线体的形式存在于细菌体内。,6,质粒,细菌体内含有的一种染色体外小型环状,DNA,。质粒能独立于染色体存在和复制，还能在细胞间传递。,附加体,有些质粒能整合到细菌染色体中，在染色体的控制下随染色体一起复制，这类质粒称为附加体（,episome,）。,7,F+F FF+ 供体染色体基因非常低频率地转移HfrF F F 部分染色体高频转移,受体部位(Receptor site),这种转导类型称为普遍性转导。,Trp2-his2 0.,四、转导（transduction）,2、T偶列噬菌体的侵染过程（如T4噬菌体）,不含有F因子的细菌，记为 F。,、研究细菌遗传的实验方法,作为遗传研究材料具有独特优势,重组型：h-r-， h+r+,部分细菌还有某些特殊结构，如鞭毛、伞毛、荚膜、芽胞、气泡等,F+、F和F+Hfr菌的比较,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。,Lederbery和Tatum利用的双营养缺陷型菌株进行试验，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。,、FA与从溶源性细菌分离得到的噬菌体P22质量大小相同;,2600+1180+ 3660+685=8125,Hfr lac+ade+转入受体细胞后的表现：,四、细菌和病毒的拟有性过程,lac-(乳糖不发酵),、研究细菌遗传的实验方法,细胞计数,(,培养物细胞浓度,),纯系建立法,选择培养法,(,鉴定突变型与重组型,),突变型与重组型的批量筛选方法,8,1,、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,9,Hfr (thr+leu+azirlac+gal+strs) F (thrleuazislacgalstrr),如温和噬菌体作为一种附加体，既可以自主状态存在，也可以整合到细菌基因组(特定位置attB处)，形成原噬菌体。, dgal特殊性转导噬菌体的形成模式,r突变体(rapid lysis速溶性)：,戴维斯(Dawis, 1950)的U型管试验,对干扰素敏感，而对抗生素不敏感。,为蛋白质外壳包裹核酸而成的颗粒。,生物素缺陷型 bio,P1噬菌体：侵入后并不整合到细菌的染色体上，独立存在于细胞质内；,2、病毒的分类（自学）,亲型数+重组型数,lac+ade+ + lac-ade+,lac+ade+(strs) lac-ade-(strr),这种方法获得的纯系，称为“菌种纯”,是指遗传物质从供体(donor）“雄性”转移到受体(receptor)“雌性”的过程。,2、供体DNA片段进入受体细胞，并要防止受体DNase的破坏,噬菌体随细胞染色体复制而复制，细胞中有一个拷贝。,The order of gene transfer in 4 Hfr strains suggesting that the E.,lac-(乳糖不发酵),模板接种时必须采用适当的方法如涂布或划线法，使培养物菌落之间分开,lac+ade+(strs) lac-ade-(strr),因为供体Hfr转入片断不能独立复制，如果未进入F,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。,、F因子及其在杂交中的行为,P1噬菌体：侵入后并不整合到细菌的染色体上，独立存在于细胞质内；,这种细菌称为溶源性细菌或溶源菌(Lysogenic bacterium)，此过程称为溶源周期。,将A、B混和，在基本培养基(固体)上涂布培养,A品系AB+ T1S(metbiothr+leu+T1S)；,因为供体Hfr转入片断不能独立复制，如果未进入F,F+F FF+ 供体染色体基因非常低频率地转移HfrF F F 部分染色体高频转移,因为供体Hfr转入片断不能独立复制，如果未进入F,有些质粒能整合到细菌染色体中，在染色体的控制下随染色体一起复制，这类质粒称为附加体（episome）。,F-ade+lac-,与受体杂交后,出现的重组体中以大多数非选择性性状是F受体的遗传性状,2、转化因子DNA的大小、形态和浓度;,不同速溶菌的突变型在表现型上不同，可分别写成ra、rb、rc等，用rx-h+r+h-获得试验结果列于下表：,细胞结构包括细胞壁、细胞膜、细胞质和核区,、普遍性转导(General transduction),2,、建立纯系的方法,纯系培养,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,”,10,3,、选择培养法鉴定突变型与重组型,许多细菌突变都与培养基成分、培养条件有关,营养缺陷型的筛选、鉴定,选择培养法是根据原养型(也称为原生营养型)与营养缺陷型在基本培养基和营养培养基上的生长能力差异进行筛选,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,其它突变类型的筛选、鉴定,对于其它的突变类型(如温度敏感型)，也可以通过培养条件的选择培养来筛选与鉴定,11,营养缺陷型富集法,原养型,营养缺陷型,诱变,青霉素,12,HfrF-,is circular.,由温和噬菌体（如）介导的转导类型。,三、性导（sexduction）,对试验中得到的原养型菌落后代研究表明,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。