細菌遺傳分析-1

1、哈工大哈工大- -遺傳學遺傳學第四章第四章 細菌的遺傳分析細菌的遺傳分析第四章第四章 細菌的遺傳分析細菌的遺傳分析哈工大哈工大- -遺傳學遺傳學第四章第四章 細菌的遺傳分析細菌的遺傳分析一、細菌細胞和基因組一、細菌細胞和基因組哈工大哈工大- -遺傳學遺傳學第四章第四章 細菌的遺傳分析細菌的遺傳分析1. 大小：大?。涸思毎思毎?，長約長約12，寬約，寬約0.5；2. 結構：結構：細胞壁，鞭毛，質膜，核質體，核糖體，細胞壁，鞭毛，質膜，核質體，核糖體，擬核擬核；3. 遺傳物質：遺傳物質：單個主染色體，單個主染色體，裸露，裸露，為為雙鏈環(huán)狀雙鏈環(huán)狀DNA，一個一個 或多個小染色體或多個小染色體

2、(質粒質粒)；4. 繁殖：繁殖：無絲分裂，無絲分裂，約約20分鐘繁殖一代，分鐘繁殖一代，每個細胞能在較短每個細胞能在較短 時間內裂殖到時間內裂殖到107個子細胞，成為肉眼可見的菌落或克??；個子細胞，成為肉眼可見的菌落或克??；(一一)、大腸桿菌（、大腸桿菌（E.coli）的結構特點）的結構特點哈工大哈工大- -遺傳學遺傳學第四章第四章 細菌的遺傳分析細菌的遺傳分析哈工大哈工大- -遺傳學遺傳學第四章第四章 細菌的遺傳分析細菌的遺傳分析( (二二) )、E.coli 在遺傳研究中的優(yōu)越性在遺傳研究中的優(yōu)越性1世代周期短：世代周期短： 20分鐘可繁殖一代；分鐘可繁殖一代；2便于管理和生化分析：便于管

3、理和生化分析：個體小，一般在個體小，一般在1至幾至幾之間，操作管理方便；之間，操作管理方便；哈工大哈工大- -遺傳學遺傳學第四章第四章 細菌的遺傳分析細菌的遺傳分析3便于研究基因突變：便于研究基因突變：裸露裸露的的DNA分子和分子和單倍體單倍體生物生物；4便于研究基因的功能：便于研究基因的功能：影印培養(yǎng)影印培養(yǎng)，易檢出營養(yǎng)缺陷型突變，有利于從生化角，易檢出營養(yǎng)缺陷型突變，有利于從生化角 度來研究基因的作用；度來研究基因的作用；5便于研究基因重組：便于研究基因重組：細菌具有轉化、轉導和接合作用，可以進行精密的細菌具有轉化、轉導和接合作用，可以進行精密的遺遺傳分析傳分析；哈工大哈工大- -遺傳學遺

4、傳學第四章第四章 細菌的遺傳分析細菌的遺傳分析哈工大哈工大- -遺傳學遺傳學第四章第四章 細菌的遺傳分析細菌的遺傳分析二、二、E.coli 突變型及篩選突變型及篩選哈工大哈工大- -遺傳學遺傳學第四章第四章 細菌的遺傳分析細菌的遺傳分析1. 合成代謝功能突變型合成代謝功能突變型： 又稱營養(yǎng)缺陷型，表示：又稱營養(yǎng)缺陷型，表示：Met-, Met+, metA-，metA+ 用各種用各種不完全培養(yǎng)基不完全培養(yǎng)基來篩選來篩選(影印法影印法) 2. 分解代謝功能突變型分解代謝功能突變型: Lac-可由可由lacX- 、lacY- 或或 lacZ- 引起引起 伊紅伊紅-美藍培養(yǎng)基（美藍培養(yǎng)基（EMB培養(yǎng)

