微生物遗传学

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,*,第七章 细菌和病毒的遗传,1,细菌和蓝绿藻,属于原核生物：,一个,线条状,或,环状,染色体,(,单倍体结构,),；,无典型的有丝分裂和减数分裂；,染色体传递和重组方式与真核生物不同。,病毒,：,比细菌更简单；,在寄主细胞内以集团形式产生；,属于只有一条染色体的单倍体。,2,第一节 细菌和病毒遗传研究的意义,1.,大小：,细胞较小、长约,1.2u,m,、宽约,0.5u,m,；,2.,结构：,鞭毛、细胞壁、质膜、间体、核质体、核糖体,3.,遗传物质：,单个主染色体、一个或多个小染色体（质粒）,一、细菌：,3,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,),原则上说，培养皿中每个细菌长成的菌落应具有共同的遗传组成，但是由于偶然发生的突变：形态性状的突变，生理特性的突变或抗性的突变，而使这些突变后的细菌所形成的菌落与其他的菌落有所不同。,菌落形态性状的突变包括：菌落的形状、颜色和大小等。,(,如图，菌落形态性状,),4,4.,涂布和繁殖：,每个细胞在较短时间内,(,如一夜,),能裂殖到,10,7,个子细胞,成为肉眼可见的菌落或克隆,(Clone),。,5,5.,生理特性突变：,.,营养缺陷型：,丧失合成某种营养物质能力，不能在基本培养基上生长；,原养型：,野生菌株则可在基本培养基上生长。,用不同的选择性培养基,测知突变的特性。,.,抗性突变型：,如抗药性或抗感染性。,例如：青霉素,(penr,，,r,代表,resistance),抗性突变的菌落。,6,测定突变的方法,影印法：,黎德伯格等,(Lederberg,和,Lederberg,1952),设计。,Lederberg J., 1958,Nobel,奖获得者，,发现细菌转导和接合,7,培养基中加有,青霉素,抗,青霉素,的菌,生长,8,没有细胞结构，是单倍体，只有一条染色体。,病毒,蛋白质外壳,+,包被在内的核酸。,烟草花叶病毒腺病毒,T4,噬菌体爱滋病病毒,RNA,DNA,DAN,RNA,病毒分类：,寄主：,动物、植物、细菌；,遗传物质：,DNA,或,RNA,。,二、病毒：,9,病毒中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。,感染细菌的病毒又叫噬菌体,(bacteriophage),是目前了解比较清楚的病毒。,噬菌体,对于分子生物学的研究具有非常重要的贡献。,常见几个主要噬菌体的特性质见表,7,1,。,10,11,1,世代周期短：,大肠杆菌,(,E. Coli,)20,分钟可繁殖一代。,2,便于管理和生化分析：,个体小，一般在,1u,至几,u,之间，,因一支试管可以储存数以百万计的细菌和病毒，,操作管理方便。,三、细菌和病毒在遗传研究中的优越性：,3,便于研究基因突变：,裸露的,DNA,分子,(,有的病毒为,RNA,分子,),，易受环境条件的影响而发生突变；单倍体生物，不存在显性掩盖隐性问题，突变均能表现出来。,12,4,便于研究基因的作用：,影印培养，,易检出营养缺陷型突变，有利于从生化角度来研究基因的作用。,5,便于基因重组研究：,细菌具有转化、转导和接合作用，利用这些特性可以进行精密的,遗传学分析。,6.,便于研究基因结构、功能及调控机制：,细菌和病毒的,遗传物质简单，,基因定位、结构分析及其分离易于进行，基因的表达调控也适于用生理生化的方法进行深入的研究。,7.,便于进行遗传操作：,染色体结构简单，,没有组蛋白和其它蛋白的结合，更,宜于进行遗传工程的操作。,13,第二节 噬菌体的遗传分析,1.,结构简单：,蛋白质外壳、核酸、某些碳水化合物、脂肪等。,2.,多样性的原因：,外壳的蛋白质种类、染色体类型和结构的不同。,3.,两大类,(,据噬菌体,DNA,在宿主细菌内的特点,),：,烈性噬菌体：,能引起寄主细胞裂解的噬菌体。,例：,T,噬菌体系列,(T,1,-T,7,),；,温和性噬菌体,:,侵入寄主细胞后，不使寄主细胞裂解的噬菌体。,具容源性的,P,1,和,噬菌体。,一、噬菌体的结构：,14,、烈性噬菌体：,1.,结构大同小异，外貌一般呈蝌蚪状：,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。,T,偶列噬菌体,15,2,T,偶列噬菌体的侵染过程（如,T,4,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,合成大量的噬菌体遗传物质和蛋白质,组装成许多新的子噬菌体,溶菌酶裂解细菌,释放出数百个噬菌体。,16,T,4,噬菌体从大肠杆菌中释放,17,、温和性噬菌体：,例如,和,P1,噬菌体,和,P1,各代表一种略有不同的溶源性类型。,18,.,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。,1.,溶源性的生活周期：,19,.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。