第6章：细菌的遗传分析

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,*,第六章 细菌的遗传分析,重点：转 化、接 合、性 导、转 导,第一节细菌的一般特点,第六章：细菌的遗传分析,一、细菌的细胞与染色体,1,、大小,:,细胞较小、长约,1,2,、,宽约,0.5,；,2,、结构：细胞壁、,质膜、,细胞质及内含物、拟核、核糖体、,鞭毛,；,3.,遗传物质：单个主染色体、一个或多个小染色体,(,质粒,),；,4.,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),后代。,细菌细胞结构模式图,细菌细胞结构解析图,5,、细菌的染色体,E.Coli,DNA,细菌基因组,DNA,由,50,100,个环或结构域组成，各个结构域可保持不同水平的超螺旋,.,分支点,超螺旋,6,、细菌的繁殖方法,大肠杆菌的培养通常用,LB,培养基：,每升培养基含水解酪蛋白,10,克、,NaCl,10,克、,5,克酵母提取物，,pH 7.0,。,制平板用的固体培养基还要加,15,克琼脂粉，然后高压灭菌。,液体培养,:37,，,280-300rpm,。,二：,E.coli,的,突变型及筛选,1,、细菌的突变型,（,1,）、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。,（,2,）、营养缺陷型：,丧失合成某种营养物质的,能力，不能在基本培养基,上生长的突变型；,（,3,）、抗性突变型：,如抗药性或抗感染性。,例如：青霉素（,penr,）,抗性突变的菌落,（,4,）、其它突变型：,耐高温、降解环境污染物、某种物质的产量特高等。,2,、测定突变的方法影印法,黎德伯格等,(,Lederberg J.,和,Lederberg E.M.,1952,),设计,丝绒印在,母板上,吸附细菌,再印在选择,培养基上,链霉素,筛选出抗链,霉素的菌系,挑出单菌落放入,选择性培养基鉴定,Lederberg J.,1958 Nobel,奖获得者，发现细菌转导和接合,3,、细菌的遗传重组方式,一个菌株的,DNA,与另一菌株,DNA,的交换重组,可以通过四种方式实现,：,.,接 合,.,性 导,.,转 化,.,转 导,接合和性导是通过一种叫,F,质粒或,F,因子的介质将供体细菌的,DNA,转移到受体细胞中的。,转导是通过噬菌体将供体细菌的,DNA,转移到受体细胞中的。,三、细菌的质粒,1,、定义：质粒是细菌染色体以外的遗传物质，双链环状,DNA,，,不是细菌正常生长和繁殖所必需，但可以使含有质粒的细菌具有一些独特的生物学特性。,2,、特征：,.,有自我复制的能力：一个质,粒就是一个复制子,紧密型：与染色体同步复制,松弛型：独立复制,.,赋予细菌某些表型,F,质粒：致育性质粒；,R,质粒：耐药性质粒；,Vi,质粒：毒力质粒,;,Col,质粒：细菌素质粒；,代谢质粒。,.,可分为相容性与不相容性两种,相容性：几种质粒共存于一个细菌内；,不相容性：几种质粒不能存于一个细菌内。,.,可自行丢失或人工消除,消除后相应的特性也消失,.,可在细菌间转移,接合、性导等方式,3,、重要的质粒,.,质粒,(,致育质粒,),：是决定大肠杆菌不同菌株细胞间遗传物质转移能力的一种,致育因子,(fertility factor),又叫因子、性因子,(sex factor),。,约为细菌组,DNA,的,2,，,94.5kb,，,其基因组中包括转移、复制和插入等基因簇。,.,耐药性质粒：编码重金属盐类和抗生素的耐受性,包括接合性,(R),耐药性质粒和非接合性耐药性质粒。,.,毒力质粒或,Vi,质粒：编码与致病性有关的致病因子,如大肠埃希菌质粒编码的耐热性肠毒素,(ST),和不耐热性肠毒素,(LT),。,.,细菌素质粒：编码各种细菌素,如大肠杆菌,Col,质粒编码的大肠杆菌素。