5、基培養(yǎng)基）篩選）篩選 3. 抗性突變型：抗性突變型： 用加入抗生素的用加入抗生素的選擇培養(yǎng)基選擇培養(yǎng)基篩選篩選表示：表示： 表型表型Strr或或Strs;基因基因str- -或或str+ +。( (一一) )、大腸桿菌的突變類型、大腸桿菌的突變類型表型表型基因型基因型哈工大哈工大- -遺傳學遺傳學第四章第四章 細菌的遺傳分析細菌的遺傳分析選擇培養(yǎng)法：選擇培養(yǎng)法： 是根據(jù)菌株在是根據(jù)菌株在基本培養(yǎng)基基本培養(yǎng)基和和選擇培養(yǎng)基選擇培養(yǎng)基上的生長表現(xiàn)確上的生長表現(xiàn)確定菌株的突變型，如定菌株的突變型，如原養(yǎng)型原養(yǎng)型和和營養(yǎng)缺陷型營養(yǎng)缺陷型或對某一抗生素的或對某一抗生素的敏感型敏感型和和非敏感型非敏感型(

6、抗性型抗性型)； 影印法：影印法： 將將完全培養(yǎng)基完全培養(yǎng)基上的單菌落同時接種到不同的選擇培養(yǎng)基上的單菌落同時接種到不同的選擇培養(yǎng)基上，可對所有菌落進行選擇培養(yǎng)，鑒定效率高；上，可對所有菌落進行選擇培養(yǎng)，鑒定效率高；(二二)、突變型的篩選、突變型的篩選哈工大哈工大- -遺傳學遺傳學第四章第四章 細菌的遺傳分析細菌的遺傳分析影印法影印法( (抗性突變抗性突變) )萊德伯格等（萊德伯格等（Lederberg J.和和Lederberg E. M., 1952）設計。）設計。人工誘變人工誘變哈工大哈工大- -遺傳學遺傳學第四章第四章 細菌的遺傳分析細菌的遺傳分析完全培養(yǎng)基完全培養(yǎng)基基本培養(yǎng)基基本培養(yǎng)

7、基基本培養(yǎng)基基本培養(yǎng)基+aaB基本培養(yǎng)基基本培養(yǎng)基+aaA印跡印跡影印法影印法( (營養(yǎng)缺陷突變營養(yǎng)缺陷突變) )人工誘變人工誘變哈工大哈工大- -遺傳學遺傳學第四章第四章 細菌的遺傳分析細菌的遺傳分析注意：注意：(1)最初的培養(yǎng)基必須是最初的培養(yǎng)基必須是非選擇性的非選擇性的，即各種突，即各種突變型都能夠在其上生長；變型都能夠在其上生長；(2)必須采用適當?shù)姆椒ㄈ缤坎蓟騽澗€法，以使必須采用適當?shù)姆椒ㄈ缤坎蓟騽澗€法，以使培養(yǎng)物培養(yǎng)物菌落之間要分開菌落之間要分開；!哈工大哈工大- -遺傳學遺傳學第四章第四章 細菌的遺傳分析細菌的遺傳分析接合（接合（conjugation）轉化（轉化（transfo

8、rmation）轉導（轉導（transduction）原核生物遺傳物質轉移的方式：原核生物遺傳物質轉移的方式：哈工大哈工大- -遺傳學遺傳學第四章第四章 細菌的遺傳分析細菌的遺傳分析三、三、E.coli 的接合的接合哈工大哈工大- -遺傳學遺傳學第四章第四章 細菌的遺傳分析細菌的遺傳分析概念：指原核生物的遺傳物質通過概念：指原核生物的遺傳物質通過細胞的直接接觸細胞的直接接觸從從 供體供體(donor)轉移到轉移到受體受體(receptor)內的過程。內的過程。特點：需通過特點：需通過細胞的直接接觸細胞的直接接觸。哈工大哈工大- -遺傳學遺傳學第四章第四章 細菌的遺傳分析細菌的遺傳分析菌株菌株A

