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1、第七章 细菌和病毒的遗传,第一节 导论 合适材料的选用遗传学的发展一、微生物遗传学 1.概念 2.发展 1940年下列5个方面的工作使之成为独立学科 1）1941年Beadle 营养缺陷型突变体的发现 2）抗性突变 3）细菌重组的发现：1947，Leaderberg，J.（E.coli）Tatum，E.L.4）转化子化学本质的鉴定：1928：Griffith：肺炎双球菌转化 1944：Avery：转化子是DNA 5）噬菌体遗传学研究的发展。,二、微生物作为遗传学研究材料的优越性,第二节 噬菌体的遗传分析,一、噬菌体是一类病毒 病毒（Virus）：超显微、无细胞、活细胞专 性寄生的大分子（微生物
2、）特点：个体小：通过Davis滤器专性寄生：脱离活体无生命，无代谢无细胞：蛋白质DNA（RNA）繁殖方式简单,2.分类：动物：球形、卵圆形 寄主：植物：杆状、丝状 细菌：蝌蚪状 双链DNA：，T2、4、6 单链DNA：X 类，动物病 毒、噬菌体 单链RNA 双链RNA,植物病毒、艾滋病毒,遗传物质：,烟草花叶病毒 腺病毒 T4 噬菌体 爱滋病病毒 RNA DNA DNA RNA,二、噬菌体分类,概念：原指细菌为寄主，后来推广 到真菌的病毒。烈性噬菌体：P2、P4、P6、T系列（T1-T7）2.温和性噬菌体：和P1,1.烈性噬菌体,（1）形态结构（T偶列）,（2）.繁殖和感染周期（营养繁殖：噬菌
3、体DNA不整合；150 噬菌体/Cell）,吸附,细菌裂解释放出子代噬菌体颗粒,细菌染色体降解,蛋白质外壳包装DNA成 子代噬菌体颗粒,2.温和噬菌体:,（1）形态结构,（2）繁殖和感染周期:,吸附,溶菌周期,UV 诱导,细菌裂解,溶源周期,噬菌体,（原噬菌体）,P1噬菌体,几个相关的概念,溶原性：噬菌体外壳蛋白的合成以及溶菌功能受到抑制。溶原性细菌：“携带”原噬菌体的细菌。原噬菌体：溶原性细菌中的噬菌体DNA分子。无外壳；无侵染能力。,噬菌体DNA的插入,att,三、噬菌体遗传的研究方法,获得突变株：处理营养期细菌或者游离噬菌体 四类突变株：1）寄主范围突变株（host range muta
4、nt）2）噬菌斑（plaque mutant）3）温度敏感性：野生型：37C、43 C 均可繁殖 突变型：43ts：仅37 C 繁殖 4）溶菌酶：ee,1）寄主范围突变株（host range mutant）,寄主范围：指噬菌体感染和裂解的菌株范围。某种噬菌体只能侵染某一种菌的个别菌系，突变后寄主范围变宽或变窄。T2：h+噬菌体：只侵染 E.coli B株；h 突变株：E.coli B&B/2,2）噬菌斑突变株（plaque mutant）,噬菌斑形状：噬菌斑的大小、边缘清晰度、透明程度。例如：T噬菌体 rA r1 r r（rapid lysis）rB r13（噬菌斑小、边缘模糊）（速溶型，噬
5、菌斑大、边缘清晰）rC r7 m m 小型（minute）c c 透明（clear）t t 半透明（turbid）,2、杂交试验 双重感染,（1）,E.Coli B,E.Coli BB/2,二点测验,基因型 噬菌斑h+r+半透明、小h-r-透明、大h+r-半透明、大h-r+透明、小重组值 100%,重组型,亲型,1+21+2+3+4,rbrcrbh h在中间rch,（2）三点测验,第三节 细菌的遗传分析,一、细菌遗传的研究方法二、遗传分析转化（Transformation）接合（Conjunction）性导（Sexduction）转导（Transduction）,一、细菌遗传的研究方法,理化诱
6、变：生化突变：lac lac（乳糖）galgal（半乳糖）抗药性：strstr（链霉素）aziazi（叠氮化物）3.抗噬菌体：T2s(+)T2r(-)tonAs tonAr(T1)4.营养缺陷型：ade ade,试验方法：,细菌生活条件：基本培养基（Basal Medium）：无机盐：SO42-、NO3-、Ca2+、Mg2+糖：葡萄糖、蔗糖 维生素：生物素、Vbs完全培养基：BM全部营养物质选择培养基：BM某一种（营养）物质,二、遗传分析,转化（Transformation）（1）发现：1928，Griffith：肺炎双球菌转化实验 1944，Avery：转化子DNA 转化是细菌基因重组的方法