,一个自主状态F因子，即F+；,最初的培养基必须是非选择性的，各种突变型都能够生长,根据稀释倍数计算原培养物中的细胞浓度,常见细菌的形状有杆状、球状和螺旋状，其中以杆状最常见。,Lederbery及其研究生Zinder（1951）首先在鼠伤寒沙门氏菌（Salmenella typhimurium）中发现转导现象。,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。,双杂合二倍体是指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。,发生细胞融合，形成了异核体或杂合二倍体,P1噬菌体：侵入后并不整合到细菌的染色体上，独立存在于细胞质内；,Thus, the suggested gene order is,转化（transformation）,因为供体Hfr转入片断不能独立复制，如果未进入F,The order of gene transfer in 4 Hfr strains suggesting that the E.,Lederbery和Tatum利用的双营养缺陷型菌株进行试验，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。,这种细菌即使没有外来噬菌体的感染，有时偶而也会自发地释放噬菌体。,在研究基因结构、功能与表达调控时更为简便,、接合现象的发现和证实黎德伯格和塔特姆大肠杆菌杂交试验,4,、突变型与重组型的批量筛选方法,选择培养法的缺点,效率不高一次可鉴定、筛选一种突变型,影印培养法,黎德伯格夫妇为高效检测、分离混和群体不同突变型设计了影印培养法，该方法原理与选择培养法一致,采用影印法将完全培养基上的单菌落，同时接种到不同选择培养基上，同时对所有菌落进行选择，提高鉴定效率,13,4,、突变型与重组型的批量筛选方法,注意,最初的培养基必须是非选择性的，各种突变型都能够生长,模板接种时必须采用适当的方法如涂布或划线法，使培养物菌落之间分开,14,二、病毒的生物学特征,病毒的一般特性,病毒的类型,15,1,、病毒的一般特性（自学）,无细胞结构,；为蛋白质外壳包裹核酸而成的颗粒。,形体极微小,；只有在电子显微镜下才能观察到。,化学组成简单,；主要是核酸和蛋白质。,只含一种核酸,（,DNA,或,RNA,）；,缺乏独立代谢能力,；,繁殖方式独特,；只能依赖宿主活细胞的代谢机器，通过核酸复制和蛋白质合成后再装配成完整的病毒颗粒的方式进行繁殖。,具有双重存在方式,；或营专性寄生在活细胞内，或在细胞外以大分子颗粒状态进行传播。,对干扰素敏感，而对抗生素不敏感,。,16,2,、病毒的分类（自学）,根据宿主来划分,细菌病毒,植物病毒,无脊椎动物病毒,脊椎动物病毒,亚病毒,类病毒,拟病毒,朊病毒,17,作为遗传研究材料具有独特优势,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机理,(,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,在研究基因结构、功能与表达调控时更为简便,三、细菌和病毒在遗传研究中的优越性,18,不经过减数分裂和授精作用而导致遗传物质转移与重组的过程叫做,拟有性过程,。,细菌和病毒可以通过四种不同的方式，即,转化,、,接合,、,转导,和,性导,获得外源遗传物质。,拟有性过程在细菌和病毒中的研究，为研究真核生物的遗传重组和基因结构，提供了重要的模型。,四、细菌和病毒的拟有性过程,19,第二节 细菌的遗传分析,一个细菌细胞的DNA与另一个细菌细胞的DNA的交换与重组可以通过四种方式进行,一、转化（transformation）,二、接合（conjugation）,三、性导（sexduction）,四、转导（transduction）,20,一、转化（,transformation,）,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。,21,、转化的过程,转化的过程,转化因子的吸附,单链,DNA,的吸收,联会与整合,22,1,、双链,DNA,分子和细胞表面,感受位点,结合,(,具,可逆性,),2,、供体,DNA,片段进入受体细胞，并要防止受体,DNase,的破坏,23,3、供体DNA由双链转变为单链，进入受体,4、部分联会和重组，形成杂合DNA分子,5、形成转化子杂合DNA分子经复制、分离、组合形成不同转化子,24,、转化的条件,1,、感受态的受体细胞,;,2,、转化因子,DNA,的大小、形态和浓度,;,3,、受体和供体染色体的同源性。,25,感受态因子,(Competent factor),促进转化作用的酶或蛋白质分子。,受体部位,(Receptor site),外源,DNA,片段进入受体细菌形成临时性通道的特定区域。,感受态细胞,(Competent cell),能接受外源,DNA,分子并被转化的细菌细胞。,26,、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。