9、: met-bio-thr+leu+thi+（需甲硫氨酸和生物素）（需甲硫氨酸和生物素）菌株菌株B: met+bio+thr-leu-thi- （需蘇氨酸，亮氨酸和硫胺）（需蘇氨酸，亮氨酸和硫胺）( (一一) )、大腸桿菌、大腸桿菌“接合接合”的發(fā)現(xiàn)的發(fā)現(xiàn)( (萊德伯格和塔特姆，萊德伯格和塔特姆，1946) )ABAB洗滌洗滌洗滌洗滌洗滌洗滌met+bio+thr+leu+thi+哈工大哈工大- -遺傳學遺傳學第四章第四章 細菌的遺傳分析細菌的遺傳分析U型管實驗型管實驗Davis, 1950 A、B菌株分別培養(yǎng)在基菌株分別培養(yǎng)在基本培養(yǎng)基上本培養(yǎng)基上 一一 邊加壓和吸邊加壓和吸引使培養(yǎng)液充分混

10、合引使培養(yǎng)液充分混合 任何任何一臂的培養(yǎng)基上均未出現(xiàn)原一臂的培養(yǎng)基上均未出現(xiàn)原養(yǎng)型細菌；養(yǎng)型細菌；這種原養(yǎng)型細胞如何出現(xiàn)？這種原養(yǎng)型細胞如何出現(xiàn)？直接接觸直接接觸(接合接合)是原養(yǎng)型是原養(yǎng)型細菌出現(xiàn)的必要條件。細菌出現(xiàn)的必要條件。海斯海斯（Hayes W., 1952）證明）證明：接合過程是一種：接合過程是一種單向單向轉移。轉移。A菌株遺傳物質菌株遺傳物質 B菌株，從供體菌株，從供體(donor)到受體到受體(receptor)。哈工大哈工大- -遺傳學遺傳學第四章第四章 細菌的遺傳分析細菌的遺傳分析菌株菌株A: met-bio-thr+leu+thi+（需甲硫氨酸和生物素）（需甲硫氨酸和生物

11、素）菌株菌株B: met+bio+thr-leu-thi- （需蘇氨酸，亮氨酸和硫胺）（需蘇氨酸，亮氨酸和硫胺）含有鏈霉素含有鏈霉素( (二二) )、大腸桿菌、大腸桿菌“性別性別”的發(fā)現(xiàn)的發(fā)現(xiàn) A Strs B Strr出現(xiàn)原養(yǎng)型菌落出現(xiàn)原養(yǎng)型菌落(10-7)met+bio+thr+leu+thi+抗性相反為什么會導致結果不同抗性相反為什么會導致結果不同 不出現(xiàn)原養(yǎng)型菌落不出現(xiàn)原養(yǎng)型菌落 A Strr B Strs哈工大哈工大- -遺傳學遺傳學第四章第四章 細菌的遺傳分析細菌的遺傳分析正反交結果不同，說明菌株正反交結果不同，說明菌株A和和B在雜交中的作用不同：在雜交中的作用不同：菌株菌株A：相

12、當于相當于雄性，雄性，是遺傳物質的是遺傳物質的供體供體菌株菌株B：相當于相當于雌性，雌性，是遺傳物質的是遺傳物質的受體受體在含有鏈霉素的培養(yǎng)基中：在含有鏈霉素的培養(yǎng)基中： A strs B strr: 供體不能繁殖，但并不影響基因轉移，受體供體不能繁殖，但并不影響基因轉移，受體能能夠進行細胞分裂夠進行細胞分裂，也能接受外源遺傳物質，也能接受外源遺傳物質發(fā)生重組發(fā)生重組，從而，從而出現(xiàn)原養(yǎng)型菌落；出現(xiàn)原養(yǎng)型菌落；A strr B strs: 受體能接受外源遺傳物質發(fā)生受體能接受外源遺傳物質發(fā)生重組重組，但細胞，但細胞不不能分裂能分裂，所以不能重組成原養(yǎng)型菌落；，所以不能重組成原養(yǎng)型菌落；原因解釋

