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1、第五章 细菌和噬菌体的遗传分析第一节第一节 细菌和病毒遗传研细菌和病毒遗传研究的意义究的意义一、细菌：一、细菌：l1.大大小小：细细胞胞较较小小、长长约约12(11/1000mm)、宽宽约约0.5；l2.结结构构：鞭鞭毛毛、细细胞胞壁壁、质质膜、间体、核质体、核糖体；膜、间体、核质体、核糖体；l3.遗遗传传物物质质：单单个个主主染染色色体体、一一个个或或多多个个小小染染色色体体(质质粒粒)；l4.涂涂布布和和繁繁殖殖：每每个个细细胞胞在在较较短短时时间间内内(如如一一夜夜)能能裂裂殖殖到到107个个子子细细胞胞，成成为为肉肉眼眼可见的菌落或克隆可见的菌落或克隆(clone)。l5.生理特性突变
2、：生理特性突变：l.营养缺陷型：营养缺陷型：l.抗性突变型：抗性突变型：二、病毒：二、病毒：l单倍体，仅一条染色体。单倍体，仅一条染色体。l病病毒毒构构成成：蛋蛋白白质质外外壳壳+核酸。核酸。l病毒分类：病毒分类：寄寄主主：动动物物、植植物物、细细菌菌等；等；遗传物质：遗传物质：DNA 或或 RNA。三、细菌和病毒在遗传研究中的优越性：三、细菌和病毒在遗传研究中的优越性：l1世代周期短：世代周期短：l2 容易找出营养缺陷型容易找出营养缺陷型 l3便于研究基因突变：便于研究基因突变：裸露的裸露的DNA分子分子(有有的病毒为的病毒为RNA分子分子)，易，易受环境条件的影响而发生受环境条件的影响而发
3、生突变；单倍体生物，不存突变；单倍体生物，不存在显性掩盖隐性问题，突在显性掩盖隐性问题，突变均能表现出来。变均能表现出来。l4便于研究基因的作用便于研究基因的作用l5.高等动植物具有复杂的高等动植物具有复杂的体制，比较难以着手研究体制，比较难以着手研究一些复杂的遗传学问题，一些复杂的遗传学问题，例如代谢作用的调控问题例如代谢作用的调控问题等，细菌的体制简单，便等，细菌的体制简单，便于着手，当然在细菌中得于着手，当然在细菌中得到的结论不一定能应用到到的结论不一定能应用到高等生物中，但是可以得高等生物中，但是可以得到启发，推动高等生物中到启发，推动高等生物中这些问题的研究。这些问题的研究。第二节第
4、二节 细菌的遗传学分析细菌的遗传学分析l一、接合（一、接合（conjugation）：）：l细菌的杂交试验细菌的杂交试验 lA菌菌株株：met-bio-thr+leu+，需需加加甲甲硫硫氨氨酸和生物素。酸和生物素。lB菌菌株株：Met+bio+thr-leu-，需需加加苏苏氨氨酸酸和亮氨酸。和亮氨酸。lA菌菌株株和和B菌菌株株营营养养缺缺陷陷型型，不不能能在在基基本本培培养养上上生长。生长。A+B菌株混合培养，在完全培养基上，几菌株混合培养，在完全培养基上，几小时后离心，涂布基本培养基上，长出原小时后离心，涂布基本培养基上，长出原养型养型(Met+bio+thr+leu+)菌落。菌落。是由于转
5、化，是由于转化，还是遗传物还是遗传物质交换和重质交换和重组组?接合：接合：l概概念念：是是指指原原核核生生物物的的遗遗传传物物质质从从供供体体(donor)转移到受体转移到受体(receptor)内的过程。内的过程。l特点：需通过细胞的直接接触。特点：需通过细胞的直接接触。二、大肠杆菌二、大肠杆菌F F+、F F-、和、和HfrHfr品系的品系的比较分析比较分析l（一）（一）F因子的发现因子的发现Hayes实验：大肠杆菌实验：大肠杆菌12中有两个这样的菌株：中有两个这样的菌株：A菌株：菌株：met-bio-thr+leu+thi+B菌株：菌株：met+bio+thr-leu-thi-lstrs
6、tr处理处理A +A +未处理未处理B Bl存活存活 (有重组有重组,基本培基本培养基养基 ）strstr处理处理B +B +未处理未处理A Al无存活无存活 原因解释原因解释：菌株菌株A相当于雄性相当于雄性，是遗传物质的，是遗传物质的供体（供体（donor)，而菌株而菌株B相当于雌性相当于雌性，是遗传，是遗传物质的受体。所以在含有链霉素的培养基中，物质的受体。所以在含有链霉素的培养基中，Astrs菌株菌株 Bstrr菌株这一杂交组合可以得到原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
