第五章 细菌和噬菌体的遗传分析

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,*,第五章 细菌和噬菌体的遗传分析,第一节 细菌和病毒遗传研究的意义,一、细菌：,1.,大小,：细胞较小、长约,1,2(1,1/1000mm),、宽约,0.5,；,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,),；,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.,生理特性突变：,.,营养缺陷型：,.,抗性突变型：,二、病毒：,单倍体，仅一条染色体。,病毒构成：蛋白质外壳,+,核酸。,病毒分类：,寄主：动物、植物、细菌等；,遗传物质：,DNA,或,RNA,。,三、细菌和病毒在遗传研究中的优越性：,1,世代周期短：,2,容易找出营养缺陷型,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。,4,便于研究基因的作用,5.,高等动植物具有复杂的体制，比较难以着手研究一些复杂的遗传学问题，例如代谢作用的调控问题等，细菌的体制简单，便于着手，当然在细菌中得到的结论不一定能应用到高等生物中，但是可以得到启发，推动高等生物中这些问题的研究。,第二节 细菌的遗传学分析,一、接合（,conjugation,）：,细菌的杂交试验,A,菌株：,met-bio-,thr,+,leu,+,，需加甲硫氨酸和生物素。,B,菌株：,Met+bio+,thr,-,leu,-,，需加苏氨酸和亮氨酸。,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，涂布基本培养基上，长出原养型,(Met+bio+,thr,+,leu,+),菌落。,是由于转化，还是遗传物质交换和重组,?,接合：,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。,二、大肠杆菌,F,+,、,F,-,、和,Hfr,品系的比较分析,（一）,F,因子的发现,Hayes,实验：大肠杆菌,12,中有两个这样的菌株：,A,菌株：,met,-,bio,-,thr,+,leu,+,thi,+,B,菌株：,met,+,bio,+,thr,-,leu,-,thi,-,str,处理,A +,未处理,B,存活,(,有重组,基本培养基,）,str,处理,B +,未处理,A,无存活,原因解释,：,菌株,A,相当于雄性,，是遗传物质的供体（,donor),，,而菌株,B,相当于雌性,，是遗传物质的受体。所以在含有链霉素的培养基中，,A,strs,菌株,B,strr,菌株这一杂交组合可以得到原养型，原因是供体虽然对链霉素敏感，细胞不能分裂，但并不影响供体的基因转移；受体对链霉素有抗性，所以不影响细胞分裂，也不影响接受外源遗传物质发生重组，从而出现原养型菌落。而反交（,A,strr,菌株,B,strs,菌株）就不能得到原养型，因为受体对链霉素敏感，虽然供体转移遗传物质，但受体细胞不能分裂，所以不能重组成原养型菌落。,结果,:,大肠杆菌中遗传物质的交换不是交互的。事实上，菌株,B,作为遗传物质的,受体,，菌株,A,作为,供体,。,Hayes,的解释：,大肠杆菌的某些品系的雄性或供体是被一个致育因子,或,F,因子决定的。具有这种因子的能育品系记为,F+,，相当于雄性。不含这种致育因子,F,的品系记为,F-,，相当于雌性。,F,因子：,是位于大肠杆菌染色体以外的小环状,DNA,。,F,+,细菌的表面有称作性伞毛与,F,-,细菌接合，伞毛发生改变，成为两细胞间的原生质通道,，形成,细胞质桥或称结合管，,F+,细胞的,F,因子通过接合管向,F,-,细胞转递，使,F,-,变成,F,+,。,（二）,F,因子的结构,F,因子是质粒的一种。,质粒：,是指染色体外的遗传物质。可以自主复制，并在细胞分裂时分配到子细胞中。,特性,：,(1),自主复制,(2),感染,感染性质粒。,质粒中，有的除了可在染色体外自率地增殖外，还可整合到染色体上，成为染色体的一部分，这样的质粒特称为附加体（,episome,）。,F,质粒的结构：,(1),原点，,转移的起点,(2),致育基因：形成性伞毛的基因群，接合管,(3)DNA,复制酶基因,(4),配对区域（插入序列）,insertion sequence,（三）,F+,、,F-,和,Hfr,品系,F,+,F,-,的特点：,(1)F,质粒转移的频率高，,1/10,。,(2),而染色体转移频率低。,10,-7,，使,F-,F,+,F+,品系又称为,低频重组品系,高频重组品系,Hfr,（,high frequency recombination,）,Cavalli,（,1951,）和,Hayes,（,1954,）先后从能育的,F,+,品系,中分离出两个新的品系，它们和,F,-,杂交，出现重组频率很高。比,F,+,F,-,高出,1000,倍。这种品系称为,高频重组品系,Hfr,。,Hfr,的特点,：,(1),高频重组，染色体转移频率高，,1000,(2)F,质粒转移频率低,F,-,变成,F,+,很少或没有。,大肠杆菌,F,因子的三种状态,F,因子及其在杂交中的行为,三、细菌重组的特点,（一）细菌的交换,原核生物的遗传交换是在,一完整的基因组（称为,F,内基因子）与一个不完整的基因组（称为供体外基因子）,之间进行，所以是在,部分二倍体或部分合子间进行,在细菌的重组中，有两个特点,（,1,）只有偶数交换才能产生平衡的重组子,（,2,）相反的重组子不出现，所以在选择培养中只出现一种重组子,四、中断杂交实验与重组作图,（一）中断杂交试验,基因从,Hfr,细胞按次序转入,F-,细胞，可根据基因进入,F-,细胞的时间和次序作成基因图谱。