細菌和噬菌體的遺傳分析課件

1、細菌和噬菌體的遺傳分析第五章 細菌和噬菌體的遺傳分析第一節(jié)第一節(jié) 細菌和病毒遺傳研細菌和病毒遺傳研究的意義究的意義細菌和噬菌體的遺傳分析一、細菌：一、細菌：l1.大小大?。杭毎^小、長約：細胞較小、長約12(11/1000mm)、寬、寬約約0.5；l2.結構結構：鞭毛、細胞壁、質(zhì)：鞭毛、細胞壁、質(zhì)膜、間體、核質(zhì)體、核糖體；膜、間體、核質(zhì)體、核糖體；l3.遺傳物質(zhì)遺傳物質(zhì)：單個主染色體、：單個主染色體、一個或多個小染色體一個或多個小染色體(質(zhì)粒質(zhì)粒)；l4.涂布和繁殖涂布和繁殖：每個細胞在：每個細胞在較短時間內(nèi)較短時間內(nèi)(如一夜如一夜)能裂殖能裂殖到到107個子細胞個子細胞 ，成為肉眼，成為肉眼

2、可見的菌落或克隆可見的菌落或克隆(clone)。l5.生理特性突變：生理特性突變：l.營養(yǎng)缺陷型：營養(yǎng)缺陷型：l. 抗性突變型：抗性突變型：細菌和噬菌體的遺傳分析二、病毒：二、病毒：l單倍體，僅一條染色體。單倍體，僅一條染色體。l病毒構成：蛋白質(zhì)外殼病毒構成：蛋白質(zhì)外殼+核酸。核酸。l病毒分類：病毒分類： 寄主：動物、植物、細菌寄主：動物、植物、細菌等；等； 遺傳物質(zhì)：遺傳物質(zhì)：DNA 或或 RNA。細菌和噬菌體的遺傳分析三、細菌和病毒在遺傳研究中的優(yōu)越性：三、細菌和病毒在遺傳研究中的優(yōu)越性：l1世代周期短：世代周期短：l2 容易找出營養(yǎng)缺陷型容易找出營養(yǎng)缺陷型 l3便于研究基因突變：便于研究

3、基因突變：裸露的裸露的DNA分子分子(有有的病毒為的病毒為RNA分子分子)，易，易受環(huán)境條件的影響而發(fā)生受環(huán)境條件的影響而發(fā)生突變；單倍體生物，不存突變；單倍體生物，不存在顯性掩蓋隱性問題，突在顯性掩蓋隱性問題，突變均能表現(xiàn)出來。變均能表現(xiàn)出來。l4便于研究基因的作用便于研究基因的作用l5.高等動植物具有復雜的高等動植物具有復雜的體制，比較難以著手研究體制，比較難以著手研究一些復雜的遺傳學問題，一些復雜的遺傳學問題，例如代謝作用的調(diào)控問題例如代謝作用的調(diào)控問題等，細菌的體制簡單，便等，細菌的體制簡單，便于著手，當然在細菌中得于著手，當然在細菌中得到的結論不一定能應用到到的結論不一定能應用到高等

4、生物中，但是可以得高等生物中，但是可以得到啟發(fā)，推動高等生物中到啟發(fā)，推動高等生物中這些問題的研究。這些問題的研究。細菌和噬菌體的遺傳分析第二節(jié)第二節(jié) 細菌的遺傳學分析細菌的遺傳學分析l一、接合（一、接合（conjugation）：）：l細菌的雜交試驗細菌的雜交試驗 lA菌株：菌株：met- bio- thr+ leu+，需加甲硫氨，需加甲硫氨酸和生物素。酸和生物素。lB菌株：菌株：Met+ bio+ thr- leu-，需加蘇氨酸，需加蘇氨酸和亮氨酸。和亮氨酸。lA菌株和菌株和B菌株營養(yǎng)缺陷菌株營養(yǎng)缺陷型，不能在基本培養(yǎng)上型，不能在基本培養(yǎng)上生長。生長。 細菌和噬菌體的遺傳分析A+B菌株混合

