第五章 細(xì)菌和噬菌體遺傳

1、第五章 細(xì)菌和噬菌體遺傳n動物、植物等真核生物的遺傳規(guī)律n遺傳學(xué)三大定律：n分離定律n自由組合定律n連鎖交換定律n依賴有絲分裂及減數(shù)分裂過程n細(xì)菌、噬菌體等低等生物沒有有絲分裂及減數(shù)分裂過程，其遺傳規(guī)律具有特殊性n1940-1960 period of microbial geneticsn細(xì)菌包括真細(xì)菌和古細(xì)菌。形態(tài)多種多樣，主要有桿菌、球菌、螺旋菌等。n基本結(jié)構(gòu)包括：細(xì)胞壁、細(xì)胞膜、擬核、核糖體、細(xì)胞質(zhì)及內(nèi)含物，有些細(xì)菌具有鞭毛。n遺傳物質(zhì)包括一條主染色體，通常為環(huán)形雙鏈DNA分子，另外包含一個或多個小染色體（質(zhì)粒）1-5m長，0.5-1 m寬直徑0.5-1 m1-50m長，0.5-1 m

2、寬n病毒是由蛋白質(zhì)外殼和核酸組成的非細(xì)胞生物，在體外以無生命的化學(xué)大分子狀態(tài)存在。n依據(jù)宿主的不同可以分為植物病毒、動物病毒和細(xì)菌病毒，細(xì)菌病毒又稱為噬菌體（phage）n遺傳物質(zhì)為DNA或RNAn噬菌體核酸多為DNA，植物病毒核酸多數(shù)為RNA，動物病毒核酸部分為DNA，部分為RNA細(xì)菌和病毒在遺傳研究中的優(yōu)越性n世代周期短： 大腸桿菌（E.coli）20分鐘可繁殖一代n便于管理和生化分析 個體小，一般在1至幾個之間，操作管理方便n便于研究基因突變 裸露的DNA分子，容易受環(huán)境條件的影響而發(fā)生突變；單倍體生物，不存在顯隱性問題n便于研究基因的作用 影印培養(yǎng)，易檢出營養(yǎng)缺陷型突變，有利于從生化角

3、度研究基因的作用n便于研究基因重組 細(xì)菌具有轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)導(dǎo)和接合作用，可以進(jìn)行精密的遺傳分析n便于研究基因結(jié)構(gòu)、功能及調(diào)控機(jī)制 細(xì)菌和病毒遺傳物質(zhì)簡單，易于進(jìn)行基因定位、結(jié)構(gòu)分析和分離，基因的表達(dá)調(diào)控也適于采用生理生化的方法進(jìn)行深入研究n便于進(jìn)行遺傳操作 染色體結(jié)構(gòu)簡單，沒有組蛋白和其它蛋白的結(jié)合，更宜于進(jìn)行遺傳工程的操作第一節(jié) 細(xì)菌與噬菌體的突變型n細(xì)菌的突變型：細(xì)菌的突變型：合成代謝突變型：合成代謝突變型：也稱為營養(yǎng)缺陷型，即喪失合成某種營養(yǎng)物質(zhì)的能力，不能在基本培養(yǎng)基上生長；原養(yǎng)型：原養(yǎng)型：野生菌株可以在基本培養(yǎng)基上生長如Met-、Thi-、Pur-分別表示這些突變株系需要甲硫氨酸（meth

4、ionine）、硫胺(thiamin)和嘌呤(purine)分解代謝突變型：分解代謝突變型：如Lac-菌株不能分解乳糖，無法在以乳糖為唯一碳源的基本培養(yǎng)基中生長。抗性突變型：抗性突變型：包括抗藥突變型和抗噬菌體突變型如Strr表示對鏈霉素抗性表型，Strs表示對鏈霉素敏感T1r表示菌株對T1噬菌體表現(xiàn)抗性n細(xì)菌突變型篩選：細(xì)菌突變型篩選：噬菌體突變型n 噬菌斑突變型噬菌斑突變型：如T2、T4噬菌體的r-突變體 正常噬菌體，r+，產(chǎn)生的菌斑小而邊緣模糊 突變噬菌體，r-，產(chǎn)生的菌斑大兩倍而邊緣清晰n宿主范圍突變體宿主范圍突變體： T2噬菌體的h-突變體正常噬菌體，h+，只能以大腸桿菌B株為宿主突

