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1、遗传学的发展与研究材料密切相关：,性状遗传 植物（豌豆）细胞遗传 果蝇 分子遗传 细菌和病毒 遗传学从细胞水平发展到分子水平的另一个重要原因是对基因的化学和物理结构的深入了解。,细菌和蓝绿藻：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。,E.coli,T4 Phage,第一节 细菌和病毒遗传研究的意义,1.大小：细胞较小、长约1.2um、宽约0.5um；,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）
2、,一、细菌：,细菌的繁殖非常快,在适宜的条件下，每20分钟繁殖一代一个细胞繁殖n代，就有2n-1+1个细胞。一昼夜24小时，72代，271+12.361021,细菌遗传研究的方法：,基本培养基（minimal medium）完全培养基（complete medium）,细菌的表现型：,菌落形态 颜色、大小、边缘状态等营养需求 野生型（prototroph）营养缺陷型（auxotroph）对药物、噬菌体和其他因素的反应 青霉素（penicillin）：pens penr,细菌DNA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。DNA分子无组蛋白与之结合，仅与一
3、些碱性蛋白结合。质粒细菌体内含有的一种染色体外小型环状DNA。携带着决定细菌某些遗传特性的基因，如抗药、产毒、致病、形成芽胞、产生色素或抗生素等的基因。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）。,E.Coli 的拟核,4.涂布和繁殖：每个细胞在较短时间内(如一夜)能裂殖到107个子细胞 成为肉眼可见的菌落或克隆(Clone)。,细菌的平板培养,细菌的稀释培养及菌落,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。
4、,.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。,培养基中加有青霉素,测定突变的方法影印法：黎德伯格等（Lederberg J.和Lederberg E.M.,1952）设计。,Lederberg J.,1958 Nobel奖获得者，发现细菌转导和接合,影印培养法,病毒分类：寄主：动物、植物、细菌等；遗传物质：DNA 或 RNA。,二、病毒：病毒 蛋白质外壳 核酸。,烟草花叶病毒腺病毒T4 噬菌体爱滋病病毒RNA DNADANRNA,噬菌体 bacteriophage，phage,细菌病毒是研究得比较清楚的病毒。噬菌体侵染细菌后在均匀生长的细菌培养板上形成噬菌斑（p
5、laque）。根据噬菌斑的形态和生长特点可以鉴别不同的噬菌体。,噬菌体的分类,按其在宿主细胞中的生活方式分为：温和噬菌体烈性噬菌体,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。,常见几个主要噬菌体的特性质见表。,噬菌体对于分子生物学研究具有重要意义。,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
6、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。,Small summary,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
7、白的结合，更宜于进行遗传工程的操作。,Small summary,第二节 噬菌体的遗传分析,T4 phage的结构模式,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。,一、噬菌体的结构：,3.两大类：烈性噬菌体：能引起寄主细胞裂解的噬菌体。例如：T噬菌体系列（T1T7）；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。例如：P1和噬菌体。,(据噬菌体DNA在宿主细菌内的特点)：,、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；T偶列噬菌体颈部：中空的针状结构及外鞘；尾部：由基板、尾针和尾丝组
8、成。,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。,2.T偶列噬菌体的侵染过程（如T4噬菌体）：,、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。,噬菌体结构,整合有噬菌体基因组的宿主细胞叫做溶源菌，而被整合的噬菌体基因组叫做原噬菌体。,.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 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,1.溶源性噬菌体的生活周期：,噬菌体染色体,大肠杆菌染色体
9、,附着位点,整合酶,.P1噬菌体：不整合到细菌的染色体上，而是独立存在于细胞质内。,仅少数基因活动，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。,溶原性细菌（lysogenic bacterium）,被溶原性噬菌体感染了的细菌。整合在寄主染色体中的噬菌体DNA称为原噬菌体（prophage）。,Small summary,溶源周期裂解周期：,原噬菌体通过诱导（induction）可转变为烈性噬菌体，进入裂解周期。诱导方式：UV、温度改变、与非溶原性细菌接合等。诱导使阻遏物失活，噬菌体的基因表达，进入裂解周期。,Small summary,P1和噬菌体的特性：P1和各代
10、表不同的溶源性类型：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；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：P1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。,Small summary,真核生物有性生殖的本质：遗传物质的交流与重组。细菌和病毒不能进行有性生殖。细菌和病毒的遗传物质也可以传递。这种遗传物质的传递，被称之为拟有性过程。拟有性过程指的是细菌或病毒获取外源遗传物质的方式。,Small summary,细菌和病毒在遗传研究中的优越性,世代周期短易于管理和
11、进行生物化学分析遗传物质比较简单是单倍体，便于研究基因的突变便于遗传操作可用作研究高等生物的简单模型。,Small summary,细菌和病毒的拟有性过程,真核生物有性生殖的本质：遗传物质的交流与重组。细菌和病毒不能进行有性生殖。细菌和病毒的遗传物质也可以传递。这种遗传物质的传递，被称之为拟有性过程。拟有性过程指的是细菌或病毒获取外源遗传物质的方式。,拟有性过程：,当不同的病毒颗粒同时感染一个细菌时，他们在细菌体内可以交换遗传物质，形成重组体。细菌获取外源遗传物质有4种方式：转化（transformation）接合（conjugation）性导（sexduction）转导（transducti
12、on）,第三节 细菌的遗传分析,细菌获取外源遗传物质有4种方式：转化（transformation）接合（conjugation）性导（sexduction）转导（transduction）,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。,转化示意图,转化的两个例子：.用两个带有不同抗性的肺炎双球菌群体混合可以发现带有双抗性的细菌。细菌裂解DNA残留其它细菌摄取转化。.枯草杆菌活细胞表面能分泌DNA，可被其它细胞摄取。,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