,如枯草杆菌共转化遗传作图,trp2+ his2+ tyr1+trp2 his2 tyr1,重组型数,Trp2his2重组值 = 100%,亲型数+重组型数,27,2390/17990=0.13,418+1180+685+,107=2390,11940+3660,=15600,his,2,-tyr,1,8125/20172=0.40,2600+1180+ 3660+685=8125,11940+107,=12047,trp,2,-tyr,1,6785/19905=0.34,2600+107+3660+418=6785,11940+1180,=13120,trp,2,-his,2,重组体数,/,总数,(+ -),或,(- +),(+ +),重组值,重组型,亲本型,1180,107,2600,418,685,3660,11940,总数,tyr,1,his,2,trp,2,转化子类型,座 位,(,供体,),trp,2,+,his,2,+,tyr,1,+,trp,2,-,his,2,-,tyr,1,-,(,受体,),3,个基因的次序为,：,trp,2,his,2,tyr,1,trp,2,his,2,tyr,1,34,13,Trp,2,-his,2,0.34,Trp,2,-tyr,1,0.40,His,2,-tyr,1,0.13,29,mi系：微小噬菌斑；,是指以噬菌体为媒介进行细菌遗传物质重组的过程，是细菌遗传物质传递和交换方式之一。,P1噬菌体：侵入后并不整合到细菌的染色体上，独立存在于细胞质内；,、F因子的自然整合率极高，并且整合在一定的座位上,促进转化作用的酶或蛋白质分子。,最初的培养基必须是非选择性的，各种突变型都能够生长,有些质粒能整合到细菌染色体中，在染色体的控制下随染色体一起复制，这类质粒称为附加体（episome）。,有些细菌带有某种噬菌体，但并不立即导致溶菌，这种现象称为溶源性；,三、细菌和病毒在遗传研究中的优越性,双杂合二倍体是指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。,2、建立纯系的方法纯系培养,3、受体和供体染色体的同源性。,100% thr+, 3%l eu+, 0% azir,The order of gene transfer in 4 Hfr strains suggesting that the E.,只有在缺乏腺嘌呤的完全培养基上选出lacade (粉红)才是其真正的重组子。,3、选择培养法鉴定突变型与重组型,溶菌酶裂解细菌，释放出数百个噬菌体,二、接合（,conjugation,）,接合（,conjugation,）,是指遗传物质从供体,(donor,）“雄性”转移到受体,(receptor)“,雌性”的过程。,30,、接合现象的发现和证实黎德伯格和塔特姆大肠杆菌杂交试验,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,生物素缺陷型 bio,B苏氨酸缺陷型 thr,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(+),31,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,32,1,、回复突变可能的排除,Lederbery和Tatum利用的双营养缺陷型菌株进行试验，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。因为,单基因回复突变的频率约为106；,双基因回复突变的频率则为1012，频率很低。,但试验中产生原养型菌落产生的频率非常高（107），因此基本可以排除回复突变的可能。,33,2,、互养作用及其排除,试验材料,A品系AB+ T1S(metbiothr+leu+T1S)；,B品系A+B T1R(met+bio+thrleuT1R)。,试验方法将A、B品系混合接种在基本培养基表面，短时间后喷噬菌体T1杀死A品系，使其不能持续产生thr与leu供B品系持续生长。,结果仍然出现原养型菌落。,结论表明互养并非原养型菌落出现的原因，而可能发生了遗传重组。,34,3,、转化作用及其排除,Lederbery和Tatum曾把品系A的培养液经加热灭菌，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，从而否定了转化的可能性。,U,型管实验,（,Dawis,1950),35,4,、异核体和杂合二倍体的可能性,若细菌细胞发生融合，产生异核体或双杂合二倍体。这两种情况类似于二倍体生物的杂合体，将产生原养型菌落。,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。,双杂合二倍体是指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。,细菌为单倍配子体生物，异核体和二倍体只能暂存。培养繁殖过程中必将发生分离，产生各种缺陷型菌落。,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。,36,海斯（,Hayes,，,W.,，,1952,）实验,经过上述分析可以认为大肠杆菌A B营养缺陷型，发生了一种不同于转化的遗传重组方式，称之为接合。,37,、,F,因子及其在杂交中的行为,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,F,因子的化学本质是,DNA,，可以自主状态存在于细胞质中或整合到细菌的染色体上,F,因子可在细菌细胞间进行转移,38,致育因子,是染色体外的一个共价环状,DNA,分子，决定细菌雄性，称为,致育因子,（,fertility factor,），又称为,F,因子,或,F,质粒,。