5、變噬菌體，h-，能以B株和B/2株為宿主n 條件致死突變體條件致死突變體： 溫度敏感突變體，ts 抑制因子敏感突變體，sus（UAG、UAA、UGA） 在含有抑制基因su+的宿主中可產(chǎn)生后代 在su-宿主中不能產(chǎn)生后代第二節(jié) 細(xì)菌的遺傳重組接合（conjugation）細(xì)菌的雜交試驗1946年，J.Lederberg的大腸桿菌雜交試驗：材料：大腸桿菌(E.coli)K12菌株的兩個營養(yǎng)缺陷型品系：菌株A甲硫氨酸缺陷型met-和生物素缺陷型bio-；菌株B蘇氨酸缺陷型thr-、亮氨酸缺陷型leu-、硫胺缺陷型thi-原養(yǎng)型出現(xiàn)頻率10-7n幾種可能性：n1. 某個菌株發(fā)生基因突變n2. AB菌株

6、合成產(chǎn)物互相供給（互養(yǎng)）n3. 轉(zhuǎn)化n4. 兩個菌株發(fā)生遺傳重組細(xì)菌自然突變概率大約10-6，兩個基因同時突變概率10-12，遠(yuǎn)低于實際觀察到的頻率，不可能是由突變造成的原養(yǎng)型是怎樣產(chǎn)生的？U型管試驗結(jié)論：1.野生型不是互養(yǎng)或轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的2.兩菌株細(xì)胞的直接接觸對野生型產(chǎn)生是必要的3.AB兩菌株進(jìn)行了重組基本培養(yǎng)基不生長基本培養(yǎng)基不生長鏈霉素處理A菌B菌完全培養(yǎng)基培養(yǎng)洗滌離心基本培養(yǎng)基重組體未減少鏈霉素處理B菌A菌完全培養(yǎng)基培養(yǎng)洗滌離心基本培養(yǎng)基無重組體產(chǎn)生鏈霉素不阻止遺傳物質(zhì)轉(zhuǎn)移和復(fù)制，但是可以阻止細(xì)胞分裂該實驗說明細(xì)菌接合過程中遺傳物質(zhì)的轉(zhuǎn)移是單向的，即遺傳物質(zhì)從遺傳物質(zhì)從A株轉(zhuǎn)移到了株轉(zhuǎn)移

7、到了B株株。A為雄性菌株，B為雌性菌株細(xì)菌的性別F因子（F factor）n雄性菌株中存在F因子，介導(dǎo)遺傳物質(zhì)轉(zhuǎn)移q細(xì)菌染色體外的一個決定細(xì)菌雄性性別的共價環(huán)狀DNA分子，稱為致育因子致育因子 (fertility factor)，又稱為F因子或F質(zhì)粒。大小大約是細(xì)菌染色體的2%F因子結(jié)構(gòu)原點（原點（origin）：）：轉(zhuǎn)移的起點致育基因（致育基因（fertility gene）:使其具有感染性，一些基因控制菌毛（接合管）生成配對區(qū)（配對區(qū)（pairing region）：）：包含與細(xì)菌染色體同源配對及整合所需序列F+F-能使F-變成F+，細(xì)菌的遺傳重組頻率很低遺傳重組頻率很低F因子雙鏈DNA

8、分子中一條鏈打開一個缺口，該鏈從5端開始進(jìn)入F-細(xì)胞，在F-中復(fù)制形成一個完整的F因子Hfr品系（High Frequency Recombination）Hfr品系：品系：含F(xiàn)因子菌株與F-細(xì)胞接合后可以將供體染色體的一部分或全部傳遞給F-受體，重組頻率高達(dá)10-2以上，稱為高頻重組品系（Hfr）F因子整合到細(xì)菌染色體上，伴隨著細(xì)菌染色體的復(fù)制同步增殖。n附加體附加體：F因子既可以以游離狀態(tài)存在于細(xì)胞內(nèi)，也可以整合到細(xì)菌的染色體上，稱為附加體HfrF-致育基因在最后，很難進(jìn)入受體細(xì)胞，不能使F-變成F+，細(xì)菌的遺傳重組頻率很高F 因子和Hfr的關(guān)系部分二倍體n部分二倍體部分二倍體（parti