13、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,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：,.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
14、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。,、转化DNA的摄取和整合过程：.结合与穿入：DNA分子结合在接受座位上(可逆)，可被DNA酶降解；接受座位饱和性。DNA摄取(不可逆)，不受DNA酶破坏。穿入时，由外切酶或DNA移位酶降解其中一条链。,.联会：按各个位点与其相应的受体DNA片段联会。亲缘关系越远，联会越小、转化的可能性越小。,感受态受体细胞,受体细胞染色体片段,DNA转移酶,转化体,转化体染色体的重组体片段,整合的供体DNA单链与部分互补受体单链配对,整合(重组)：是指单链的转化DNA与受体DNA对应位点的置换稳定地进入到受体DNA。对同源DNA具
15、有特异性。异源DNA，视亲缘关系远近也可发生不同频率整合。,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在同一个DNA片段中同时整合到受体染色体中。,三者并发转化的频率高，故这3个基因是连锁的，其中his2和tyr1连锁最为紧密：,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。,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。,B菌株：Met+bio+thr-leu-，需加苏
16、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。,这种原养型细胞如何出现？,A菌株,B菌株,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。海斯（Hayes W.,1952）证明：接合过程是一种单向转移，A菌株遗传物质 B菌株，
17、从供体（donor）到受体（receptor）。,滤片,大分子可通过，细菌不能通过,U型管的实验（Davis，1950）,A菌株之所以能成为供体，是因为它含有一个性因子（sex factor），又称致育因子（fertility factor），简称 F因子。,F因子及其在杂交中的行为,致育因子细菌染色体外的一个决定细菌性别的共价环状DNA分子，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的菌株，其重组频
18、率比F+高1000多倍。,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；4060个蛋白质基因；24个/细胞(雄性内)。,F 因子的三种状态：（以大肠杆菌为例）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，高频重组细胞。,自主状态时F 因子独立进行分裂。,F 因子的传递：带F 因子的细菌较少。具有F 因子的菌株可以作为供体。F 因子中有形成F性伞毛（F pilus）的基因接合管 F 细胞中的F 因子
19、由接合管向F传递 F受体变成F。,FF：先形成接合管，F因子的DNA边转移边复制，F细胞 F细胞。,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，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：,在Hfr F结合时整合的F因子的复制机器首先活跃起来，在它的一条链中形成切口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。,当F因子复制完成后，F-变成F+,降解,单交换,双交换,受体内基因子,供体外基因子,部分二倍体：当F或Hfr
20、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DNA。,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。,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。,整合,环出,特异重组位点,F因子重组,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。,F因子使
21、细菌带有某些突出的特点：F因子转移基因频率极高，如同F+因子转移频率；F因子自然整合率极高，并且整合在一定的座位上。携带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（随机插入）。,整合的F因子能离开宿主染色体并携带宿主基因,雅各布和阿代尔伯格发现：特殊的Hfr菌株能把lac+等位基因高频率地转移到F lac-受体中。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-。,性导在大肠杆菌遗传研究中的作用：分离出大量F因子（每个F因子携带有不同大肠杆菌基因）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间的显隐性关系；.性
22、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。,相关概念：,F F F Hfr：High frequency recombination F,F因子的形成,接合过程示意图,Hfr菌株的形成及其基因转移,1.概念：指以噬菌体为媒介进行的细菌遗传物质重组，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）：,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
23、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,.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。,.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D
24、NA酶的影响。FA是一种噬菌体，称为P22。,转导可分为普遍性转导和特殊性转导两大类。（自学）,、普遍性转导：,转导颗粒,同源重组,错误包装(1/1000机率),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（不包含噬菌体的遗传物质）。,.作用：可转导细菌染色体组的任何部分。,转导细胞,不正常的环出：携带出部分细菌染色体区段的噬菌体，又叫特殊性转导颗粒。,裂解起始：正常环出。,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。,重组性转导：,再次整合：导致溶源性转导。,特点：转导仅限于靠近原噬菌体附着点的基因。,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(右图)；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。,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：,本章小结,1细菌研究的影印培养法：,.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。,