,20,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。,原噬菌体,：整合在宿主基因组中的噬菌体。,21,2. P,1,和,噬菌体的特性：,P1,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。,22,第三节 细菌的遗传分析,一、转化（,transformation,）：,概念：,指某些细菌能通过其细胞膜,摄取,周围供体的染色体片段，将此外源,DNA,片段通过,重组,加入自己染色体组的过程。,1928,年，格里费斯,(Griffith F.),在肺炎双球菌中发现转化现象。,1944,年，阿委瑞,(Avery O. T.),成功地进行了肺炎双球菌转化试验；证实遗传物质是,DNA,；转化是细菌交换基因的方法之一。,23,细菌中的大部分的转化工作是用下面,三种细菌完成,的：,肺炎双球菌，枯草杆菌和流感嗜血杆菌。,转化主要分为二个步骤进行,:,(,一,),供体,DNA,与受体细胞间的接触与互作,肺炎双球菌转化：,DNA,片断至少有,800,个碱基对；,枯草杆菌的转化：,DNA,片断至少有,16000,个碱基对。,转化的第一步是使转化,DNA,与受体细菌间的成功地相互作用，这包括：,转化片段的大小、形态、浓度和受体细胞的生理状态。,.,转化片断的大小：,24,.,供体,DNA,分子存在的数目：,对特定基因来说，供体,DNA,分子数目与成功转化有关。,链霉素抗性基因转化：,在每个细胞含有,10,个,DNA,分子之前，,抗性转化体数目一直与,DNA,分子存在数目成正比。,原因：,在细菌的细胞壁或细胞膜上有固定数量的,DNA,接受座位，,故一般细菌摄取的,DNA,分子数,小于,10,个。,受体的生理状态：,受体细胞,必须在生理上,处于感受态,。,这种感受态只能发生在细菌生长周期的,某一时间范围内,，在感受态内，活跃合成的蛋白质的细菌细胞壁多少发生改变而,易于接受转化,DNA,。,25,、,转化,DNA,的摄取和整合过程：,细菌中的转化，包括,供体,DNA,的结合与穿入，联会和整合,。,当细菌处于,感受态,时，外源双链,DNA,分子可结合在受体细胞表面的,接受座位上,。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。,.,结合与穿入：,供体单链,DNA,片段一旦进入细胞，按各个不同的位点与其相应的受体,DNA,片段联会。,.,联会：,单链的转化,DNA,通过与受体,DNA,对应位点的,置换,从而稳定地参入到受体,DNA,中。,整合,(,重组,),：,26,转化动化,27,(,三,),转化和基因重组作图,例如：黎德伯格等用枯草杆菌进行转化和重组试验,DNA,片段进入受体细胞之后，可与受体染色体发生重组。,紧密连锁,的两个基因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。,28,29,Trp2 his2 tyr1,三者并发转化的频率最高，故这,3,个基因是连锁的，,其中,his2,和,tyr1,连锁紧密：,单交换时，染色体开环易降解，故不存在单交换类型；,只有双交换和偶数的多交换才有效的。,30,二、接合（,conjugation,）：,1.,概念：,是指原核生物的遗传物质从,供体,(donor),转移,到,受体,(receptor),内的过程。,特点：,需通过,细胞的直接接触,。,31,B,菌株：,Met+ bio+ thr- leu-,，,需加,苏氨酸,和,亮氨酸,。,不同营养缺陷型的大肠杆菌：,A,菌株：,Met- bio- thr+ leu+,，,需加,甲硫氨酸,和,生物素,。,2,实例：黎德伯格和塔特姆（,1946,年）：,A,菌株和,B,菌株营养缺陷型，不能在基本培养上生长。,A,+,B,菌株混合培养,，在完全培养基上，几小时后离心，涂布基本培养,长出原养型,(Met+bio+ thr+ leu+),菌落。,32,这种原养型细胞如何出现？,转化？,细胞间直接接触而发生遗传物质交换和重组,?,A,、,B,菌株分别培养在基本,培养基上,一边加压和吸引使培养液充分混合,结果任何一臂的培养基上均未长出原养型细菌,。,直接接触,(,接合,),是原养型细胞出现的必要条件。,大分子可通过，细菌不能通过,Hayes(1952),试验证明,：,接合过程是一种,单向,转移，,A,菌株遗传物质,B,菌株，从供体“,donor”,到受体“,receptor”,。,33,F,因子：,致育因子,(,性因子,),，是一种附加体。,携带,F,因子的菌株称为供体菌或雄性，用,F,表示。,未携带,F,因子的菌株为受体菌或雌性，用,F,表示。,、,F,因子及,F,向,F,的转移：,F,因子的组成：,染色体外遗传物质，,环状,DNA,；,40-60,个蛋白质基因；,2-4,个,/,细胞,(,雄性内,),。,34,F,因子的三种状态：,以大肠杆菌为例：,一个自主状态,F,因子，即,F,；, 带有一个整合的,F,因子的细胞叫高频重组细胞，,Hfr,细胞。