,.,代谢质粒：编码产生各种相关的代谢酶,如沙门菌发酵乳糖的能力是质粒编码。,他们选择了两个不同营养缺陷型的,E.coli,菌株,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+B,菌株混合培养，在完全培养基上，几小时后离心，洗涤，然后涂布到基本培养基上培养,，,长出了原养型（,Met+bio+,thr,+,leu,+,）,菌落。,第二节：大肠杆菌的性因子和接合,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,一、大肠杆菌的遗传重组现象,大肠杆菌的遗传重组现象图示,A,菌株,met,-,bio,-,thr,+,leu,+,B,菌株,met,+,bio,+,thr,-,leu,-,完全,培养基,完全,培养基,210,8,细胞,210,8,细胞,110,8,细胞,110,8,细胞,完全 培养基,离心洗涤,离心洗涤,离心洗涤,met,+,bio,+,thr,+,leu,+,基本培养基,无菌落,无菌落,基本培养基,基本培养基,频率为,10,-7,二、前述遗传重组的特点,1,、形管实验证明，遗传物质的传递需要细胞的直接接触,A,、,B,两,个菌株分别培养在装基本培养基的,U,形管内，,U,形管底部是细胞不能透过，而,DNA,等大分子能自由进出的隔膜。,不断地加压和吸引使培养液反复混合下培养，结果是两边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。,2,、接合过程是一种单向转移遗传物质的过程,海斯,(Hayes W.,1952),的实验：,首先用高剂量的链霉素处理菌株,1,或菌株,2,（用链霉素处理菌株可以阻碍细菌的分裂，但不杀死它们），,处理过的菌株,1+,未处理过的菌株,2,基本培养基上有存活的菌落,处理过的菌株,2+,未处理过的菌株,1,基本培养基上没有存活的菌落,不是一个交互的过程,证明：,接合过程是一种单向转移,遗传物质的过程。,三、,F,因子,F,因子上具有,40,60,个蛋白质基因,每个,细胞内,2,4,个,F,因子。,F,因子可整合到细菌的基,因组,DNA,上，这样的细菌,叫高频重组,(,Hfr,),品系。,Hayes,等（,1953),发现,供体有一个性因子,(,即,F,因子,):,F,因子是染色体外一种附加体,即环状,DNA(F,质粒,),。,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,因子可从,F,向,F,的转移。,Str,R,就在,F,质粒上。,F,因子结构,致育基因,配对区,原 点,OriT,F,-,F,+,F,F,Hfr,F,-,F,+,从,F,+,到,Hfr,的整合过程,细菌,基因组,F,+,细胞,F,质粒,F,+,质粒的配对区与细菌基因组内一些特定区段相互靠近。,整合,F,+,因子,沿同样路径环出,Hfr,基因组,整合的,F,+,因子,整 合 后,四、细菌的结合示意图,5,F,菌毛,整合管,五、细菌重组的特点,单数交换：打开环状染色体，产生一个线性染色体，这种细胞因没有线性染色体的复制机制而不能成活。,偶数交换：,产生可遗传,的重组子和,一个片段。,一次双交换,只产生,一种重,组子。,六：中断杂交与基因重组,为了证明接合时遗传物质从供体到受体的转移是直线式进行的，,Jacob,和,Wollman,在五十年代设计了一个著名的中断杂交试验。即用,Hfr,菌株与,F,-,菌株混合培养。,Hfr,菌株：,str,S,a,+,b,+,c,+,d,+,对链霉素敏感,F,-,菌株：,str,R,a,-,b,-,c,-,d,-,抗链霉素,实验程序如下,：,1,、基本做法,得到结果是：,在每个时间点取的样中，分别具有,a,+,、,b,+,、,c,+,或,d,+,的,菌落有多少,。