,50,年代，雅科（,Jacob F.,）和沃尔曼（,Wollman,E.,）：,中断杂交试验：发现接合时遗传物质转移是直线进行。,中断杂交试验,Hfr,菌株的基因型：,str,s,azi,r,ton,r,gal,+,lac+leu+thr,+,F-,菌株的基因型：,str,r,azi,s,ton,s,gal,-,lac-leu-thr,-,基因 转入时间（,min,）频率,thr,+,8 100,leu,+,8.5 100,az,s,9 90,Ti,s,11 70,lac,+,18 40,gal,+,25,25,结果,:,不同的基因进入受体细胞时间是不同的。位于前端的基因，首先进入，可以想象，基因间的距离越长，转移的时间间隔越长，因此，可以用基因转移的时间长短、顺序来表示基因在染色体上的图距,即时间作图法。,F+,因子最后转移。,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。,总结：,研究细菌接合过程中基因转移方式的实验方法称为中断杂交实验（,interrupted mating experiment,）。,基本步骤：,接合：,中断接合：,杀死,Hfr,：,检查,F-,菌株所含供体基因：,不同的,Hfr,菌株：,后来的研究还发现，从一个,F+,菌株可以筛选出,不同的,Hfr,菌株,，拿不同的,Hfr,菌株同,F-,菌株进行中断杂交实验，发现它们进入,F-,菌株的基因顺序各不相同。,Hfr,类型,原点,基因转移顺序,HfrH,o,thr,pro,lac,pur,gal,his,gly,thi,1,o,thr,thi,gly,his,gal,pur,lac,pro,2,o,pro,thr,thi,gly,his,gal,pur,lac,3,o,pur,lac,pro,thr,thi,gly,his,gal,AB312,o,thi,thr,pro,lac,pur,gal,his,gly,对于上述现象，只有接受下面的假说，才能得到圆满的解释：,（,1,）大肠杆菌的染色体是闭合环状的。,（,2,）,F,因子可以插入染色体的不同位置。,（,3,）杂交时，环状染色体断裂成线状，并以,F,因子附着的相反一端为原点，向,F,转移。,Hfr1,和,HfrAB312,菌系的中断杂交试验及其连锁图（如下图）：,差异：,不同,Hfr,菌株转移的原点,(O),和转移方向不同。进一步说明了,F,因子和细菌染色体都是环状。,原始,Hfr,菌株,（三）细菌的重组作图,在中断杂交中，根据基因转移的先后次序，以时间为单位求出各基因间的距离，叫做,时间作图法,如果,2,个基因间的转移时间,r,b,h,，所以是,r,c,h,r,b,原来,T2,噬菌体的连锁图也是环状的。,自学：,噬菌体的基因重组与作图,P194,T4,突变的三点测交与作图,P195,三、转导,转导是指通过噬菌体把细菌的基因从一个细菌转移到另一个细菌的过程。,原噬菌体从寄主染色体脱落时可带有寄主染色体上的基因。当它侵染另一菌体时，便将这些基因转移给受体菌而实现转导。,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。,转导现象的发现,黎德伯格与津德（,1951,）在鼠伤寒沙门氏菌研究,LT22,phe-trp-tyr-met+his+,LT2,phe+trp+tyr+met-his-,混合培养,在基本培养基发现原养型的菌落 频率为,1/10,5,原因,:.,是否属于恢复突变,?,.,是否属于接合、性导,?,.,是否属于转化,?,唯一可能的结论是：这种重组通过一种过滤性因子实现。为噬菌体,P22,（溶源性）,转导过程：,（一）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。,.,作用：,可转导细菌染色体组的任何部分。,普遍性转导,2,测定细菌基因间的连锁关系：,任一基因的转导频率：,两个基因同时转导的现象称为,共转导或称并发转导。,两基因共转导频率愈高，表明两个基因连锁愈紧密。,双因子转导实验：,三因子转导实验：,三因子转导分析：,只做一次实验就可推出,3,个基因的次序。,双因子转导分析：,每次观察,2,个基因的转导，通过每两个基因之间的共转导频率就可以确定,3,个基因在染色体的顺序。,例：用,E.coli,P1,噬菌体，,供体,thr,+,leu,+,azi,+,受体,thr,-,leu,-,azi,-,实验,选择的标记基因,未选择的标记基因频率,1,leu,+,50%azir 2%thr+,2,thr,+,3%leu+0%azir,3,leu,+,thr,+,0%azir,用,P1,进行的,E.coli,的转导实验,3,个位点之间的连锁关系：,实验,1,：,2,种可能排列：,azi,leu,thr,leu,azi,thr,实验,2,：肯定,3,个基因的顺序是：,azi,leu,thr,实验,3,：证明这一顺序，因为,leu,+,和,thr,+,片段之间从未携带有,azi,。,完全转导（,complete transduction,）和流产转导,(abortive transduction),（二）局限性转导,有的噬菌体只能转导少数的几个基因,叫做,局限性转导。,例如,E.coli,的入噬菌体，只能转导,gal,和,bio,合成等几个基因。,这是因为,入噬菌体,插入寄主染色体的位置是固定的。总是在基因,gal,和,bio,之间，,当它从染色体上脱落时，可能携带这一小段染色体。,E.Coli,的基因定位,应用,中断杂交技术、重组作图、转化和转导,相结合,细菌非常详细的染色体连锁图谱。,1963,年，,E.coli,已定位近,100,个基因,(,下图,),；,1990,年，定位基因已超过,1400,个；,1997,年完成全部测序：,4639221,对碱基，其功能基因已基本了解。,