微生物遺傳學(xué)課件

第七章細(xì)菌和病毒的遺傳細(xì)菌和藍(lán)綠藻屬于原核生物：一個(gè)線條狀或環(huán)狀染色體(單倍體結(jié)構(gòu))；無(wú)典型的有絲分裂和減數(shù)分裂；染色體傳遞和重組方式與真核生物不同。

病毒：比細(xì)菌更簡(jiǎn)單；在寄主細(xì)胞內(nèi)以集團(tuán)形式產(chǎn)生；屬于只有一條染色體的單倍體。第一節(jié)細(xì)菌和病毒遺傳研究的意義1.大?。杭?xì)胞較小、長(zhǎng)約1.2um、寬約0.5um；2.結(jié)構(gòu)：鞭毛、細(xì)胞壁、質(zhì)膜、間體、核質(zhì)體、核糖體3.遺傳物質(zhì)：?jiǎn)蝹€(gè)主染色體、一個(gè)或多個(gè)小染色體（質(zhì)粒）一、細(xì)菌：4.涂布和繁殖：每個(gè)細(xì)胞在較短時(shí)間內(nèi)(如一夜)能裂殖到107個(gè)子細(xì)胞

成為肉眼可見的菌落或克隆(Clone)。5.生理特性突變：①.營(yíng)養(yǎng)缺陷型：?jiǎn)适Ш铣赡撤N營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)能力，不能在基本培養(yǎng)基上生長(zhǎng)；

原養(yǎng)型：野生菌株則可在基本培養(yǎng)基上生長(zhǎng)。用不同的選擇性培養(yǎng)基

測(cè)知突變的特性。②.抗性突變型：如抗藥性或抗感染性。例如：青霉素(penr，r代表resistance)抗性突變的菌落。測(cè)定突變的方法──影印法：黎德伯格等(Lederberg和Lederberg,1952)設(shè)計(jì)。

LederbergJ.,1958Nobel獎(jiǎng)獲得者，發(fā)現(xiàn)細(xì)菌轉(zhuǎn)導(dǎo)和接合

沒有細(xì)胞結(jié)構(gòu)，是單倍體，只有一條染色體。病毒

蛋白質(zhì)外殼+包被在內(nèi)的核酸。煙草花葉病毒腺病毒T4噬菌體愛滋病病毒

RNA

DNA

DAN

RNA病毒分類：寄主：動(dòng)物、植物、細(xì)菌；遺傳物質(zhì)：DNA或RNA。二、病毒：病毒中沒有合成蛋白質(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。感染細(xì)菌的病毒又叫噬菌體(bacteriophage),是目前了解比較清楚的病毒。噬菌體對(duì)于分子生物學(xué)的研究具有非常重要的貢獻(xiàn)。常見幾個(gè)主要噬菌體的特性質(zhì)見表7－1。4．便于研究基因的作用：影印培養(yǎng)，易檢出營(yíng)養(yǎng)缺陷型突變，有利于從生化角度來(lái)研究基因的作用。5．便于基因重組研究：細(xì)菌具有轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)導(dǎo)和接合作用，利用這些特性可以進(jìn)行精密的遺傳學(xué)分析。6.便于研究基因結(jié)構(gòu)、功能及調(diào)控機(jī)制：細(xì)菌和病毒的遺傳物質(zhì)簡(jiǎn)單，基因定位、結(jié)構(gòu)分析及其分離易于進(jìn)行，基因的表達(dá)調(diào)控也適于用生理生化的方法進(jìn)行深入的研究。7.便于進(jìn)行遺傳操作：染色體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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。第二節(jié)噬菌體的遺傳分析1.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單：蛋白質(zhì)外殼、核酸、某些碳水化合物、脂肪等。2.多樣性的原因：外殼的蛋白質(zhì)種類、染色體類型和結(jié)構(gòu)的不同。3.兩大類(據(jù)噬菌體DNA在宿主細(xì)菌內(nèi)的特點(diǎn))：①烈性噬菌體：能引起寄主細(xì)胞裂解的噬菌體。