13、：原因解釋：哈工大哈工大- -遺傳學遺傳學第四章第四章 細菌的遺傳分析細菌的遺傳分析( (三三) )、F 因子與高頻重組品系因子與高頻重組品系1. F 因子因子供體和受體的性別差異，是由供體和受體的性別差異，是由F因子因子引起的引起的F 因子：因子：致育因子（性因子），是一種附加體。致育因子（性因子），是一種附加體。 攜帶攜帶F因子的菌株稱為供體菌或雄性，用因子的菌株稱為供體菌或雄性，用F表示。表示。 未攜帶未攜帶F因子的菌株為受體菌或雌性，用因子的菌株為受體菌或雌性，用F表示。表示。F 因子的組成：因子的組成：染色體外遺傳物質，環(huán)狀染色體外遺傳物質，環(huán)狀DNA；4060個蛋白質基因；個蛋白質

14、基因；24個個/細胞細胞(雄性內雄性內)。哈工大哈工大- -遺傳學遺傳學第四章第四章 細菌的遺傳分析細菌的遺傳分析 E.coli 與與F 因子的三種狀態(tài)：因子的三種狀態(tài)：沒有沒有F因子，即因子，即F；一個自主狀態(tài)一個自主狀態(tài)F因子，即因子，即F；一個整合到宿主染色體內的一個整合到宿主染色體內的F因子，即因子，即Hfr。哈工大哈工大- -遺傳學遺傳學第四章第四章 細菌的遺傳分析細菌的遺傳分析(4).(4).F 因子的復制因子的復制F 因子獨立進行復制因子獨立進行復制哈工大哈工大- -遺傳學遺傳學第四章第四章 細菌的遺傳分析細菌的遺傳分析哈工大哈工大- -遺傳學遺傳學第四章第四章 細菌的遺傳分析細

15、菌的遺傳分析哈工大哈工大- -遺傳學遺傳學第四章第四章 細菌的遺傳分析細菌的遺傳分析哈工大哈工大- -遺傳學遺傳學第四章第四章 細菌的遺傳分析細菌的遺傳分析2. 高頻重組品系高頻重組品系(Hfr，High Frequency Recombination) F因子整合到細菌染色因子整合到細菌染色體上（體上（F Hfr細胞），細胞），其其繁殖與細菌染色體同步繁殖與細菌染色體同步;此時，細菌基因的此時，細菌基因的重重組頻率增加組頻率增加104倍倍以上；以上；染色體上整合有染色體上整合有F因子的因子的菌株，稱為菌株，稱為Hfr菌株菌株;哈工大哈工大- -遺傳學遺傳學第四章第四章 細菌的遺傳分析細菌的遺

16、傳分析Hfr F接合時：接合時：(1)(1)F F因子產(chǎn)生缺口；因子產(chǎn)生缺口；(2)(2)細菌染色體由一小段單鏈的細菌染色體由一小段單鏈的F F 因子為前導因子為前導而轉移到而轉移到F F- -受體；受體； (3)(3)邊轉移邊復制；邊轉移邊復制； (4)(4)接合中斷；接合中斷；結果：結果：僅小部分供體菌染色體能僅小部分供體菌染色體能夠轉入受體菌夠轉入受體菌，受體細胞為，受體細胞為F，F(xiàn)因子仍留在供體內。因子仍留在供體內。由于受體帶有一段供體由于受體帶有一段供體DNADNA，因此重組頻率增加因此重組頻率增加!哈工大哈工大- -遺傳學遺傳學第四章第四章 細菌的遺傳分析細菌的遺傳分析部分二倍體中

