長(zhǎng)江大學(xué)遺傳學(xué)第七章 細(xì)菌和病毒遺傳

第七章細(xì)菌和病毒的遺傳本章內(nèi)容第一節(jié)細(xì)菌和病毒遺傳研究的意義第二節(jié)噬菌體的遺傳分析第三節(jié)細(xì)菌的遺傳分析

1、轉(zhuǎn)化、接合2、性導(dǎo)、轉(zhuǎn)導(dǎo)細(xì)菌屬于原核生物，不進(jìn)行典型的有絲分裂和減數(shù)分裂，因此，其染色體傳遞和重組方式與真核生物不盡相同。病毒甚至不進(jìn)行分裂，它在宿主細(xì)胞內(nèi)以集團(tuán)形式產(chǎn)生。細(xì)菌和病毒的遺傳分析對(duì)整個(gè)遺傳學(xué)，特別是對(duì)于分子遺傳學(xué)的發(fā)展具有重大作用。第一節(jié)細(xì)菌和病毒遺傳研究的意義遺傳學(xué)研究從細(xì)胞水平推進(jìn)到分子水平，是由于兩大發(fā)展：（1）對(duì)基因的化學(xué)和物理結(jié)構(gòu)的了解日益深入（2）研究材料采用了新的生物類型-細(xì)菌和病毒一、細(xì)菌所有細(xì)菌都是比較小的單細(xì)胞，大約12μm長(zhǎng)，0.5μm寬大腸桿菌(E.coli)在細(xì)菌遺傳學(xué)研究中應(yīng)用十分廣泛,其染色體為一條環(huán)狀的裸露DNA分子。其細(xì)胞里通常還具有一個(gè)或多個(gè)小的染色體-質(zhì)粒研究細(xì)菌遺傳的方法--平板培養(yǎng)

單細(xì)胞菌落（克隆）0.1ML0.1ML0.1ML0.1ML微生物稀釋培養(yǎng)細(xì)菌菌落的表現(xiàn)型：原養(yǎng)型（野生型）形態(tài)性狀：菌落形狀、顏色突變型大小生理特性營(yíng)養(yǎng)缺陷型抗性-抗藥或抗感染

缺賴氨酸缺精氨酸缺亮氨酸測(cè)定突變的方法──影印法

二、病毒病毒沒(méi)有細(xì)胞結(jié)構(gòu)，既不屬于原核生物，也不屬于真核生物。病毒結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單，僅含DNA或RNA和一個(gè)蛋白質(zhì)外殼，沒(méi)有合成蛋白質(zhì)外殼所必須的核糖體。所以，病毒必須感染活細(xì)胞，改變和利用活細(xì)胞的代謝合成機(jī)器，才能合成新的病毒后代。三、細(xì)菌和病毒在遺傳研究中的優(yōu)越性

(1)世代周期短。大腸桿菌每20分鐘可繁殖一代，病毒每小時(shí)可繁殖數(shù)百個(gè)后代(2)易于管理和進(jìn)行化學(xué)分析(3)便于研究基因的突變(4)便于研究基因的作用(5)便于基因重組的研究(6)便于用作研究基因結(jié)構(gòu)、功能及調(diào)控機(jī)制的材料(7)便于進(jìn)行遺傳操作

第二節(jié)噬菌體的遺傳分析一、噬菌體的結(jié)構(gòu)細(xì)菌染色體1、烈性噬菌體侵染細(xì)菌的途徑2、溫和性噬菌體溫和性噬菌體具有溶源性的生活周期，即在噬菌體侵入后，細(xì)菌并不裂解，以兩種形式出現(xiàn)，如λ和P1λ型裂解途徑P1型裂解途徑二、T2噬菌體的基因重組與作圖