5、培養(yǎng)，在完全培養(yǎng)基上，幾菌株混合培養(yǎng)，在完全培養(yǎng)基上，幾小時后離心，涂布基本培養(yǎng)基上，長出原小時后離心，涂布基本培養(yǎng)基上，長出原養(yǎng)型養(yǎng)型(Met+ bio+ thr+ leu+)菌落。菌落。是由于轉化，是由于轉化，還是遺傳物還是遺傳物質(zhì)交換和重質(zhì)交換和重組組? ?細菌和噬菌體的遺傳分析接合：接合：l概念：是指原核生物的遺傳物質(zhì)從供體概念：是指原核生物的遺傳物質(zhì)從供體(donor)轉移到受體轉移到受體(receptor)內(nèi)的過程。內(nèi)的過程。l特點：需通過細胞的直接接觸。特點：需通過細胞的直接接觸。細菌和噬菌體的遺傳分析二、大腸桿菌二、大腸桿菌F F+ +、F F- -、和、和HfrHfr品系的品

6、系的比較分析比較分析l（一）（一）F因子的發(fā)現(xiàn)因子的發(fā)現(xiàn)Hayes實驗：大腸桿菌實驗：大腸桿菌12中有兩個這樣的菌株：中有兩個這樣的菌株： A菌株：菌株：met-bio-thr+leu+thi+ B菌株：菌株：met+bio+thr-leu-thi-lstrstr處理處理A + A + 未處理未處理B Bl存活存活 ( (有重組有重組,基本培基本培養(yǎng)基養(yǎng)基 ） strstr處理處理B + B + 未處理未處理A Al無存活無存活 細菌和噬菌體的遺傳分析原因解釋原因解釋：菌株菌株A相當于雄性相當于雄性，是遺傳物質(zhì)的，是遺傳物質(zhì)的供體（供體（donor) ，而菌株而菌株B相當于雌性相當于雌性，是遺

7、傳，是遺傳物質(zhì)的受體。所以在含有鏈霉素的培養(yǎng)基中，物質(zhì)的受體。所以在含有鏈霉素的培養(yǎng)基中， Astrs菌株菌株 Bstrr菌株這一雜交組合可以得到菌株這一雜交組合可以得到原養(yǎng)型，原因是供體雖然對鏈霉素敏感，細胞不原養(yǎng)型，原因是供體雖然對鏈霉素敏感，細胞不能分裂，但并不影響供體的基因轉移；受體對鏈能分裂，但并不影響供體的基因轉移；受體對鏈霉素有抗性，所以不影響細胞分裂，也不影響接霉素有抗性，所以不影響細胞分裂，也不影響接受外源遺傳物質(zhì)發(fā)生重組，從而出現(xiàn)原養(yǎng)型菌落。受外源遺傳物質(zhì)發(fā)生重組，從而出現(xiàn)原養(yǎng)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）就不能得到原養(yǎng)型，

8、因為受體對鏈霉素敏感，雖然供體轉移原養(yǎng)型，因為受體對鏈霉素敏感，雖然供體轉移遺傳物質(zhì)，但受體細胞不能分裂，所以不能重組遺傳物質(zhì)，但受體細胞不能分裂，所以不能重組成原養(yǎng)型菌落。成原養(yǎng)型菌落。細菌和噬菌體的遺傳分析結果結果: :l大腸桿菌中遺傳物質(zhì)的交大腸桿菌中遺傳物質(zhì)的交換不是交互的。事實上，換不是交互的。事實上，菌株菌株B B作為遺傳物質(zhì)的作為遺傳物質(zhì)的受受體體，菌株，菌株A A作為作為供體。供體。lHayesHayes的解釋：的解釋：大腸桿菌大腸桿菌的某些品系的雄性或供體的某些品系的雄性或供體是被一個致育因子是被一個致育因子或或F F因因子決定的。具有這種因子子決定的。具有這種因子的能育品系

9、記為的能育品系記為F+F+，相當，相當于雄性。不含這種致育因于雄性。不含這種致育因子子F F的品系記為的品系記為F-F-，相當，相當于雌性。于雌性。lF F因子：因子：是位于大腸桿菌染色體以外的小環(huán)狀DNA。lF F+ +細菌的表面有稱作性傘細菌的表面有稱作性傘毛與毛與F F- -細菌接合，傘毛發(fā)細菌接合，傘毛發(fā)生改變，成為兩細胞間的生改變，成為兩細胞間的原生質(zhì)通道原生質(zhì)通道，形成，形成細胞質(zhì)細胞質(zhì)橋或稱結合管，橋或稱結合管，F(xiàn)+F+細胞的細胞的F F因子通過接合管向因子通過接合管向F F- -細胞細胞轉遞，使轉遞，使F F- -變成變成F F+ +。細菌和噬菌體的遺傳分析（二）（二）F因子的