17、發(fā)生交換部分二倍體中發(fā)生交換:單數(shù)交換單數(shù)交換：打開環(huán)狀染色體，產(chǎn)生一個線性染色體，這種：打開環(huán)狀染色體，產(chǎn)生一個線性染色體，這種細胞是不能成活的。細胞是不能成活的。偶數(shù)交換偶數(shù)交換：產(chǎn)生可遺傳的重組體和片段。：產(chǎn)生可遺傳的重組體和片段。哈工大哈工大- -遺傳學遺傳學第四章第四章 細菌的遺傳分析細菌的遺傳分析細菌重組的特點細菌重組的特點 F F- -受體只接受了部分供體染色體，形成部分二倍體：受體只接受了部分供體染色體，形成部分二倍體： 1)1)只有只有偶數(shù)次的交換偶數(shù)次的交換才能產(chǎn)生平衡的重組子。才能產(chǎn)生平衡的重組子。 2)2)不出現(xiàn)相反的重組子不出現(xiàn)相反的重組子，所以在選擇培養(yǎng)基上只出現(xiàn)一

18、，所以在選擇培養(yǎng)基上只出現(xiàn)一種重組子。種重組子。哈工大哈工大- -遺傳學遺傳學第四章第四章 細菌的遺傳分析細菌的遺傳分析總結：總結：當當F因子處于游離狀態(tài)時，細菌為因子處于游離狀態(tài)時，細菌為F+，當整合到，當整合到 宿主染色體上時即為宿主染色體上時即為Hfr品系。品系。 1)產(chǎn)生產(chǎn)生重組子的頻率不同重組子的頻率不同，HfrF的重組子頻率是的重組子頻率是10-2，而而F+F產(chǎn)生的重組子僅為產(chǎn)生的重組子僅為10-6； 2)F+F的后代常為的后代常為F+，而，而HfrF的后代為的后代為F； 1)都能都能與與F進行雜交進行雜交發(fā)生重組；發(fā)生重組； 2)雜交時都要雜交時都要通過接合管通過接合管和受體菌連

19、接；和受體菌連接；F+ 和和Hfr的相同點是：的相同點是：F+ 和和Hfr的不同點是：的不同點是：F+F的后代為的后代為F+ HfrF的后代為的后代為F 哈工大哈工大- -遺傳學遺傳學第四章第四章 細菌的遺傳分析細菌的遺傳分析上節(jié)課主要內容回顧上節(jié)課主要內容回顧 非順序四分子的遺傳分析方法非順序四分子的遺傳分析方法 RF= 1/2T + 3NPD 細胞的遺傳分析細胞的遺傳分析 重要概念：接合、重要概念：接合、F因子、因子、Hfr哈工大哈工大- -遺傳學遺傳學第四章第四章 細菌的遺傳分析細菌的遺傳分析( (四四) )、中斷雜交與染色體作圖中斷雜交與染色體作圖中斷雜交作圖：中斷雜交作圖：基因距離的

20、單位是基因距離的單位是min而不是而不是cM。1956年，雅各布（年，雅各布（Jacob F.）和沃爾曼（和沃爾曼（Wollman E.）：中斷雜交試驗：中斷雜交試驗：發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)接合時遺傳物質轉移是直線進行。接合時遺傳物質轉移是直線進行。Hfr菌株與菌株與F菌株混合培養(yǎng)。菌株混合培養(yǎng)。Hfr菌株：菌株：strs a+ b+ c+ d+對鏈霉素敏感對鏈霉素敏感F- -菌株：菌株： strr a- - b- - c- - d- - 抗鏈霉素抗鏈霉素不同時間取樣不同時間取樣 攪拌器中斷雜交稀釋攪拌器中斷雜交稀釋 含鏈含鏈含鏈霉素完全培養(yǎng)基殺死含鏈霉素完全培養(yǎng)基殺死Hfr細菌抗細菌抗str細菌細菌菌落影