例：T噬菌體系列(T1-T7)；②溫和性噬菌體:侵入寄主細(xì)胞后，不使寄主細(xì)胞裂解的噬菌體。具容源性的P1和λ噬菌體。一、噬菌體的結(jié)構(gòu)：㈠、烈性噬菌體：1.結(jié)構(gòu)大同小異，外貌一般呈蝌蚪狀：頭部：雙鏈DNA分子的染色體；頸部：中空的針狀結(jié)構(gòu)及外鞘；末端：由基板、尾針和尾絲組成。T偶列噬菌體T4噬菌體從大腸桿菌中釋放㈡、溫和性噬菌體：

例如λ和P1噬菌體．λ和P1各代表一種略有不同的溶源性類型。①.λ噬菌體：

噬菌體侵入后，細(xì)菌不裂解

附在E.coli染色體上的gal和bio位點(diǎn)間的attλ座位上

通過(guò)交換整合到細(xì)菌染色體，并能阻止其它λ噬菌體的超數(shù)感染。1.溶源性的生活周期：只有少數(shù)基因活動(dòng)，表達(dá)出阻礙物關(guān)閉其它基因。原噬菌體經(jīng)誘導(dǎo)可轉(zhuǎn)變?yōu)榱倚允删w

裂解途徑。原噬菌體：整合在宿主基因組中的噬菌體。2.P1和λ噬菌體的特性：①．P1和λ各代表不同的溶原性類型：P1噬菌體：侵入后并不整合到細(xì)菌的染色體上，獨(dú)立存在于細(xì)胞質(zhì)內(nèi)；λ噬菌體：通過(guò)交換整合到細(xì)菌染色體上。

②．溶源性細(xì)菌分裂

兩個(gè)子細(xì)胞：P1噬菌體復(fù)制則使每個(gè)子細(xì)胞中至少含有一個(gè)拷貝；λ噬菌體隨細(xì)胞染色體復(fù)制而復(fù)制，細(xì)胞中有一個(gè)拷貝。③．共同特點(diǎn)：核酸既不大量復(fù)制，也不大量轉(zhuǎn)錄和翻譯。第三節(jié)細(xì)菌的遺傳分析一、轉(zhuǎn)化（transformation）：概念：指某些細(xì)菌能通過(guò)其細(xì)胞膜攝取周圍供體的染色體片段，將此外源DNA片段通過(guò)重組加入自己染色體組的過(guò)程。1928年，格里費(fèi)斯(GriffithF.)在肺炎雙球菌中發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化現(xiàn)象。1944年，阿委瑞(AveryO.T.)成功地進(jìn)行了肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化試驗(yàn)；證實(shí)遺傳物質(zhì)是DNA；轉(zhuǎn)化是細(xì)菌交換基因的方法之一。②.供體DNA分子存在的數(shù)目：對(duì)特定基因來(lái)說(shuō)，供體DNA分子數(shù)目與成功轉(zhuǎn)化有關(guān)。鏈霉素抗性基因轉(zhuǎn)化：在每個(gè)細(xì)胞含有10個(gè)DNA分子之前，抗性轉(zhuǎn)化體數(shù)目一直與DNA分子存在數(shù)目成正比。原因：在細(xì)菌的細(xì)胞壁或細(xì)胞膜上有固定數(shù)量的DNA接受座位，故一般細(xì)菌攝取的DNA分子數(shù)小于10個(gè)。③．受體的生理狀態(tài)：受體細(xì)胞必須在生理上處于感受態(tài)。這種感受態(tài)只能發(fā)生在細(xì)菌生長(zhǎng)周期的某一時(shí)間范圍內(nèi)，在感受態(tài)內(nèi)，活躍合成的蛋白質(zhì)的細(xì)菌細(xì)胞壁多少發(fā)生改變而易于接受轉(zhuǎn)化DNA。㈡、轉(zhuǎn)化DNA的攝取和整合過(guò)程：細(xì)菌中的轉(zhuǎn)化，包括供體DNA的結(jié)合與穿入，聯(lián)會(huì)和整合。當(dāng)細(xì)菌處于感受態(tài)時(shí)，外源雙鏈DNA分子可結(jié)合在受體細(xì)胞表面的接受座位上。細(xì)菌在攝取外源DNA時(shí)，由DNA移位酶降解其中一條鏈，并利用降解這條鏈產(chǎn)生的能量，將另一條鏈拉進(jìn)細(xì)胞中。