10、結構因子的結構 lF F因子是質(zhì)粒的一種。因子是質(zhì)粒的一種。l質(zhì)粒：質(zhì)粒：是指染色體外的是指染色體外的遺傳物質(zhì)?？梢宰灾鲝瓦z傳物質(zhì)。可以自主復制，并在細胞分裂時分制，并在細胞分裂時分配到子細胞中。配到子細胞中。l特性特性 ： (1)(1)自主復制自主復制 (2)(2)感染感染 感染性質(zhì)粒。感染性質(zhì)粒。 l質(zhì)粒中，有的除了可在質(zhì)粒中，有的除了可在染色體外自率地增殖外，染色體外自率地增殖外，還可整合到染色體上，還可整合到染色體上，成為染色體的一部分，成為染色體的一部分，這樣的質(zhì)粒特稱為附加這樣的質(zhì)粒特稱為附加體（體（episome）。）。細菌和噬菌體的遺傳分析F F質(zhì)粒的結構：質(zhì)粒的結構：l(1)

11、(1)原點，原點， 轉移的起轉移的起點點 l(2)(2)致育基因：形成性致育基因：形成性傘毛的基因群，接合傘毛的基因群，接合管管 l(3)DNA(3)DNA復制酶基因復制酶基因 l(4)(4)配對區(qū)域（插入序配對區(qū)域（插入序列）列）insertion insertion sequence sequence 細菌和噬菌體的遺傳分析（三）（三）F+、F-和和Hfr品系品系F F+ +F F- -的特點：的特點：l(1)F(1)F質(zhì)粒轉移的頻質(zhì)粒轉移的頻率高，率高，1/101/10。 l(2)(2)而染色體轉移而染色體轉移頻率低。頻率低。1010-7-7，使，使F-F-F F+lF+品系又稱為低低頻

12、重組品系頻重組品系 細菌和噬菌體的遺傳分析高頻重組品系高頻重組品系HfrHfr（high frequency recombinationhigh frequency recombination）lCavalliCavalli（19511951）和）和HayesHayes（19541954）先后從能）先后從能育的育的F F+ +品系品系中分離出兩中分離出兩個新的品系，它們和個新的品系，它們和F F- -雜交，出現(xiàn)重組頻率很雜交，出現(xiàn)重組頻率很高。比高。比F F+ +F F- -高出高出10001000倍。這種品系稱為倍。這種品系稱為高頻高頻重組品系重組品系HfrHfr。lHfr Hfr 的特點的

13、特點 ：l(1)(1)高頻重組，染色體轉高頻重組，染色體轉移頻率高，移頻率高， 1000 1000 l(2)F(2)F質(zhì)粒轉移頻率低質(zhì)粒轉移頻率低 F F- -變成變成F F+ +很少或沒有。很少或沒有。細菌和噬菌體的遺傳分析細菌和噬菌體的遺傳分析大腸桿菌大腸桿菌F F因子的三種狀態(tài)因子的三種狀態(tài) 細菌和噬菌體的遺傳分析F因子及其在雜交中的行為細菌和噬菌體的遺傳分析 三、細菌重組的特點三、細菌重組的特點l（一）細菌的交換（一）細菌的交換 原核生物的遺傳交原核生物的遺傳交換是在換是在一完整的基因一完整的基因組（稱為組（稱為F內(nèi)基因子）內(nèi)基因子）與一個不完整的基因與一個不完整的基因組（稱為供體外基

14、因組（稱為供體外基因子）子）之間進行，所以之間進行，所以是在是在部分二倍體或部部分二倍體或部分合子間進行分合子間進行細菌和噬菌體的遺傳分析在細菌的重組中，有兩個特點在細菌的重組中，有兩個特點l（1）只有偶數(shù)交換才能產(chǎn)生平衡的重組子）只有偶數(shù)交換才能產(chǎn)生平衡的重組子l（2）相反的重組子不出現(xiàn)，所以在選擇培）相反的重組子不出現(xiàn)，所以在選擇培養(yǎng)中只出現(xiàn)一種重組子養(yǎng)中只出現(xiàn)一種重組子細菌和噬菌體的遺傳分析四、中斷雜交實驗與重組作圖四、中斷雜交實驗與重組作圖（一）中斷雜交試驗（一）中斷雜交試驗l基因從基因從Hfr細胞按細胞按次序轉入次序轉入F-細胞，細胞，可根據(jù)基因進入可根據(jù)基因進入F-細胞的時間和次序