,供体菌（雄性菌）,含有,F,因子的细菌，,F,因子游离于宿主染色体外，记为,F,+,。,受体菌（雌性菌）,不含有,F,因子的细菌，记为,F,。,Hfr,菌株（高频重组菌株）,指,F,因子整合到宿主染色体中去了的菌株，其重组频率比,F,+,高,1000,多倍。,39,均带有F因子特定表型效应性伞毛,尾丝固定大肠杆菌，遗传物质注入,2、供体DNA片段进入受体细胞，并要防止受体DNase的破坏,只能依赖宿主活细胞的代谢机器，通过核酸复制和蛋白质合成后再装配成完整的病毒颗粒的方式进行繁殖。,lac-(乳糖不发酵),The genes closely linked to the phage attachment sites can be analyzed in detail by using specialized transducing particles that have incorporated segments of these genes.,将A、B混和，在基本培养基(固体)上涂布培养,、流产转导（abortive transduction）,5、形成转化子杂合DNA分子经复制、分离、组合形成不同转化子,The order of gene transfer in 4 Hfr strains suggesting that the E.,不含有F因子的细菌，记为 F。,两基因转移时间间距2分钟时，中断杂交法的图距不够精确，应采用传统的重组作图法。,F因子可在细菌细胞间进行转移,一个整合到自己染色体内的F因子，即Hfr。,、流产转导（abortive transduction）,2研究最为广泛的是T噬菌体,、FA与从溶源性细菌分离得到的噬菌体P22质量大小相同;,ade-(腺嘌呤缺陷型),F,因子的存在状态（,大肠杆菌,）,没有,F,因子，即,F,；,一个自主状态,F,因子，即,F,+,；,一个整合到自己染色体内的,F,因子，即,Hfr,。,40,1,、,F,因子的特点,F,细菌可以把,F,因子传给后代。,F,细菌经吖啶橙处理,F,因子丢失，丢失后不再出现。,F,可以和,F,杂交，而不能和,F,杂交。,F,和,F,杂交后代皆为,F,，而且可以以,10,7,频率获得重组体后代。,F,因子独立进行分裂,41,2,、,F,因子在杂交中的行为,42,43,细菌重组的特点:,Hfr细胞和F细胞之间的接合，一般很少有整条Hfr染色体转入F细胞(pilus容易断裂)，因此,1、F细胞得到的只是部分F因子，其余部分依赖于整条Hfr染色体的转移。这样在HfrF杂交后代大多数重组子仍为F;,2、F受体细胞只接受部分的供体染色体，这样的细胞称为部分二倍体(partial diploid)或半合子 (merozygote)。,44,c系：完全清亮的噬菌斑；,coli ( thr+1eu+aziS ),由温和噬菌体（如）介导的转导类型。,=(h+r+ + h-r-)/(h+r- + h-r+ + h+r+ + h-r-)100%,将A、B混和，在基本培养基(固体)上涂布培养,世代周期短，繁殖世代所需时间短,便于研究基因的重组(重组群体大、选择方法简便有效),因为供体Hfr转入片断不能独立复制，如果未进入F,绘制细菌遗传图谱（普遍性转导）,为蛋白质外壳包裹核酸而成的颗粒。,、F因子及其在杂交中的行为,不同速溶菌的突变型在表现型上不同，可分别写成ra、rb、rc等，用rx-h+r+h-获得试验结果列于下表：,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。,发生细胞融合，形成了异核体或杂合二倍体,噬菌体随细胞染色体复制而复制，细胞中有一个拷贝。,采用影印法将完全培养基上的单菌落，同时接种到不同选择培养基上，同时对所有菌落进行选择，提高鉴定效率,对干扰素敏感，而对抗生素不敏感。,2、种类多样性：外壳蛋白质的种类、染色体类型和结构的多样性。,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。,结论细胞直接接触是原养型细菌产生的必要条件，从而否定了转化的可能性。,100% thr+, 3%l eu+, 0% azir,溶菌酶裂解细菌，释放出数百个噬菌体,细菌重组中，有两个特点,只有,偶数的交换,才能产生平衡的重组子,相反的重组子,(reciprocal recombinant),不出现，所以在选择培养基上只出现一种重组子,45,、中断杂交实验作图,1957年，E. Wollman和F. Jacob设计了中断杂交试验（interrupted mating experiment）发现接合时遗传物质转移是直线进行。,材料,Hfr菌株strs azir tonAr gal+ lac+,F菌株strrazis tonAs gal lac,链霉素 叠氮化物,T,1,噬菌体 半乳糖发酵 乳糖发酵,46,Hfr (thr+leu+azirlac+gal+strs) F (thrleuazislacgalstrr),1,分钟,20%,的重组值,47,The order of gene transfer in 4 Hfr strains suggesting that the,E. coli,chr. is,circular,.,48,、重组作图：,两基因转移时间间距,2,分钟时，中断杂交法的图距不够精确，应采用传统的重组作图法。