,不,同,时,间,取,样,搅,拌,器,中,断,杂,交,稀,释,菌,液,含 完,链 全,霉 培,素 养,的 基,Hfr,菌,株,不,能,繁,殖,长,出,抗,str,菌,落,挑 逐,单 个,菌 培,落 养,鉴,出,定 出,a,+,现,b,+,情,c,+,况,d,+,况,2,、实验原理,Hfr,菌株：苏氨酸,(,thr,+,),、,亮氨酸,(,leu,+,),、,抗叠氮化物,(,azi,r,),、抗,T1,噬菌体,(,ton,r,),、,半乳糖,(gal,+,),、,乳糖,(lac,+,),F,菌株：,thr,、,leu,、,azi,s,、,ton,s,、,gal,、,lac,型。,.8,分钟时,thr,+,进入,F,；,8.5,分钟时,leu,+,进入,F,;,.9,分钟时出现,azi,r,的菌落；,.11,分钟时出现抗噬菌体,T1,的,F,细菌（,ton,r,）；,.18,和,25,分钟时：分别出现乳糖和半乳糖发酵基因，即,lac,+,和,gal,+,进入,F,细胞。,3,、中断杂交实验结果,重组子中各标志基因进入,F,-,细胞中时间不同，达到最高水平的时间也不同；,随时间的推迟，有某个基因的菌落增加；一定程度后，便不再增加。,如：,10,ton,r,首次出现,15,时,40%,、,25,后,80%,Hfr,中的基因是按一定的线性顺序依次进入,F,-,菌株的。,4,、根据中断杂交实验结果绘制遗传图,以,各个基因出现的时间,(,分钟,),为单位，就可作出大肠杆菌的遗传连锁图。,在大肠杆菌中，通过实验知道平均每分钟转移,33kb,以后，还可将连锁图转换为基因组物理图。,5,、环状连锁图,、,用不同,Hfr,菌株进行中断杂交实验，作出环状连锁图，其基因向,F,-,细胞转移的顺序有可能不同：,为什么转移顺序是乱的？,原因是，不同,Hfr,菌株的,F,因子插入的位置和方向不同,!,、不同,Hfr,菌株的,F,因子插入位点,Hfr,H,：,lac,thr,thi,malA,serA,tyrA,his,recA,att,Hfr,H,：,Hfr,H,：,Hfr,H,：,thr,lac,att,recE,his,tyrA,serA,malA,thi,6,、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。,例如，有乳糖不发酵突变体,lac,-,和,腺嘌呤缺陷型,ade,-,两个菌株，这两个紧密连锁基因间的重组作图方法如右图所示。,Hfr,lac,+,ade,+,(str,S,)F,lac,ade,(,str,R,),完全培养基培养,选择性培养基培养,（,不加腺嘌呤，加链霉素）,获得,F,ade,+,菌落,F,ade,+,lac,基因间发生交换,F,ade,+,lac,+,基因间未发生交换,乳糖作碳源,结合的两基因间重组频率,lac,-,ade,+,重组率,=,100%=22%,(,lac,+,ade,+,)+(,lac,-,ade,+,),中断杂交连锁图的每分钟约相当于,20%,的重组值。,lac,+,lac,ade,+,ade,lac,+,lac,ade,+,ade,ade,ade,+,lac,lac,+,片断丢失,片断丢失,ade,ade,+,lac,+,lac,亲本型,重组型,如,这端后,进入受体,一、,F,因子,1,、,概念,第三节：,F,因子与性导,细菌基因组内不止一个整合位点,tsx,ton,lac,+,tsx,ton,lac,+,错位环出,(,偶尔发生,),细菌细胞,仍然具有全,部基因,F,因子,lac,+,Hfr,中的,F,因子偶尔在环出时不够准确,Adelberg,和,Burns(1959),发现,F,因子,。,会,携带出,E.coli,染色体上的一些基因,这种因子称为,F,因子,。,Hfr,lac,+,tsx,ton,lac,+,供体,(,含,F,),lac,+,2,、,F,因子的特点,.F,因子转移基因的频率极高，如同,F,+,因子；,.F,因子自然整合率极高,并且整合在一定的座位上,携带了细菌染色体的同源区段。而正常,F,因子