15、細胞的時間和次序作成基因圖譜。作成基因圖譜。l50年代，雅科（年代，雅科（Jacob F .）和沃爾曼）和沃爾曼（Wollman E.）：）： l中斷雜交試驗：發(fā)現(xiàn)接中斷雜交試驗：發(fā)現(xiàn)接合時遺傳物質(zhì)轉移是直合時遺傳物質(zhì)轉移是直線進行。線進行。細菌和噬菌體的遺傳分析中斷雜交試驗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 轉入時間（轉入時間（ min） 頻率頻率 thr+ 8 100 leu+ 8.5 100 azs 9 90 Tis 11 7

16、0 lac+ 18 40 gal+ 25 25細菌和噬菌體的遺傳分析細菌和噬菌體的遺傳分析細菌和噬菌體的遺傳分析結果結果:l不同的基因進入受體細不同的基因進入受體細胞時間是不同的。位于胞時間是不同的。位于前端的基因，首先進入，前端的基因，首先進入，可以想象，基因間的距可以想象，基因間的距離越長，轉移的時間間離越長，轉移的時間間隔越長，因此，可以用隔越長，因此，可以用基因轉移的時間長短、基因轉移的時間長短、順序來表示基因在染色順序來表示基因在染色體上的圖距體上的圖距,即時間作圖即時間作圖法。法。F+因子最后轉移。因子最后轉移。l根據(jù)中斷雜交的實驗，根據(jù)中斷雜交的實驗，以以Hfr基因在基因在F細胞

17、細胞中出現(xiàn)的時間為標準，中出現(xiàn)的時間為標準，可以作出大腸桿菌的可以作出大腸桿菌的連鎖遺傳圖。連鎖遺傳圖。細菌和噬菌體的遺傳分析總結：總結：l研究細菌接合過程中基因轉移方式的實驗方法研究細菌接合過程中基因轉移方式的實驗方法稱為中斷雜交實驗（稱為中斷雜交實驗（interrupted mating experiment）。）。l基本步驟：基本步驟： l接合：接合： l中斷接合：中斷接合： l殺死殺死Hfr： l檢查檢查F-菌株所含供體基因：菌株所含供體基因： 細菌和噬菌體的遺傳分析不同的Hfr菌株：后來的研究還發(fā)現(xiàn)，從一個后來的研究還發(fā)現(xiàn)，從一個F+菌株可以篩選出菌株可以篩選出不同的不同的Hfr菌株

18、菌株，拿不同的，拿不同的Hfr菌株同菌株同F(xiàn)-菌株進菌株進行中斷雜交實驗，發(fā)現(xiàn)它們進入行中斷雜交實驗，發(fā)現(xiàn)它們進入F-菌株的基因菌株的基因順序各不相同。順序各不相同。細菌和噬菌體的遺傳分析Hfr類型類型原點原點基因轉移順序基因轉移順序HfrHothrprolacpurgalhisglythi1othrthiglyhisgalpurlacpro2oprothrthiglyhisgalpurlac3opurlacprothrthiglyhisgalAB312othithrprolacpurgalhisgly細菌和噬菌體的遺傳分析對于上述現(xiàn)象，只有接受下面的假說，才對于上述現(xiàn)象，只有接受下面的假說，

19、才能得到圓滿的解釋：能得到圓滿的解釋：l（1 1）大腸桿菌的染色）大腸桿菌的染色體是閉合環(huán)狀的。體是閉合環(huán)狀的。l（2 2）F F因子可以插入因子可以插入染色體的不同位置。染色體的不同位置。l（3 3）雜交時，環(huán)狀染）雜交時，環(huán)狀染色體斷裂成線狀，并色體斷裂成線狀，并以以F F因子附著的相反一因子附著的相反一端為原點，向端為原點，向F F轉移。轉移。lHfr1和和HfrAB312菌系的菌系的中斷雜交試驗及中斷雜交試驗及其連鎖圖（如下其連鎖圖（如下圖）：圖）：細菌和噬菌體的遺傳分析細菌和噬菌體的遺傳分析差異：差異：不同不同Hfr菌株轉菌株轉移的原點移的原點(O)和轉移方和轉移方向不同。進一步說明

20、了向不同。進一步說明了F因子和細菌染色體都因子和細菌染色體都是環(huán)狀。是環(huán)狀。細菌和噬菌體的遺傳分析原始原始 Hfr菌株菌株細菌和噬菌體的遺傳分析（三）細菌的重組作圖（三）細菌的重組作圖l在中斷雜交中，根據(jù)基在中斷雜交中，根據(jù)基因轉移的先后次序，以因轉移的先后次序，以時間為單位求出各基因時間為單位求出各基因間的距離，叫做間的距離，叫做時間作時間作圖法圖法l如果如果2個基因間的轉移時個基因間的轉移時間間rbh， 所以是所以是 rchrb l原來原來T2噬菌體的連鎖圖也是環(huán)狀的。噬菌體的連鎖圖也是環(huán)狀的。細菌和噬菌體的遺傳分析細菌和噬菌體的遺傳分析自學：自學：l噬菌體的基因重組與作圖噬菌體的基因重組