,例：二个基因紧密连锁,lac,-,(,乳糖不发酵,),ade,-,(,腺嘌呤缺陷型,),Hfr,F,-,lac,+,ade,+,(str,s,),lac,-,ade,-,(str,r,),完全培养基混合培养,完全培养基,(,无腺嘌呤、加链霉素,),F,-,ade,+,菌落,F,-,ade,+,lac,+,未发生交换,F,-,ade,+,lac,-,基因间发生交换,加乳糖,Hfr,lac,+,ade,+,转入受体细胞后的表现：,A.,因为供体,Hfr,转入片断不能独立复制，如果未进入,F,受体的基因组中去，那么在以后的细胞分裂中就丢失了；,B.,如已进入,F,基因组，而且在缺乏腺嘌呤的培养基上表,型为,F,lac,ade,(,紫红色,),，表明是这两个基因之外发 生双交换的产物，在,lac-ade,两基因之间并未发生重组。,50,lac-(乳糖不发酵),二、T2噬菌体的基因重组与作图,F+F FF+ 供体染色体基因非常低频率地转移HfrF F F 部分染色体高频转移,6785/19905=0.,、FA与从溶源性细菌分离得到的噬菌体P22质量大小相同;,基本培养基,F细菌可以把F因子传给后代。,细胞结构包括细胞壁、细胞膜、细胞质和核区, 烈性噬菌体：T噬菌体系列(T1T7)；,Thus, the suggested gene order is,、F因子转移基因比率极高，如同F+因子转移比率,F-ade+lac-,如已进入F基因组，而且在缺乏腺嘌呤的培养基上表,为蛋白质外壳包裹核酸而成的颗粒。,3、选择培养法鉴定突变型与重组型,在噬菌体感染的末期，细菌染色体被断裂成许多小片段，在形成噬菌体颗粒时，少数噬菌体将细菌的DNA误认为是它们自己的DNA，并包裹进其蛋白质衣壳内，从而形成转导噬菌体，该噬菌体再去感染其他宿主时，就将所携带的细菌染色体片段带入受体菌中，形成部分二倍体，进而重组整合。,B苏氨酸缺陷型 thr,四、细菌和病毒的拟有性过程,转导（transduction）,一、转化（transformation）,Thus there are 2 possible gene orders:,C.,只有在缺乏腺嘌呤的完全培养基上选出,lac,ade,(,粉红,),才是其真正的重组子。,lac,-,ade,+,重组频率,= ,100% = 22%,lac,+,ade,+,+ lac,-,ade,+,这两个位点间的时间单位约为,1,分钟,20%,重组值。,51,三、性导（,sexduction,）,性导（,sexduction,）,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。,52,F,因子,Hfr,菌株在切除,F,因子时发生错误切除，分离出一个携带,F,因子和部分宿主染色体基因的遗传因子，这种带有宿主染色体基因的,F,因子称为,F,因子,。,53,F因子的特点,、不同的F因子携带细菌的不同基因,、如果F因子本身的基因丢失，转移就可能停止,、F因子不存在蛋白质外壳的包装问题，可以携带不同长度的DNA片段,、F因子和F一样能把F因子转移给F细胞，同时也转移细菌基因，其结果使F变成F菌株，并形成部分二倍体,F因子使细菌带有某些突出的特点,、F因子转移基因比率极高，如同F+因子转移比率,、F因子的自然整合率极高，并且整合在一定的座位上,54,、FA（过滤性因子）不因DNA酶而失活，说明是非裸露的DNA;,细菌和病毒可以通过四种不同的方式，即转化、接合、转导和性导获得外源遗传物质。,四、细菌和病毒的拟有性过程,F，Hfr，F的接合对照,1、双链DNA分子和细胞表面感受位点结合(具可逆性),性导（sexduction）,将A、B混和，在基本培养基(固体)上涂布培养,coli ( thr-1eu-azir ),1、回复突变可能的排除,F菌除了有许多与Hfr和F+相同性质外，最大特点是构建部分二倍体菌。,将A、B混和，在基本培养基(固体)上涂布培养,世代周期短，繁殖世代所需时间短,如枯草杆菌共转化遗传作图,后代没有出现预期的性状分离现象。,3、选择培养法鉴定突变型与重组型,戴维斯U型管试验(防止细胞直接接触) 结果也获得野生型重组体，排除由于接合或性导而产生基因重组可能性。,模板接种时必须采用适当的方法如涂布或划线法，使培养物菌落之间分开,h+r+(重组)：噬菌斑半透明，小、边缘模糊,指能克服噬菌体抗性的突变体。,一个整合到自己染色体内的F因子，即Hfr。,F+F FF+ 供体染色体基因非常低频率地转移HfrF F F 部分染色体高频转移,模板接种时必须采用适当的方法如涂布或划线法，使培养物菌落之间分开,F,因子,与,F,+,、,Hfr,的关系,F+、F和F+Hfr菌的比较,Hfr和F+共同特点,用链霉素处理均不影响与受体杂交,与受体杂交后,出现的重组体中以大多数非选择性性状是F受体的遗传性状,均带有F因子特定表型效应性伞毛,差异之处,HfrF F+F (1000),F+F FF+ 供体染色体基因非常低频率地转移HfrF F F 部分染色体高频转移,F菌除了有许多与Hfr和F+相同性质外，最大特点是构建部分二倍体菌。