噬菌斑形態(tài)正常r+:小、邊緣模糊噬菌體

突變r(jià)-:大、邊緣清楚性狀

宿主范圍：感染和裂正常h+:B株解的菌株突變h-:B株不同或B/2株由于h–和h+均能感染B株，用T2的兩親本h–r+和h+r–同時(shí)感染B株，稱為雙重感染

h-r+

×

h+r-

↓B株

h-r+h+r-h-r-h+r+

↓接種在同時(shí)長(zhǎng)有B株及B/2株的培養(yǎng)基上

親型噬菌斑h(yuǎn)-r+：透明、小h+r-：半透明、大重組型噬菌斑h(yuǎn)-r-：透明、大h+r+：半透明、小重組型噬菌斑

重組值=×100%

總噬菌斑h(yuǎn)-r-+h+r+=×100%

h-r++h+r-+h-r-+h+r+

表7－2四種噬菌斑數(shù)及重組值雜交組合每種基因型的%重組值r–h+r+h–r+h+r–h–ra–h+r+h–rb–h+r+h–rc–h+×r+h–34.032.039.042.056.059.012.05.90.712.06.40.924%12.3%1.6%分別作出ra、rb、rc與h的連鎖圖ra24hrb12.3hrc1.6hrarbrchrarbhrcrarchrbrahrcrb×√√×為了確定基因排列順序，可先只考慮rb、rc及h來(lái)確定是rchrb還是hrcrb。為此作：

rb+rc-×rb-rc+↓重組值約14%

可知h應(yīng)位于rb及rc之間，又因?yàn)門2噬菌體的連鎖圖是環(huán)狀的

第三節(jié)細(xì)菌的遺傳分析一個(gè)細(xì)菌DNA與另一個(gè)細(xì)菌DNA的交換重組可以通過(guò)四種方式實(shí)現(xiàn)

轉(zhuǎn)化、接合、性導(dǎo)、轉(zhuǎn)導(dǎo)一、轉(zhuǎn)化

轉(zhuǎn)化：某些細(xì)菌(或其他生物)通過(guò)其細(xì)胞膜攝取周圍供體的染色體片段，并將此外源DNA片段通過(guò)重組整合到自己染色體組的過(guò)程轉(zhuǎn)化首先是Griffith(1928)在肺炎雙球菌中發(fā)現(xiàn)的殺死SⅢ片段RⅡSⅢ

Avery(1944)等研究證實(shí)，轉(zhuǎn)化因子是DNA。這個(gè)極其重要的發(fā)現(xiàn)，不僅證實(shí)遺傳物質(zhì)是DNA，而且表明轉(zhuǎn)化是細(xì)菌交換基因的方式之一。

1、供體DNA與受體細(xì)胞間的接觸與互作影響因素包括：(1)轉(zhuǎn)化片段大小:肺炎雙球菌的成功轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化DNA片段至少要有800bp，枯草桿菌最少需要16000bp(2)轉(zhuǎn)化片段形態(tài):轉(zhuǎn)化片段必須是雙鏈(3)轉(zhuǎn)化片段濃度：每個(gè)細(xì)胞攝取的DNA分子數(shù)不超過(guò)10個(gè)(4)受體細(xì)胞生理狀態(tài)；感受態(tài)2、轉(zhuǎn)化DNA的攝取和整合

(1)結(jié)合與穿入(2)聯(lián)會(huì)(3)整合，整合或DNA重組對(duì)同源DNA具有特異性3、轉(zhuǎn)化和基因重組作圖當(dāng)兩個(gè)基因緊密連鎖時(shí)，它們就有較多的機(jī)會(huì)包括在同一個(gè)DNA片段中，并同時(shí)整合到受體染色體中。因此，緊密連鎖的基因可以通過(guò)轉(zhuǎn)化進(jìn)行作圖。如：trp2+his2+tyr1+×trp2