7、之一。（2）概念：细菌吸附游离态的双链DNA，将单链DNA分子吸收进入细胞后，不经过复制整合到细菌染色体中，并发生遗传重组。,（3）转化DNA（转化子）的特点：a.DNA浓度与转化子数目的关系 饱和：50/cell,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。b.DNA片段大小：不能太小：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。c.双链吸附：单链DNA不被转化 d.单链进入细菌。,DNA浓度,转化子数目,（4）受体细胞的特点 a.感受态：DNA合成刚刚停止、蛋白质合成继续活
8、跃，活跃合成的蛋白质可使细菌细胞壁易于接受转化DNA。只有感受态的受体细胞才能摄取并转化外源DNA，而这种感受态也只能发生在细菌生长周期的某一时间范围内。b.感受态的本质：部分原生质化：10/cell 酶受体：,（5）转化过程：双链结合与单链穿入：双链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；单链DNA摄取，不可逆，不受DNA酶破坏。穿入后，由外切酶或DNA移位酶降解其中一条链。联会：DNA片段与细菌染色体部分联会。亲缘关系越远，联会越小、转化可能性越小。整合(重组)：单链的转化DNA与受体DNA对应位点的置换，从而稳定地参入到受体DNA中。,（6）转化成功：感受态、
9、吸附、整合。（7）转化与基因重组作图：,2、接合（Conjugation）,（1）概念：（供体 donor）（受体receptor）,DNA,接触,（2）发现与证实：,a.发现：J.Leaderberg&E.L.Tatum（1946）（营养缺陷型）,b.证实,转化作用的排除：A（杀死）B 或者 AB（杀死）Davis U型管试验 DNase处理回复突变突变的排除：单个基因回复突变频率10-6 两个基因同时回复突变的频率 10-610-610-12 10-8,A,B,可通过：生物大分子、噬菌体不能通过：细菌,（3）F因子：,a.发现1952年：W.Hayes 试验证明：接合过程中，遗传物质单向转
10、移，供体（donor）受体（receptor）1953年：Hayes，Leaderberg&Cavalli：有F因子 无F因子,b.F因子的遗传结构,质粒：旧称附加体，是指 独立于细菌染色体的 可以独立、整合、环出、丢失 含有少量基因的 双链DNA环状分子F 因子(致育因子、性因子)：是一种感染性质粒，由于F因子存在与否决定是否接合，又称为致育因子。F因子的遗传结构：图7-12根据F因子存在的方式，E.Coli 可以分为4种菌株,F,Hfr,F,整合,准确环出,配对、交换,准确环出,丢失,不准确环出,F,F,携带1个基因半条染色体,c.接合过程,F+F F+F+HfrF Hfr+F,复制：滚环
11、模式,d.部分二倍体、交换与遗传重组,cb+a+c+ba,单交换I,降解,（4）.E.coli 染色体的遗传作图,中断杂交实验法：（Wollman&Jacob，1950）,a,b,d,h,g,f,c,e,1,2,3,c,d,e,f,g,h,a,b,1,2,3,c,d,e,f,g,h,a,b,e,f,g,h,a,b,c,d,3,2,1,g,h,a,b,c,d,e,f,f,e,d,c,b,a,h,g,F,Hfr,I,III,II,b,h,g,a,e,f,g,h,d,c,e,f,横座标：接合时间（分钟）纵座标：重组体中Hfr基因的频率。,I II III,根据上图，可以得到直线连锁图；Hfr菌株足够