,55,F,，,Hfr,，,F,的接合对照,56,F,因子,的用途,不同的,F,因子,带有不同的细菌,DNA,片段，可覆盖全部染色体基因，可用于构建部分二倍体菌株，用来,研究基因的相互作用,，确定显隐性关系，,构建遗传图谱,，通过,互补测验鉴定两个突变是否属于等位基因,等。,57,感受态因子(Competent factor),Thus, the suggested gene order is,均带有F因子特定表型效应性伞毛,、FA（过滤性因子）不因DNA酶而失活，说明是非裸露的DNA;,In general, specialized transducing particles are not as useful in gene mapping experiments as generalized transducing particles.,coli ( thr-1eu-azir ),1、细胞计数（培养物细胞浓度）,3、供体DNA由双链转变为单链，进入受体,、FA（过滤性因子）不因DNA酶而失活，说明是非裸露的DNA;,将A、B混和，在基本培养基(固体)上涂布培养,对试验中得到的原养型菌落后代研究表明,这两种情况类似于二倍体生物的杂合体，将产生原养型菌落。,模板接种时必须采用适当的方法如涂布或划线法，使培养物菌落之间分开,4、异核体和杂合二倍体的可能性,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, dgal特殊性转导噬菌体的形成模式,、抗噬菌体P22的沙门菌菌株对FA也表现抗性，所以，FA是噬菌体P22。,Lederbery和Tatum利用的双营养缺陷型菌株进行试验，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。,Lederbery和Tatum曾把品系A的培养液经加热灭菌，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。,lac-(乳糖不发酵),性导（sexduction）,四、转导（,transduction,）,转导（,transduction,）,是指以噬菌体为媒介进行细菌遗传物质重组的过程，是细菌遗传物质传递和交换方式之一。,58,转导现象的发现,Lederbery,及其研究生,Zinder,（,1951,）首先在鼠伤寒沙门氏菌（,Salmenella typhimurium,）中发现转导现象。,原因,?,是否为接合或转化引起的？,59,、F因子转移基因比率极高，如同F+因子转移比率, h 应位于rb及rc之间，排列顺序rchrb。,、不同的F因子携带细菌的不同基因,细胞计数(培养物细胞浓度),2600+107+3660+418=6785,质粒能独立于染色体存在和复制，还能在细胞间传递。,便于研究基因的重组(重组群体大、选择方法简便有效),Thus, the suggested gene order is,原因? 是否为接合或转化引起的？,只能依赖宿主活细胞的代谢机器，通过核酸复制和蛋白质合成后再装配成完整的病毒颗粒的方式进行繁殖。,促进转化作用的酶或蛋白质分子。,、对P22的血清敏感，加热失活;,由温和噬菌体（如）介导的转导类型。,因为供体Hfr转入片断不能独立复制，如果未进入F,外源DNA片段进入受体细菌形成临时性通道的特定区域。,细菌为单倍配子体生物，异核体和二倍体只能暂存。,将A、B混和，在基本培养基(固体)上涂布培养,结果没有得到原养型细菌。,戴维斯,U,型管试验,(,防止细胞直接接触,),结果也获得野生型重组体，排除由于接合或性导而产生基因重组可能性。,说明它是一种可通过滤膜的过滤性因子（,FA,）。,60,Further analysis of this gene exchange process in,Sahnonella,revealed that :,、,FA,（过滤性因子）不因,DNA,酶而失活，说明是非裸露的,DNA;,、,FA,与从溶源性细菌分离得到的噬菌体,P22,质量大小相同,;,、对,P22,的血清敏感，加热失活,;,、抗噬菌体,P22,的沙门菌菌株对,FA,也表现抗性，所以，,FA,是噬菌体,P22,。,61,、普遍性转导,(General transduction),在噬菌体感染的末期，细菌染色体被断裂成许多小片段，在形成噬菌体颗粒时，少数噬菌体将细菌的,DNA,误认为是它们自己的,DNA,，并包裹进其蛋白质衣壳内，从而形成转导噬菌体，该噬菌体再去感染其他宿主时，就将所携带的细菌染色体片段带入受体菌中，形成部分二倍体，进而重组整合。这种转导类型称为普遍性转导。,62,、流产转导（,abortive transduction,）,指转导,DNA,分子进入受体细胞后，既不与受体基因组发生交换，又不随宿主,DNA,复制而复制，而是很稳定地存在于细胞之中，由于细菌不断增殖，故该转导类型的细菌所占比例越来越少，以至最终消失，故称为流产转导。,63,、局限性转导（,specialized transduction,）,由温和噬菌体（如,）介导的转导类型。原噬菌体离开细菌染色体时，偶尔可将噬菌体插入位点两边的细菌基因一起环落下来而形成混杂的,DNA,片段，该,DNA,片段由噬菌体蛋白质衣壳包裹，再去侵染其他宿主细菌，可将特定的细菌基因带入新的受体菌，进而重组整合，这种转导称为局限性转导。