his2tyr1↓重組型數(shù)Trp2-his2重組值=×100%

親型數(shù)+重組型數(shù)座位轉(zhuǎn)化子類型trp2＋－－－＋＋＋his2＋＋－＋－－＋tyr1＋＋＋－－＋－數(shù)目11940366068541826001071180親本類型重組類型重組值Trp2-his2Trp2-tyr1His2-tyr1Trp2-his2→0.34Trp2-tyr1→0.40His2-tyr1→0.13

trp2his2tyr1

∣←──34─→∣←───13──∣

∣←─────40──────→∣

二、接合

接合：在原核生物中，是指遺傳物質(zhì)從供體-“雄性”轉(zhuǎn)移到受體-“雌性”的過(guò)程1946年，Lederberg和Tatum發(fā)現(xiàn)E.coli細(xì)胞之間通過(guò)接合可以交換遺傳物質(zhì)。他們選擇了兩個(gè)不同營(yíng)養(yǎng)缺陷型的E.coli菌株黎德伯格和塔特姆的接合(雜交)發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)出了一些原養(yǎng)型的菌落。這種原養(yǎng)型細(xì)胞的出現(xiàn)是由于轉(zhuǎn)化還是由于細(xì)胞與細(xì)胞直接接觸而發(fā)生的遺傳物質(zhì)交換和重組？為了解答這個(gè)問(wèn)題，Davi(1950)設(shè)計(jì)了U型管實(shí)驗(yàn)。DNA大分子能通過(guò)沒(méi)有出現(xiàn)A菌株Met-bio-thr+leu+B菌株Met+bio+thr-leu-說(shuō)明什么?Met+bio+thr+leu+在任何一臂內(nèi)都沒(méi)有出現(xiàn)原養(yǎng)型細(xì)菌。這說(shuō)明兩個(gè)菌株間的直接接觸--接合，是原養(yǎng)型細(xì)胞出現(xiàn)的必要條件。Hayes（1952)試驗(yàn)證明，在接合過(guò)程中遺傳物質(zhì)的交換是一種單向的轉(zhuǎn)移：

供體（雄性）→受體（雌性）

兩個(gè)E.Coli細(xì)胞雜交的電子顯微鏡照片(X34,300)

性傘毛/接合管

1、F因子及F+/Hfr向F–的轉(zhuǎn)移Hayes和Cavalli-Sforza（1953)發(fā)現(xiàn)，供體有一個(gè)性因子即致育因子--F因子，由DNA組成，是染色體外的遺傳物質(zhì)。其組成：

E.coliF因子存在狀態(tài)有三種類型：①?zèng)]有F因子，即F–②游離狀態(tài)的F因子，即F+③整合的F因子，即Hfr

F+×F-F+→F+F-→F+

Hfr×F-↓

Hfr

→HfrF-→F-

接合開(kāi)始，F(xiàn)因子僅有一部分進(jìn)入F–細(xì)胞，剩下部分基因只有等到細(xì)菌染色體全部進(jìn)入到F–細(xì)胞之后才能進(jìn)入，然而轉(zhuǎn)移過(guò)程常常中斷

受體細(xì)胞常常只接受部分的供體染色體，這些染色體稱為供體外基因子，而受體的完整染色體則稱為受體內(nèi)基因子，這樣的細(xì)菌稱為部分二倍體或部分合子、半合子2、中斷雜交試驗(yàn)及染色體連鎖圖為了證明接合時(shí)遺傳物質(zhì)從供體到受體細(xì)胞的轉(zhuǎn)移是直線式進(jìn)行的，Jacob和Wollman在五十年代設(shè)計(jì)了一個(gè)著名的中斷雜交試驗(yàn)

Hfr:thr+leu+lac+gal+azistonsstrsF-:thr-leu-lac-gal-aziRtonRstrR

每隔一定時(shí)間取樣，放在食物攪拌器內(nèi)攪拌培養(yǎng)在含str的完全培養(yǎng)基上，Hfr被殺死用影印培養(yǎng)法測(cè)試形成的F-菌落的基因型，確定每個(gè)基因轉(zhuǎn)入F-的順序（時(shí)間）根據(jù)基因轉(zhuǎn)入F-的時(shí)間，進(jìn)行細(xì)菌染色體作圖