7、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。外源遗传物质发生重组，从而出现原养型菌落。而反交（而反交（A strr菌株菌株 B strs菌株）就不能得到菌株）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。成原养型菌落。结果结果:l大肠杆菌中遗传物质的交大肠杆菌中遗传物质的交换不是交互的。事实上，换不是交互的。事实上，菌株菌株B
8、B作为遗传物质的作为遗传物质的受体受体，菌株菌株A A作为作为供体供体。lHayesHayes的解释：的解释：大肠杆菌的大肠杆菌的某些品系的雄性或供体是某些品系的雄性或供体是被一个致育因子被一个致育因子或或F F因子决因子决定的。具有这种因子的能定的。具有这种因子的能育品系记为育品系记为F+F+，相当于雄，相当于雄性。不含这种致育因子性。不含这种致育因子F F的的品系记为品系记为F-F-，相当于雌性。，相当于雌性。lF F因子：因子：是位于大肠杆菌染色体以外的小环状DNA。lF F+细菌的表面有称作性伞细菌的表面有称作性伞毛与毛与F F-细菌接合，伞毛发细菌接合，伞毛发生改变，成为两细胞间的生
9、改变，成为两细胞间的原生质通道原生质通道，形成，形成细胞质细胞质桥或称结合管，桥或称结合管，F+F+细胞的细胞的F F因子通过接合管向因子通过接合管向F F-细胞细胞转递，使转递，使F F-变成变成F F+。（二）（二）F因子的结构因子的结构 lF F因子是质粒的一种。因子是质粒的一种。l质粒：质粒：是指染色体外的是指染色体外的遗传物质。可以自主复遗传物质。可以自主复制，并在细胞分裂时分制，并在细胞分裂时分配到子细胞中。配到子细胞中。l特性特性 ：(1)(1)自主复制自主复制 (2)(2)感染感染 感染性质粒。感染性质粒。l质粒中，有的除了可在质粒中，有的除了可在染色体外自率地增殖外，染色体外
10、自率地增殖外，还可整合到染色体上，还可整合到染色体上，成为染色体的一部分，成为染色体的一部分，这样的质粒特称为附加这样的质粒特称为附加体（体（episome）。）。F F质粒的结构：质粒的结构：l(1)(1)原点，原点，转移的起转移的起点点 l(2)(2)致育基因：形成性致育基因：形成性伞毛的基因群，接合伞毛的基因群，接合管管 l(3)DNA(3)DNA复制酶基因复制酶基因 l(4)(4)配对区域（插入序配对区域（插入序列）列）insertion insertion sequence sequence（三）（三）F+、F-和和Hfr品系品系F F+FF-的特点：的特点：l(1)F(1)F质粒转
11、移的频质粒转移的频率高，率高，1/101/10。l(2)(2)而染色体转移而染色体转移频率低。频率低。1010-7-7，使，使F-F-F F+lF+品系又称为低低频重组品系频重组品系高频重组品系高频重组品系HfrHfr（high frequency recombinationhigh frequency recombination）lCavalliCavalli（19511951）和）和HayesHayes（19541954）先后从能）先后从能育的育的F F+品系品系中分离出两中分离出两个新的品系，它们和个新的品系，它们和F F-杂交，出现重组频率很杂交，出现重组频率很高。比高。比F F+F
12、F-高出高出10001000倍。倍。这种品系称为这种品系称为高频重组高频重组品系品系HfrHfr。lHfrHfr 的特点的特点 ：l(1)(1)高频重组，染色体转高频重组，染色体转移频率高，移频率高，1000 1000 l(2)F(2)F质粒转移频率低质粒转移频率低 F F-变成变成F F+很少或没有。很少或没有。大肠杆菌大肠杆菌F F因子的三种状态因子的三种状态 F因子及其在杂交中的行为 三、细菌重组的特点三、细菌重组的特点l（一）细菌的交换（一）细菌的交换原核生物的遗传交原核生物的遗传交换是在换是在一完整的基因一完整的基因组（称为组（称为F内基因子）内基因子）与一个不完整的基因与一个不完整