,64, dgal,特殊性转导噬菌体的形成模式,65,、转导的应用,绘制细菌遗传图谱（普遍性转导）,对个别基因的研究（局限转导）,66,1,、普遍性转导与作图,共转导或并发转导(cotransduction),指两个基因同时转导的现象。,如果两个基因共转导的频率愈高，表明两个基因连锁愈紧密，相反共转导频率愈低，则表明两个基因距离愈远。,例如，用大肠杆菌的P1噬菌体进行下列转导实验，测定thr+1eu+aziS 的连锁关系。,67,P1,噬菌体,E.coli,(,thr,+,1eu,+,azi,S,),E.coli,(,thr,-,1eu,-,azi,r,),基本培养基,不含,leu,100% leu,+,50% azi,r, 2% thr,+,不含,thr,100% thr,+, 3%l eu,+, 0% azi,r,68,Results from the experiment 1 indicated the leu & azi loci were close together and leu & thr were not close. Thus there are 2 possible gene orders:,69,The experiment 2 indicated that because leu & thr were cotransduced 3% of the time, because thr & azi were never cotransduced, leu must be closer to thr than is azi. Thus, the suggested gene order is,The data from experiment 3 were consistent with this arrangement because the thr leu transducing fragment never carried the azi marker.,70,2,、局限性转导与作图,这类噬菌体只能转导供体基因组中的特定基因。,如温和噬菌体,作为一种附加体，既可以自主状态存在，也可以整合到细菌基因组,(,特定位置,attB,处,),，形成原噬菌体。,The genes closely linked to the phage attachment sites can be analyzed in detail by using specialized transducing particles that have incorporated segments of these genes.,In general, specialized transducing particles are not as useful in gene mapping experiments as generalized transducing particles.,71,第三节噬菌体的遗传分析,72,一、噬菌体的结构,1,、结构简单：,蛋白质外壳、核酸、某些碳水化合物、脂肪等。,2,、种类多样性：外壳蛋白质的种类、染色体类型和结构的多样性。,3,、两大类：, 烈性噬菌体：,T,噬菌体系列,(T,1,T,7,),；, 温和性噬菌体,: P,1,和,噬菌体。,73,、烈性噬菌体,1,、结构大同小异，外形一般呈蝌蚪状,T,偶列噬菌体,头部：双链,DNA,分子的染色体；,颈部：中空的针状结构及外鞘；,末端：由基板、尾针和尾丝组成。,74,2,、,T,偶列噬菌体的侵染过程（如,T,4,噬菌体）,溶菌酶裂解细菌，释放出数百个噬菌体,尾丝固定大肠杆菌，遗传物质注入,破坏寄主细胞原有的遗传物质,组装成许多新的子噬菌体,合成大量的噬菌体遗传物质,75,、温和性噬菌体：例如,和,P,1,噬菌体。,和,P,1,各代表一种略有不同的溶源性类型。,76,1,、溶源性的生活周期：,噬菌体：噬菌体侵入后，细菌不裂解,附在,E.coli,染色体上的,gal,和,bio,位点间的,att,座位上,通过交换整合到细菌染色体，并能阻止其它,噬菌体的超数感染。,噬菌体特定位点的整合,77, P,1,噬菌体：,它并不整合到细菌的染色体上，而是独立地存在于细胞质内。,78,原噬菌体：整合在宿主基因组中的噬菌体。,只有少数基因活动，表达出阻碍物关闭其它基因。,原噬菌体经诱导可转变为烈性噬菌体,裂解途径。,79,溶源性,(Lysogeny),：,有些细菌带有某种噬菌体，但并不立即导致溶菌，这种现象称为溶源性；这种细菌称为溶源性细菌或溶源菌,(Lysogenic bacterium),，此过程称为溶源周期。,80,溶源周期的受感染细菌的两个特征：,免疫性,:,细菌细胞内已有了侵入的噬菌体，再也不会受到同一种噬菌体的侵染，也就是说有了免疫性，这种免疫的特异性程度很高。,可诱导性,:,这种细菌即使没有外来噬菌体的感染，有时偶而也会自发地释放噬菌体。如,UV,或丝裂霉素,C,等处理。,81,2,、,P,1,和,噬菌体的特性：,P,1,和,各代表不同的溶原性类型：,P,1,噬菌体：侵入后并不整合到细菌的染色体上，独立存在于细胞质内；,噬菌体：通过交换整合到细菌染色体上。,溶源性细菌分裂,两个子细胞：,P,1,噬菌体复制则使每个子细胞中至少含有一个拷贝；,噬菌体随细胞染色体复制而复制，细胞中有一个拷贝。,共同特点：核酸既不大量复制，也不大量转录和翻译。,82,83,二、,T,2,噬菌体的基因重组与作图,1,、噬菌体遗传性状分为两类：,形成的噬菌斑形状：,指噬菌斑大小、边缘清晰度、透明程度。