,没有,F,因子，即,F,；,35,自主状态时,F,因子独立进行分裂。,F,F,：,先形成接合管，,F,因子的,DNA,边转移边复制，,F,细胞,F,细胞。,36,F,因子整合到细菌染色体上,(F,Hfr,细胞,),，,其繁殖与细菌染色体同步进行,。,此时，细菌基因的,重组频率增加,4,倍,以上，因此染色体上整合有,F,因子的菌株，称为,Hfr,菌株,。,、,Hfr,细胞的形成及染色体的转移,：,37,细菌染色体由一小段单链的,F,因子为前导而转移到,F,-,受体,边进入边合成。一般情况下仅小部分细菌染色体能够转入，接合中断,受体细胞仍为,F,，,F,因子仍留在供体内。,38,当,F,因子复制完成后，,F-,变成,F+(,动画,),。,39,部分二倍体中发生交换,:,单数交换,：打开环状染色体，产生一个线性染色体，这种细胞是不能成活的。,偶数交换,：产生可遗传的重组体和片段。,部分二倍体：,当,F,或,Hfr,的细菌染色体进入,F,后，在一个短时期内，,F,细胞内的,某些位点就会成为二倍体的,DNA,。,40,三、性导（,sexduction,）,:,性导：,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。,F,因子整合过程,：,可逆，发生环出时，,F,因子又可重新离开染色体。,41,Adelberg,和,Burns(1959),：,F,因子偶尔在环出时不够准确，会携带出染色体上的一些基因，这种因子称为,F,因子,。,F,因子,携带染色体的节段大小：从一个标准基因到半个细菌染色体。,42,43,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。,携带有与细菌染色体一样的同源区段；而正常,F,因子可在,不同座位,整合。,44,雅科和阿代尔伯格发现：,特殊的,Hfr,菌株能把,lac,+,等位基因,高频率,地转移到,F lac,-,受体之中。,lac,基因位于远端，中断杂交实验中只有,1/1000,重组率,；,由,F,携带,lac+,基因进入受体后可在,lac,位点上形成部分,二倍体,Flac,+,/ lac,-,。,45,性导在大肠杆菌遗传研究中的作用：,每个,F,因子携带有不同大肠杆菌基因，包括全部染色体基因，可以分离出大量的,F,因子，利用不同基因在一起的并发性导的频率来作图；,通过性导产生部分二倍体，确定等位基因位置、显隐性关系提供了重要方法；,.,性导形成的部分二倍体可用作互补测验，确定两个突变类型是否属于同一个基因。,46,1.,概念：,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。,2.,特点：,以噬菌体为媒介,细菌的一段染色体被,错误地包装,在噬菌体的蛋白质外壳内,通过感染转移到另一个受体细胞内。,感染细菌的能力决定于噬菌体的蛋白质外壳。,四、转导（,transduction,）：,47,3.,例如：,黎德伯格与津德（,1951,）发现鼠伤寒沙门氏菌中转导现象。,.,将两个沙门氏菌的营养缺陷型进行杂交：,phe,-,try,-,tyr,-,met,+,his,+,phe,+,try,+,tyr,+,met,-,his,-,混合培养,在基本培养基,发现原养型的菌落,频率为,1/105,不能合成苯丙氨酸、色氨酸和酪氨酸,不能合成甲硫氨酸和组氨酸,48,.,产生上述结果的原因,:,.,是否属于恢复突变,?,高频率的出现不可能是回复突变。,.,是否属于接合、性导,?,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。,49,.,是否属于转化,?,结果表现为不受,DNA,酶的影响,，排除了由于,DNA,片断通过滤片经转化实现基因重组可能性。,.,唯一可能的结论是：这种重组通过一种过滤性因子实现。,这种过滤性因子称为,FA,，不受,DNA,酶的影响。,FA,是一种噬菌体，称为,P,22,，溶源性的。,转导可分为,普遍性转导,和,特殊性转导,两大类。（自学）,50,、普通性转导：,转导颗粒：,把细菌染色体片段,包装在,噬菌体蛋白质外壳内 而产生的,假噬菌体,，其中并不包含噬菌体的遗传物质。,.,作用：,可以转导细菌染色体组的任何不同部分。,51,溶源起始：,在染色体的特定位点整合。,、特殊性转导：,由温和噬菌体进行的转导。,52,2,噬菌体的类型；,烈性噬菌体：,能破坏寄主细胞原有的遗传物质,组,装成许多子噬菌体,使细菌裂解,释放出子噬菌体。,温和性噬菌体：,特点,：,.,核酸不大量复制、转录和翻译，具有溶源性的生活周期；,.,噬菌体能通过交换而整合到细菌染色体上；,.,P1,噬菌体则独立存在于细菌的细胞质内；,.,通过诱导,(,如紫外线,),可转变为烈性噬菌体。,本章小结,1,细菌研究的影印培养法：,53,.,噬菌体的基因重组与作图,:(,不要求,),通过双重感染,两种噬菌体进行杂交,重组的噬菌斑,两基因之间的遗传距离。,3,细菌遗传分析中的基因转移：,四种不同的方式：转化、接合、性导和转导,54,