混合培養(yǎng)圖7－17中斷雜交后，重組體中Hfr遺傳性狀出現(xiàn)的頻率

Thr+Leu+

thrleuazitonlacgaFO88.59111825根據(jù)中斷雜交實(shí)驗(yàn)作出的大腸桿菌連鎖圖

用不同的Hfr菌株進(jìn)行中斷雜交實(shí)驗(yàn)，基因轉(zhuǎn)移的原點(diǎn)(O)和轉(zhuǎn)移的方向不同，說(shuō)明F因子和細(xì)菌染色體都是環(huán)狀的Hfr的類型基因轉(zhuǎn)移順序HfrH123AB3120thrprolacpurgalhisglythi0thrthiglyhisgalpurlacpro0prothrthi

glyhisgal

purlac0purlacprothrthi

glyhisgal0thithrprolacpur

galhisgly表7－5用中斷雜交法確定的幾個(gè)Hfr菌株的基因順序起點(diǎn)方向最后轉(zhuǎn)移如果兩個(gè)基因間的轉(zhuǎn)移時(shí)間小于2分鐘，用中斷雜交法所得的圖距不太可靠，應(yīng)采用傳統(tǒng)的重組作圖法。有兩個(gè)緊密連鎖的基因乳糖發(fā)酵lac+和腺嘌呤缺陷型ade-

Lac-ade+ade+lac+

+Lac-ade+=22%

可見(jiàn)１分鐘單位大約20％三、性導(dǎo)

性導(dǎo)：指接合時(shí)由F′因子所攜帶的外源DNA轉(zhuǎn)移到細(xì)菌染色體的過(guò)程。F因子整合到宿主細(xì)菌染色體的過(guò)程是可逆的，當(dāng)發(fā)生環(huán)出時(shí)偶然不夠準(zhǔn)確，攜帶有染色體的一些基因，稱這種F因子為F′因子

雅科和阿代爾伯格發(fā)現(xiàn)：特殊的Hfr菌株能把lac+等位基因高頻率地轉(zhuǎn)移到Flac-受體中l(wèi)ac基因位于遠(yuǎn)端，中斷雜交實(shí)驗(yàn)中只有1/1000重組率由F'攜帶lac+基因進(jìn)入受體后可在lac位點(diǎn)上形成部分二倍體F'lac+/lac-。

F′因子特點(diǎn)有極高的自然整合率，而且整合在一定的座位上，因?yàn)樗信c細(xì)菌染色體的同源區(qū)段

性導(dǎo)作用（1）確定等位基因的顯隱性關(guān)系（2）利用并發(fā)性導(dǎo)進(jìn)行細(xì)菌染色體作圖（3）性導(dǎo)形成的部分二倍體也可用作互補(bǔ)測(cè)驗(yàn)，確定兩個(gè)突變型是同屬于一個(gè)基因還是不同基因四、轉(zhuǎn)導(dǎo)

轉(zhuǎn)導(dǎo)：指以噬菌體為媒介所進(jìn)行的細(xì)菌遺傳物質(zhì)重組的過(guò)程Lederberg和Zinder（1951)首先在鼠傷寒沙門氏菌中發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)導(dǎo)現(xiàn)象

phetrptryr

×

methis

↓在基本培養(yǎng)基上發(fā)現(xiàn)原養(yǎng)型的菌落

可能性：（1）接合（2）轉(zhuǎn)化（3）

？

U型管試驗(yàn)

將上述兩種菌株分別放在戴維斯U型管的兩臂內(nèi)，中間用玻璃濾板隔開(kāi)，以防止細(xì)胞直接接觸，但允許比細(xì)菌小的物質(zhì)通過(guò)，獲得了野生型重組體，