9、cal diploid）：既帶有自身完整的基因組，又有外源DNA片段的細(xì)胞，也稱為部分合子（merozygote）。 部分二倍體中發(fā)生交換：單數(shù)交換：打開環(huán)狀染色體，產(chǎn)生一個線性染色體，這種細(xì)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細(xì)菌部分二倍體的形成方式轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)導(dǎo)轉(zhuǎn)導(dǎo)接合接合接合（conjugation）接合過程由性纖毛介導(dǎo)，需要靜止轉(zhuǎn)化（transformation）外源DNA片段被細(xì)菌吸附，單鏈進(jìn)入細(xì)菌細(xì)胞并與細(xì)菌染色體發(fā)生重組轉(zhuǎn)化：細(xì)菌細(xì)胞攝取周圍游離的外源DNA片段，通過同源區(qū)段的交換而實現(xiàn)基因重組必須是感受態(tài)細(xì)胞轉(zhuǎn)導(dǎo)（transduction）噬菌體頭部可能會

10、包裹進(jìn)細(xì)菌的部分DNA，再侵染另外的細(xì)菌時介導(dǎo)了DNA的轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)導(dǎo)：以噬菌體為載體將遺傳信息從一個細(xì)菌細(xì)胞傳遞到另一個細(xì)菌細(xì)胞，包括普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)和特異性轉(zhuǎn)導(dǎo)細(xì)菌遺傳重組與高等生物的不同n高等生物的遺傳重組在兩個完整的染色體之間進(jìn)行，而細(xì)菌的遺傳重組在完整的染色體和DNA片段之間進(jìn)行n高等生物中遺傳重組產(chǎn)生一對相反的重組子，而細(xì)菌中遺傳重組不產(chǎn)生相反的重組子n高等生物單交換產(chǎn)生重組，細(xì)菌中雙交換產(chǎn)生重組中斷雜交實驗1957年E.Wollman和E.Jacob設(shè)計完成中斷雜交作圖：指在HfrF-雜交中，把接合中的細(xì)菌在不同時間取樣，攪拌中斷雜交，分析受體菌基因型，以Hfr基因出現(xiàn)在F-中的先后順序，以

11、轉(zhuǎn)移時間為圖距單位進(jìn)行基因作圖的方法用一種大腸桿菌的不同Hfr菌株進(jìn)行中斷雜交實驗，作出連鎖圖，其基因向F-細(xì)胞轉(zhuǎn)移的順序不同轉(zhuǎn)移的順序是不是隨機(jī)的？比如：thr thi gly大腸桿菌K12菌株部分遺傳圖，整個環(huán)狀基因組約100min重組作圖n兩基因轉(zhuǎn)移時間間距小于2min時，中斷雜交法的圖距不夠精確，應(yīng)采用重組值測定nHfr（lac+ade+strs）F- (lac-ade-strr)已知ade+在lac+之后進(jìn)入F-將兩型細(xì)菌混合互作60min，在含str無ade的選擇培養(yǎng)基上篩選ade+菌株，菌落克隆影印至伊紅美藍(lán)培養(yǎng)基確定其乳糖基因型，計算lac與ade的重組值例：兩個緊密連鎖基因：

12、lac-（乳糖不發(fā)酵）ade-（腺嘌呤缺陷型）粉紅色菌落：lac-紫紅色菌落：lac+5215Rf(ade-lac)=lac-ade+lac-ade+lac+ade+=1515+52100%=22%1min大約相當(dāng)于20%重組值大腸桿菌染色體全長100min，約2000cM，1cM=2000bpF ：Hfr菌株的F因子不正常環(huán)出，可能會包含部分細(xì)菌的染色體片段，稱為F因子F F-能使F-變成F，細(xì)菌的遺傳重組頻率很高HfrF性導(dǎo)（sexduction）：利用F因子將供體細(xì)胞基因?qū)胧荏w形成部分二倍體的過程稱為性導(dǎo)nF-菌株：缺乏F因子nF+菌株：具有游離的F因子nHfr菌株：F因子整合到宿主染