,寄主范围：,指噬菌体感染和裂解的菌株范围。,84,2,研究最为广泛的是,T,噬菌体,正常噬菌体,r,+,：,噬菌斑小而边缘模糊。,r,突变体,(rapid lysis,速溶性,),：,噬菌斑大而边缘清楚。,寄主范围突变体：,指能克服噬菌体抗性的突变体。,例：,T,2,h,+,噬菌体：只侵染大肠杆菌,B,株；半透明噬菌斑。,T,2,h,-,突变株：能利用,B,株和,B/2,株；透明噬菌斑。,85,双重感染：,h,-,和,h,+,均能感染,B,株,可用,T,2,的两个亲本,hr,+,和,h,+,r,同时感染,B,株。,h,-,r,+,(,透明，小,),h,+,r,-,(,半透明，大,),同时感染,B,菌株,获得噬菌体子代,亲本型：,h,-,r,+,，,h,+,r,-,重组型：,h,-,r,-,，,h,+,r,+,86,将亲本型和重组型混合子代,感染,混合有,B,和,B/2,菌株的培养基,h,-,r,+,(,亲,),：噬菌斑透明，小、边缘模糊,h,+,r,-,(,亲,),：噬菌斑半透明，大、边缘清楚,h,-,r,-,(,重组,),：噬菌斑透明，小、边缘清楚,h,+,r,+,(,重组,),：噬菌斑半透明，小、边缘模糊,、重组值计算：,重组值,=,重组噬菌斑数,/,总噬菌斑数,100%,=(h,+,r,+,+ h,-,r,-,)/(h,+,r,-,+ h,-,r,+,+ h,+,r,+,+ h,-,r,-,)100%,去掉,%,即可作为图距。,87,4、异核体和杂合二倍体的可能性,只能依赖宿主活细胞的代谢机器，通过核酸复制和蛋白质合成后再装配成完整的病毒颗粒的方式进行繁殖。, 温和性噬菌体: P1和噬菌体。,F因子的存在状态（大肠杆菌）,(供体)trp2+his2+tyr1+trp2-his2-tyr1-(受体),4、突变型与重组型的批量筛选方法,The order of gene transfer in 4 Hfr strains suggesting that the E.,（优选）细菌和病毒的遗传,c系：完全清亮的噬菌斑；,将亲本型和重组型混合子代,三、噬菌体的基因重组与作图：,The order of gene transfer in 4 Hfr strains suggesting that the E.,拟有性过程在细菌和病毒中的研究，为研究真核生物的遗传重组和基因结构，提供了重要的模型。,2、建立纯系的方法纯系培养,、不同的F因子携带细菌的不同基因,Thus, the suggested gene order is,亲本型：h-r+， h+r-,6785/19905=0.,mi系：微小噬菌斑；,混合有B和B/2菌株的培养基,3、选择培养法鉴定突变型与重组型,将A、B混和，在基本培养基(固体)上涂布培养,不同速溶菌的突变型在表现型上不同，可分别写成,r,a,、,r,b,、,r,c,等，用,r,x,-,h,+,r,+,h,-,获得试验结果列于下表：,用,r,x,h,+,r,+,h,杂交所得四种噬菌斑所占比例,分别作出,r,a,、,r,b,、,r,c,与,h,的三个连锁图,:,88,四种可能的基因排列连锁图,:,再做杂交：,r,c,r,b,+,r,c,+,r,b,结果表明,: r,c,r,b,的重组值, r,b,h,h,应位于,r,b,及,r,c,之间，排列顺序,r,c,h,r,b,。,由于,T,2,噬菌体的连锁图是环状的，所以,2,、,3,排列都对。,1,2,3,4,89,将A、B混和，在基本培养基(固体)上涂布培养,lac-(乳糖不发酵),第一节 细菌和病毒遗传研究的意义,一、转化（transformation）,感受态细胞(Competent cell),便于研究基因的作用机理(突变型生长条件与基因作用), 烈性噬菌体：T噬菌体系列(T1T7)；,Further analysis of this gene exchange process in Sahnonella revealed that :,2、转化因子DNA的大小、形态和浓度;, 烈性噬菌体：T噬菌体系列(T1T7)；,戴维斯U型管试验(防止细胞直接接触) 结果也获得野生型重组体，排除由于接合或性导而产生基因重组可能性。,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。,F菌除了有许多与Hfr和F+相同性质外，最大特点是构建部分二倍体菌。,P1噬菌体复制则使每个子细胞中至少含有一个拷贝；,、普遍性转导(General transduction),只有在电子显微镜下才能观察到。,溶菌酶裂解细菌，释放出数百个噬菌体,尾丝固定大肠杆菌，遗传物质注入,(供体)trp2+his2+tyr1+trp2-his2-tyr1-(受体),后代没有出现预期的性状分离现象。,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。,将A、B混和，在基本培养基(固体)上涂布培养,三、,噬菌体的基因重组与作图：,Kaiser,（,1955,）最先进行了,噬菌体的重组作图试验。紫外线照射处理,获,5,个,噬菌体突变系，产生不同噬菌斑：,s,系：小噬菌斑；,mi,系：微小噬菌斑；,c,系：完全清亮的噬菌斑；,co,1,系：中央环之外部分表现清亮的噬菌斑；,co,2,系：更浓密的中央环噬菌斑。,90,