13、的基因组（称为供体外基因组（称为供体外基因子）子）之间进行，所以之间进行，所以是在是在部分二倍体或部部分二倍体或部分合子间进行分合子间进行在细菌的重组中，有两个特点在细菌的重组中，有两个特点l（1）只有偶数交换才能产生平衡的重组子）只有偶数交换才能产生平衡的重组子l（2）相反的重组子不出现，所以在选择培）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养中只出现一种重组子四、中断杂交实验与重组作图四、中断杂交实验与重组作图（一）中断杂交试验（一）中断杂交试验l基基因因从从Hfr细细胞胞按按次次序序转转入入F-细细胞胞，可可根根据据基基因因进进入入F-细细胞胞的的时时间间和和次次序序作作成基
14、因图谱。成基因图谱。l50年年代代，雅雅科科（Jacob F.）和和沃沃尔尔曼曼（Wollman E.）：）：l中中断断杂杂交交试试验验：发发现现接接合合时时遗遗传传物物质质转转移移是是直直线进行。线进行。中断杂交试验lHfr菌株的基因型：菌株的基因型：strs azirtonrgal+lac+leu+thr+lF-菌株的基因型：菌株的基因型：strrazistonsgal-lac-leu-thr-基因基因 转入时间（转入时间（min）频率频率 thr+8 100 leu+8.5 100 azs 9 90 Tis 11 70 lac+18 40 gal+25 25结果结果:l不同的基因进入受体
15、细不同的基因进入受体细胞时间是不同的。位于胞时间是不同的。位于前端的基因，首先进入，前端的基因，首先进入，可以想象，基因间的距可以想象，基因间的距离越长，转移的时间间离越长，转移的时间间隔越长，因此，可以用隔越长，因此，可以用基因转移的时间长短、基因转移的时间长短、顺序来表示基因在染色顺序来表示基因在染色体上的图距体上的图距,即时间作图即时间作图法。法。F+因子最后转移。因子最后转移。l根据中断杂交的实验，根据中断杂交的实验，以以Hfr基因在基因在F细胞细胞中出现的时间为标准，中出现的时间为标准，可以作出大肠杆菌的可以作出大肠杆菌的连锁遗传图。连锁遗传图。总结：总结：l研究细菌接合过程中基因转
16、移方式的实验方法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（称为中断杂交实验（interrupted mating experiment）。）。l基本步骤：基本步骤：l接合：接合：l中断接合：中断接合：l杀死杀死Hfr：l检查检查F-菌株所含供体基因：菌株所含供体基因：不同的Hfr菌株：后来的研究还发现，从一个后来的研究还发现，从一个F+菌株可以筛选出菌株可以筛选出不同的不同的Hfr菌株菌株，拿不同的，拿不同的Hfr菌株同菌株同F-菌株进菌株进行中断杂交实验，发现它们进入行中断杂交实验，发现它们进入F-菌株的基因菌株的基因顺序各不相同。顺序各不相同。Hfr类型类型原点原点基因转移
17、顺序基因转移顺序HfrHothrprolacpurgalhisglythi1othrthiglyhisgalpurlacpro2oprothrthiglyhisgalpurlac3opurlacprothrthiglyhisgalAB312othithrprolacpurgalhisgly对于上述现象，只有接受下面的假说，才对于上述现象，只有接受下面的假说，才能得到圆满的解释：能得到圆满的解释：l（1 1）大肠杆菌的染色）大肠杆菌的染色体是闭合环状的。体是闭合环状的。l（2 2）F F因子可以插入因子可以插入染色体的不同位置。染色体的不同位置。l（3 3）杂交时，环状染）杂交时，环状染色体断裂
18、成线状，并色体断裂成线状，并以以F F因子附着的相反一因子附着的相反一端为原点，向端为原点，向F F转移。转移。lHfr1和和HfrAB312菌系的菌系的中断杂交试验及其中断杂交试验及其连锁图（如下图）：连锁图（如下图）：差异：差异：不同不同Hfr菌株转菌株转移的原点移的原点(O)和转移方和转移方向不同。进一步说明了向不同。进一步说明了F因子和细菌染色体都因子和细菌染色体都是环状。是环状。原始原始 Hfr菌株菌株（三）细菌的重组作图（三）细菌的重组作图l在中断杂交中，根据基在中断杂交中，根据基因转移的先后次序，以因转移的先后次序，以时间为单位求出各基因时间为单位求出各基因间的距离，叫做间的距离
19、，叫做时间作时间作图法图法l如果如果2个基因间的转移时间个基因间的转移时间rbh，所以是所以是 rchrb l原来原来T2噬菌体的连锁图也是环状的。噬菌体的连锁图也是环状的。自学：自学：l噬菌体的基因重组与作图噬菌体的基因重组与作图P194lT4突变的三点测交与作图突变的三点测交与作图P195三、转导三、转导l转导是指通过噬菌体把转导是指通过噬菌体把细菌的基因从一个细菌细菌的基因从一个细菌转移到另一个细菌的过转移到另一个细菌的过程。程。l原噬菌体从寄主染色原噬菌体从寄主染色体脱落时可带有寄主体脱落时可带有寄主染色体上的基因。当染色体上的基因。当它侵染另一菌体时，它侵染另一菌体时，便将这些基因转