說(shuō)明不是接合

這種重組是通過(guò)一種過(guò)濾性因子(FA)而實(shí)現(xiàn)的。FA不受DNA酶的影響，說(shuō)明不是轉(zhuǎn)化進(jìn)一步研究證明，F(xiàn)A是一種噬菌體，稱為P22,（用抗P22血清處理后失活)轉(zhuǎn)導(dǎo)分為普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)和特殊性轉(zhuǎn)導(dǎo)1、普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)可以轉(zhuǎn)導(dǎo)細(xì)菌染色體組的任何不同部分

兩個(gè)基因同在一起轉(zhuǎn)導(dǎo)就是合轉(zhuǎn)導(dǎo)

或叫并發(fā)轉(zhuǎn)導(dǎo)。合轉(zhuǎn)導(dǎo)的頻率愈高，表明兩個(gè)基因在染色體上的距離愈近，連鎖愈密切；相反，如果兩個(gè)基因的合轉(zhuǎn)導(dǎo)頻率很低，就說(shuō)明它們之間距離較遠(yuǎn).因此，測(cè)定兩基因的合轉(zhuǎn)導(dǎo)頻率就可以確定基因之間的次序和距離（1）兩因子轉(zhuǎn)導(dǎo)：通過(guò)觀察兩個(gè)基因的轉(zhuǎn)導(dǎo)，計(jì)算并比較每?jī)蓚€(gè)基因之間的合轉(zhuǎn)導(dǎo)頻率，就可以確定三個(gè)或三個(gè)以上基因在染色體上的排列順序例如：a基因和b基因的合轉(zhuǎn)導(dǎo)頻率很高，a和c基因的合轉(zhuǎn)導(dǎo)頻率也很高，而b和c很少或完全不在一起轉(zhuǎn)導(dǎo)，這三個(gè)基因的次序就應(yīng)為：bac（2）三因子轉(zhuǎn)導(dǎo)：只需分析一個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果就可以推出三個(gè)基因的次序例如：供體大腸桿菌具有基因型a+b+c+，受體的基因型為abc。最少的一類轉(zhuǎn)導(dǎo)體應(yīng)代表最難于轉(zhuǎn)導(dǎo)的情況，這種轉(zhuǎn)導(dǎo)體是同時(shí)發(fā)生交換次數(shù)最多的一類。這種轉(zhuǎn)導(dǎo)體的兩邊應(yīng)為供體基因，而中間為受體基因，如正確次序?yàn)閍bc，就應(yīng)為a+bc+。圖7－23轉(zhuǎn)導(dǎo)顆粒與受體染色體之間，通過(guò)四交換形成轉(zhuǎn)導(dǎo)體，這種轉(zhuǎn)導(dǎo)體的頻率最低

如果把三個(gè)基因中每?jī)蓚€(gè)基因的合轉(zhuǎn)導(dǎo)頻率算出來(lái)，還可根據(jù)這一頻率推算出三個(gè)基因之間的物理距離：

d=L(1-3

X)

d=同一染色體上兩基因之間的物理距離L=轉(zhuǎn)導(dǎo)DNA的平均長(zhǎng)度X=兩個(gè)基因合轉(zhuǎn)導(dǎo)的頻率

P1侵染帶leu+thr+aziRE.coli用轉(zhuǎn)導(dǎo)顆粒P1再侵染帶leu-thr-azis

E.coli

將受體細(xì)菌特定培養(yǎng)：培養(yǎng)在一種可選擇1-2個(gè)標(biāo)記基因而不選擇其余標(biāo)記基因的培養(yǎng)基上

例如：0azi+thr培養(yǎng)基，leu為標(biāo)記基因因?yàn)椋褐挥衛(wèi)eu+才生長(zhǎng)，leu-不生長(zhǎng)

thr可能為thr+/thr-azi可能為aziR/aziS

表7-7用P1噬菌體普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)