13、色體上nF菌株：含帶有部分宿主染色體的游離F因子三種致育因子的關(guān)系nF+F-：能使F-變成F+，細(xì)菌的遺傳重組頻率很低nHfrF-:不能使F-變成F+，細(xì)菌的遺傳重組頻率很高nFF-:能使F-變成F, 所攜帶細(xì)菌基因的遺傳重組頻率很高n烈性噬菌體（virulent phage）q侵入宿主細(xì)胞后，利用宿主細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)進(jìn)行自身遺傳物質(zhì)和蛋白質(zhì)的合成，組裝出子噬菌體，使宿主細(xì)胞裂解而釋放子噬菌體，這類噬菌體稱為烈性噬菌體烈性噬菌體。T系列噬菌體系列噬菌體第三節(jié) 噬菌體的遺傳分析烈性噬菌體侵染過程n溫和噬菌體（temperate phage）：q侵入后并不使細(xì)菌裂解，而是以原噬菌體或質(zhì)粒的形式存在的一

14、類噬菌體稱為溫和性噬菌體。 P1 噬菌體噬菌體q溫和噬菌體侵染宿主菌后僅有少數(shù)基因活動，表達(dá)出阻遏物關(guān)閉其它基因從而使該噬菌體不具有感染能力。這種無感染能力的噬菌體稱為原原噬菌體噬菌體 (prophage)q原噬菌體經(jīng)誘導(dǎo)可轉(zhuǎn)變?yōu)榱倚允删wn溶源菌：溶源菌：含有溫和噬菌體的寄主細(xì)菌稱為溶源菌n溶源免疫：溶源免疫：含有原噬菌體的細(xì)菌具有抵抗同種噬菌體超感染的能力，稱為溶源免疫溫和噬菌體的溶菌周期和溶源周期溫和噬菌體的溶菌周期和溶源周期合子誘導(dǎo)（zygotic induction）n雅可布和沃爾曼（1956年）發(fā)現(xiàn)了合子誘導(dǎo)合子誘導(dǎo)現(xiàn)象。n含有原噬菌體（）的HfrF 很難得到重組子，而HfrF（）

15、或Hfr（）F（）卻可以得到重組子。n這是由于在Hfr（）F的雜交中，原噬菌體進(jìn)入無阻遏物的受體細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行大量復(fù)制使受體細(xì)胞裂解，因此不易得到重組子，此現(xiàn)象就稱為合子合子誘導(dǎo)誘導(dǎo)。 利用合子誘導(dǎo)可以確定噬菌體在細(xì)菌染色體上的整合位點Hfr () F無重組子Hfr F() 有重組子Hfr () F () 有重組子噬菌體基因重組T2噬菌體突變型快速溶菌突變型：正常噬菌體，r+，產(chǎn)生的菌斑小而邊緣模糊突變噬菌體，r-，產(chǎn)生的菌斑大兩倍而邊緣清晰宿主范圍突變體：正常噬菌體，h+，只能以大腸桿菌B株為宿主突變噬菌體，h-，能以B株和B/2株為宿主h+r+：產(chǎn)生半透明的小菌斑h(yuǎn)-r+：產(chǎn)生透明的小菌斑h(yuǎn)

16、+r-：產(chǎn)生半透明的大菌斑 h-r-：產(chǎn)生透明的大菌斑%100)(總噬菌斑數(shù)重組噬菌斑數(shù)重組值 Rf h+r-h-r+ 接種在同時長有B和B/2 株的培養(yǎng)基上 h+r- h-r+ h+r+ h-r- 半透明，大 透明，小 半透明，小 透明，大h+r- h-r- h+r+ h-r+(透明，小)(半透明，大)T4噬菌體重組測驗與基因結(jié)構(gòu)分析類型不同大腸桿菌菌斑平板上表型BK()S野生型小噬菌斑小噬菌斑小噬菌斑rI大噬菌斑大噬菌斑大噬菌斑rII大噬菌斑無噬菌斑（致死）小噬菌斑rIII小噬菌斑大噬菌斑大噬菌斑T4噬菌體野生型和突變型的區(qū)別重組子r47r104不能生長，無法檢出，但其頻率與+相等%100