21、印培養(yǎng)法：鑒定菌落影印培養(yǎng)法：鑒定a+b+c+d+各基因轉移時間。各基因轉移時間。哈工大哈工大- -遺傳學遺傳學第四章第四章 細菌的遺傳分析細菌的遺傳分析實例：實例：供體：供體：Hfr：strs thr leu azir tonr lac gal 受體：受體：F ：strr thr leu azis tons lac galthr+(蘇氨酸蘇氨酸) 、 leu+(亮氨酸亮氨酸) 、 azir(抗疊氮化物抗疊氮化物) 、 tonr(抗抗T1噬菌體噬菌體) 、 lac+(乳糖乳糖) 、 gal+(半乳糖半乳糖)哈工大哈工大- -遺傳學遺傳學第四章第四章 細菌的遺傳分析細菌的遺傳分析8分鐘時：分鐘時

22、：thr+進入進入F - -細胞；細胞；8.5分鐘時：分鐘時：leu+進入進入F - -細胞；細胞； 9分鐘時：出現(xiàn)分鐘時：出現(xiàn)疊氮化物抗性疊氮化物抗性 的菌落；的菌落； 11分鐘時：出現(xiàn)分鐘時：出現(xiàn)抗噬菌體抗噬菌體T1 的的F- -細菌；細菌；18分鐘時：出現(xiàn)分鐘時：出現(xiàn)乳糖發(fā)酵乳糖發(fā)酵基因；基因； 25分鐘時：出現(xiàn)分鐘時：出現(xiàn)半乳糖發(fā)酵半乳糖發(fā)酵基因；基因； 哈工大哈工大- -遺傳學遺傳學第四章第四章 細菌的遺傳分析細菌的遺傳分析標記基因標記基因轉入的時間（分鐘）轉入的時間（分鐘）頻率頻率thr+ 8100(經(jīng)選擇的經(jīng)選擇的)leu+8.5100(經(jīng)選擇的經(jīng)選擇的)azis990tons1

23、170lac+1840gal+2525中斷雜交作圖結果中斷雜交作圖結果以基因出現(xiàn)的以基因出現(xiàn)的時間時間為標準為標準 作出作出E. coli的遺傳連鎖圖的遺傳連鎖圖哈工大哈工大- -遺傳學遺傳學第四章第四章 細菌的遺傳分析細菌的遺傳分析取樣時間取樣時間（分）（分）各非選擇標記的重組頻率各非選擇標記的重組頻率(%)thr+leu+azistonslac+gal+50000010100123001510070310020100887112204010090753830Hfr F- -中斷雜交中不同時間非選擇標記標記的重組率中斷雜交中不同時間非選擇標記標記的重組率哈工大哈工大- -遺傳學遺傳學第四章第

24、四章 細菌的遺傳分析細菌的遺傳分析.各基因的重組頻率隨著時各基因的重組頻率隨著時間的推移而增加，但在一定間的推移而增加，但在一定程度后便不再增加；程度后便不再增加；.各基因進入受體的時間不各基因進入受體的時間不同，重組頻率達到最高的時同，重組頻率達到最高的時間也不同。間也不同。哈工大哈工大- -遺傳學遺傳學第四章第四章 細菌的遺傳分析細菌的遺傳分析Hfr類型類型原點原點基因轉移順序基因轉移順序HfrHOthrprolacpurgalhisglythiHfr1Othrthi glyhis gal purlacproHfr2Oprothrthiglyhisgalpur lacHfr3Opurlacprothrthiglyhisgal用一種大腸桿菌的用一種大腸桿菌的不同不同Hfr菌株菌株進行中斷雜交實驗，作出連進行中斷雜交實驗，作出連 鎖圖，其基因向鎖圖，其基因向F-細胞轉移的細胞轉移的起始基因不同起始基因不同，方向不同方向不同，但，但順順 序相同