21、與作圖P194lT4突變的三點測交與作圖突變的三點測交與作圖P195細菌和噬菌體的遺傳分析三、轉導三、轉導l轉導是指通過噬菌體把轉導是指通過噬菌體把細菌的基因從一個細菌細菌的基因從一個細菌轉移到另一個細菌的過轉移到另一個細菌的過程。程。 l原噬菌體從寄主染色原噬菌體從寄主染色體脫落時可帶有寄主體脫落時可帶有寄主染色體上的基因。當染色體上的基因。當它侵染另一菌體時，它侵染另一菌體時，便將這些基因轉移給便將這些基因轉移給受體菌而實現(xiàn)轉導。受體菌而實現(xiàn)轉導。l特點：特點：以噬菌體為媒介以噬菌體為媒介 細菌的細菌的一段染色體被錯誤地包裝一段染色體被錯誤地包裝在噬菌體的蛋白質(zhì)外殼內(nèi)在噬菌體的蛋白質(zhì)外殼內(nèi)

22、 通過感染轉移到另一個受通過感染轉移到另一個受體細胞內(nèi)。體細胞內(nèi)。細菌和噬菌體的遺傳分析轉導現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)l黎德伯格與津德（黎德伯格與津德（1951）在鼠傷寒沙門氏菌研究）在鼠傷寒沙門氏菌研究lLT22phe-trp-tyr-met+his+LT2phe+trp+tyr+met-his- 混合培養(yǎng)混合培養(yǎng)l在基本培養(yǎng)基發(fā)現(xiàn)原養(yǎng)型的菌落在基本培養(yǎng)基發(fā)現(xiàn)原養(yǎng)型的菌落 頻率為頻率為1/105 原因原因:.是否屬于恢復突變是否屬于恢復突變? .是否屬于接合、性導是否屬于接合、性導? .是否屬于轉化是否屬于轉化?唯一可能的結論是：這種重組通過唯一可能的結論是：這種重組通過一種過濾性因子實現(xiàn)。為噬菌體一種過濾

23、性因子實現(xiàn)。為噬菌體P22（溶源性）（溶源性） 細菌和噬菌體的遺傳分析轉導過程：轉導過程：細菌和噬菌體的遺傳分析（一）普遍性轉導l噬菌體噬菌體P22可以轉導沙門氏菌染色體組的任可以轉導沙門氏菌染色體組的任何不同的部分，因此稱為普遍性轉導。何不同的部分，因此稱為普遍性轉導。.作用：作用：可轉導細菌染色體組的任何部分?？赊D導細菌染色體組的任何部分。細菌和噬菌體的遺傳分析普遍性轉普遍性轉導導細菌和噬菌體的遺傳分析2測定細菌基因間的連鎖關系：任一基因的轉導頻率：任一基因的轉導頻率：兩個基因同時轉導的現(xiàn)兩個基因同時轉導的現(xiàn)象稱為象稱為共轉導或稱并共轉導或稱并發(fā)轉導。發(fā)轉導。兩基因共轉導頻率愈高，兩基因共

24、轉導頻率愈高，表明兩個基因連鎖愈表明兩個基因連鎖愈緊密。緊密。 l雙因子轉導實驗：雙因子轉導實驗：l三因子轉導實驗：三因子轉導實驗： 細菌和噬菌體的遺傳分析 三因子轉導分析：三因子轉導分析：l只做一次實驗就可推出只做一次實驗就可推出3個基因的次序。個基因的次序。l雙因子轉導分析：雙因子轉導分析：l每次觀察每次觀察2個基因的轉導，通過每兩個個基因的轉導，通過每兩個基因之間的共轉導頻率就可以確定基因之間的共轉導頻率就可以確定3個個基因在染色體的順序?；蛟谌旧w的順序。細菌和噬菌體的遺傳分析例：用例：用E.coliP1噬菌體，噬菌體，l供體供體thr+ leu+ azi+l受體受體thr- leu- azi-細菌和噬菌體的遺傳分析細菌和噬菌體的遺傳分析實驗實驗選擇的標記基因選擇的標記基因 未選擇的標記基因頻率未選擇的標記