17、總噬菌斑數(shù)2rII+噬菌斑數(shù)重組值2K()菌株噬菌斑數(shù)B菌株噬菌斑數(shù)100%兩種rII突變型雙重感染重組T4染色體染色體rII區(qū)精細(xì)重組圖區(qū)精細(xì)重組圖n轉(zhuǎn)導(dǎo)：轉(zhuǎn)導(dǎo)：指以噬菌體為媒介進(jìn)行的細(xì)菌遺傳物質(zhì)重組，是細(xì)菌遺傳物質(zhì)傳遞和交換方式之一。轉(zhuǎn)導(dǎo)（轉(zhuǎn)導(dǎo)（transduction）Lederberg和Zinder（1952）在沙門氏菌中發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)導(dǎo)現(xiàn)象。轉(zhuǎn)導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)不是由接合產(chǎn)生的重組；不是由接合產(chǎn)生的重組；而是通過過濾因子介導(dǎo)而是通過過濾因子介導(dǎo)的重組的重組該過濾因子為LT-22菌株中的溫和噬菌體P221.LT22攜帶P22原噬菌體2.過濾因子的大小和質(zhì)量與P22相同3.過濾因子用抗P22血清處理后失活

18、4.LT2是對P22敏感的非溶源性細(xì)菌5.用抗P22菌株替代LT2菌株則不再出現(xiàn)重組體普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)3/1000幾率錯誤包裝AAn普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)q在噬菌體感染的末期，細(xì)菌染色體被斷裂成許多小片段，在形成噬菌體顆粒時，少數(shù)噬菌體將細(xì)菌的DNA隨機(jī)包裹進(jìn)其蛋白質(zhì)衣殼內(nèi)，該噬菌體顆粒再感染其他宿主時，就將所攜帶的細(xì)菌染色體片段帶入受體菌中導(dǎo)致基因重組。這種轉(zhuǎn)導(dǎo)類型稱為普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)。解釋普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)的機(jī)制稱為“選擇包裹模型選擇包裹模型”轉(zhuǎn)導(dǎo)顆粒轉(zhuǎn)導(dǎo)顆粒：把細(xì)菌染色體片段包裝到噬菌體蛋白質(zhì)外殼內(nèi)而產(chǎn)生的假噬菌體,可以介導(dǎo)細(xì)菌的基因重組AA流產(chǎn)轉(zhuǎn)導(dǎo)（abortive transducti

19、on）流產(chǎn)轉(zhuǎn)導(dǎo)（abortive transduction）n普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)中，在基本培養(yǎng)基上除了出現(xiàn)正常菌落之外，還有大量小菌落，兩者之比約為1:10，這一現(xiàn)象稱為流產(chǎn)轉(zhuǎn)導(dǎo)。n導(dǎo)入受體的野生型基因只有大約10%可以重組到受體染色體，形成完全轉(zhuǎn)導(dǎo)n90%的未重組片段因不能復(fù)制而在細(xì)胞分裂時只能傳遞到一個細(xì)胞中，稱為單線遺傳。n未得到供體基因的細(xì)胞依靠母細(xì)胞殘留的酶可以分裂一兩次，形成小菌落。n普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)中約0.3%噬菌體為轉(zhuǎn)導(dǎo)噬菌體，而包裝DNA量約為沙門氏菌染色體的1%，任意基因的轉(zhuǎn)導(dǎo)頻率約為310-5n普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)中，受限于噬菌體頭部DNA的包裝量，兩基因之間距離大于噬菌體染色體長度時通常不能同時轉(zhuǎn)導(dǎo)，兩個基因始終一起轉(zhuǎn)導(dǎo)或同時轉(zhuǎn)導(dǎo)頻率較高時即證明兩個基因是連鎖的。這種兩個基因同時轉(zhuǎn)導(dǎo)的現(xiàn)象稱為共轉(zhuǎn)導(dǎo)共轉(zhuǎn)導(dǎo)或并發(fā)轉(zhuǎn)導(dǎo)（co-transduction）n利用共轉(zhuǎn)導(dǎo)可以進(jìn)行細(xì)菌染色體基因作圖，兩基因共轉(zhuǎn)導(dǎo)頻率越高則連鎖越緊密共轉(zhuǎn)