12、多，可以获得整个E.coli染色体连锁图。例子：,O,thi thr pro lac pur gal his gly thi thr pro lac pur,O,O,O,O,小结（作图步骤）：（1）作直线连锁图，确定基因间距离及其染色体全长（分钟）。（2）画圆，根据染色体全长标示刻度，按照基因间距离标示基因。（3）标示 Hfr 起点、终点、菌株号。,HfrAB312,c.重组作图法：两基因转移时间间距小于2分钟时，中断杂交法的图距不精确，应采用传统的重组作图法。例：紧密连锁二基因:lac-(乳糖不发酵)ade-(腺嘌呤缺陷型),Hfr lac+ade+(Strs)F-lac-ade-(Strr
13、),完全培养基混合培养,基本培养基(无腺嘌呤、加Str),F-ade+菌落,F-ade+lac-，则说明基因间发生交换,F-ade+lac+，则说明未发生交换,加乳糖,基因间重组频率 两个位点间的时间约为1分钟，大约相当于20%的重组值。,3.性导（Sexduction）,概念：接合以F因子为媒介将供体菌染色体DNA转移到受体细菌，形成部分二倍体的过程。,F菌株的突出特点：F因子转移基因的比率极高，如同F+因子的转移比率；F因子的自然整合率极高，但是整合不是随机的，需要 经过配对整合到特定的座位上。,应用：（1）确定基因的显隐性关系（上图）。（2）绘连锁遗传图：原理：F+不同的Hfr 不同的F
14、 距离近的基因容易环 出到同一个F因子上“并发性导”详尽的连锁图.方法：同“并发转导”,4.转导（Transduction）,（1）概念：转导：是指以噬菌体为媒介将供体细菌DNA导 入到受体细菌并发生遗传重组的过程。,1/1000,转导颗粒：溶菌噬菌体末期，噬菌体装配过程中，外壳蛋白识别一定长度的DNA分子，形成成熟的子代噬菌体时，把寄主细菌的DNA片段“错误”地组装到外壳蛋白中而形成。由于感染细菌的能力决定于噬菌体外壳蛋白，所以转导颗粒具有和正常噬菌体相同的侵染能力。转导体：转导颗粒将供体细菌的染色体片段转移到受体细菌，重组后的受体细菌叫作转导体。,（2）发现与证实：黎德伯格（Leaderb
15、urg）与津德（Zinder）（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 phe+try+tyr+met+his+基本培养基（105）证实：a.105 1012（106 106）排除回复突变。b.戴维斯U型管试验(防止细胞直接接触)也获得野生型重组 体。排除由于接合或性导 c.DNase 处理重组体。排除转化。推测：某种过滤性因子（FA）可以穿过DavisU型管滤片。抗血清可 以抑制重组体出现。P22噬菌体。,（3）普遍性转导：,概念 供体细菌染色体组的任何部分都可以组
16、装到转导颗粒中，从而可以转移到受体细菌中。（P1）,b.并发性导（co-transduction）与细菌作图,合转导（并发转导、共转导）：两个基因同时被包装到一个转导颗粒，从而一起重组到受体细菌的染色体上。二因子作图：供体 受体 合转导频率 a+b+a b 30%ab 近 a+c+a c 35%ac 近 a在bc之间 b+c+b c 3%bc 远三因子作图：供体 受体 合转导频率 leu+thr+azi+leu thr azi,实验1：leu azi thr azi leu thr实验2：azi leu thr实验3：最大转导片段,根据合转导频率推导基因之间的物理距离,d基因之间的物理距离（bp，kbp）L转导DNA的平均长度（bp，kbp）X两个基因合转导的频率,（4）特殊性转导：温和性噬菌体进行的转导，只能 转导部分基因。,att,att,N,R,J,A,N R A J,N,R,R,A,J,N,R,A,J,J,A,R,N,J,A,R,N,d gal,bio+,I 噬菌体DNA特异性 整合到细菌染色体。II 噬菌体DNA准确 环出。III 噬菌体DNA不准 确环出特殊性转 导噬菌体的形成。d gal/d bio,d gal E.coli,UV,50%+50%d gal,IV 高频转导（HFT）,N,R,A,J,N,R,J,N R A J,N R A,