20、移给便将这些基因转移给受体菌而实现转导。受体菌而实现转导。l特点：特点：以噬菌体为媒介以噬菌体为媒介 细菌的细菌的一段染色体被错误地包装一段染色体被错误地包装在噬菌体的蛋白质外壳内在噬菌体的蛋白质外壳内 通过感染转移到另一个受通过感染转移到另一个受体细胞内。体细胞内。转导现象的发现l黎德伯格与津德（黎德伯格与津德（1951）在鼠伤寒沙门氏菌研究）在鼠伤寒沙门氏菌研究lLT22phe-trp-tyr-met+his+LT2phe+trp+tyr+met-his-混合培养混合培养l在基本培养基发现原养型的菌落在基本培养基发现原养型的菌落 频率为频率为1/105 原因原因:.是否属于恢复突变是否属于
21、恢复突变?.是否属于接合、性导是否属于接合、性导?.是否属于转化是否属于转化?唯一可能的结论是：这种重组通过唯一可能的结论是：这种重组通过一种过滤性因子实现。为噬菌体一种过滤性因子实现。为噬菌体P22（溶源性）（溶源性）转导过程：转导过程：（一）普遍性转导l噬菌体噬菌体P22可以转导沙门氏菌染色体组的任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。何不同的部分，因此称为普遍性转导。.作用：作用：可转导细菌染色体组的任何部分。可转导细菌染色体组的任何部分。普遍性转导普遍性转导2测定细菌基因间的连锁关系：任一基因的转导频率：任一基因的转导频率：两个基因同时转导的现两个基因同时转导的
22、现象称为象称为共转导或称并共转导或称并发转导。发转导。两基因共转导频率愈高，两基因共转导频率愈高，表明两个基因连锁愈表明两个基因连锁愈紧密。紧密。l双因子转导实验：双因子转导实验：l三因子转导实验：三因子转导实验：三因子转导分析：三因子转导分析：l只做一次实验就可推出只做一次实验就可推出3个基因的次序。个基因的次序。l双因子转导分析：双因子转导分析：l每次观察每次观察2个基因的转导，通过每两个个基因的转导，通过每两个基因之间的共转导频率就可以确定基因之间的共转导频率就可以确定3个个基因在染色体的顺序。基因在染色体的顺序。例：用例：用E.coliP1噬菌体，噬菌体，l供体供体thr+leu+az
23、i+l受体受体thr-leu-azi-实验实验选择的标记基因选择的标记基因 未选择的标记基因频率未选择的标记基因频率 1leu+50%azir 2%thr+2thr+3%leu+0%azir3leu+thr+0%azir 用用P1进行的进行的E.coli的转导实验的转导实验3个位点之间的连锁关系：l实验实验1：2种可能排列：种可能排列：lazileuthr l leuazi thrl实验实验2：肯定：肯定3个基因的顺序是：个基因的顺序是：lazileuthr实验实验3：证明这一：证明这一顺序，因为顺序，因为leu+和和thr+片段之间片段之间从未携带有从未携带有azi。完全转导（完全转导（co
24、mplete transduction）和流产转导）和流产转导(abortive transduction)（二）局限性转导l有的噬菌体只能转导有的噬菌体只能转导少数的几个基因少数的几个基因,叫做叫做局限性转导。局限性转导。l例如例如E.coli的入噬菌体，的入噬菌体，只能转导只能转导gal和和bio合合成等几个基因。成等几个基因。l这是因为这是因为入噬菌体入噬菌体插插入寄主染色体的位置入寄主染色体的位置是固定的。总是在基是固定的。总是在基因因gal和和bio之间，之间，当当它从染色体上脱落时，它从染色体上脱落时，可能携带这一小段染可能携带这一小段染色体。色体。E.Coli的基因定位l应用应用中断杂交技术、重组作图、转化和转导中断杂交技术、重组作图、转化和转导相结相结合合 细菌非常详细的染色体连锁图谱。细菌非常详细的染色体连锁图谱。l1963年，年，E.coli已定位近已定位近100个基因个基因(下图下图)；l1990年，定位基因已超过年，定位基因已超过1400个；个；l1997年完成全部测序：年完成全部测序：4639221对碱基，其功能对碱基，其功能基因已基本了解。基因已基本了解。