①.結(jié)合與穿入：供體單鏈DNA片段一旦進(jìn)入細(xì)胞，按各個(gè)不同的位點(diǎn)與其相應(yīng)的受體DNA片段聯(lián)會(huì)。

②.聯(lián)會(huì)：?jiǎn)捂湹霓D(zhuǎn)化DNA通過(guò)與受體DNA對(duì)應(yīng)位點(diǎn)的置換從而穩(wěn)定地參入到受體DNA中。③．整合(重組)：Trp2his2tyr1<-----------34-----------><----13-------><--------------------40--------------------->三者并發(fā)轉(zhuǎn)化的頻率最高，故這3個(gè)基因是連鎖的，其中his2和tyr1連鎖緊密：?jiǎn)谓粨Q時(shí)，染色體開環(huán)易降解，故不存在單交換類型；只有雙交換和偶數(shù)的多交換才有效的。二、接合（conjugation）：1.概念：是指原核生物的遺傳物質(zhì)從供體(donor)轉(zhuǎn)移到受體(receptor)內(nèi)的過(guò)程。特點(diǎn)：需通過(guò)細(xì)胞的直接接觸。B菌株：Met+bio+thr-leu-，需加蘇氨酸和亮氨酸。不同營(yíng)養(yǎng)缺陷型的大腸桿菌：A菌株：Met-bio-thr+leu+，需加甲硫氨酸和生物素。2．實(shí)例：黎德伯格和塔特姆（1946年）：A菌株和B菌株?duì)I養(yǎng)缺陷型，不能在基本培養(yǎng)上生長(zhǎng)。A+B菌株混合培養(yǎng)，在完全培養(yǎng)基上，幾小時(shí)后離心，涂布基本培養(yǎng),長(zhǎng)出原養(yǎng)型(Met+bio+thr+leu+)菌落。這種原養(yǎng)型細(xì)胞如何出現(xiàn)？轉(zhuǎn)化？細(xì)胞間直接接觸而發(fā)生遺傳物質(zhì)交換和重組?A、B菌株分別培養(yǎng)在基本培養(yǎng)基上

一邊加壓和吸引使培養(yǎng)液充分混合

結(jié)果任何一臂的培養(yǎng)基上均未長(zhǎng)出原養(yǎng)型細(xì)菌?！嘀苯咏佑|(接合)是原養(yǎng)型細(xì)胞出現(xiàn)的必要條件。大分子可通過(guò)，細(xì)菌不能通過(guò)Hayes(1952)試驗(yàn)證明：接合過(guò)程是一種單向轉(zhuǎn)移，A菌株遺傳物質(zhì)

B菌株，從供體“donor”到受體“receptor”。⑴．F因子：致育因子(性因子)，是一種附加體。攜帶F因子的菌株稱為供體菌或雄性，用F＋表示。未攜帶F因子的菌株為受體菌或雌性，用F－表示。㈠、F因子及F＋向F－的轉(zhuǎn)移：⑵．F因子的組成：染色體外遺傳物質(zhì)，環(huán)狀DNA；

40-60個(gè)蛋白質(zhì)基因；2-4個(gè)/細(xì)胞(雄性內(nèi))。

⑶．F因子的三種狀態(tài)：以大腸桿菌為例：②．一個(gè)自主狀態(tài)F因子，即F＋；

③．帶有一個(gè)整合的F因子的細(xì)胞叫高頻重組細(xì)胞，Hfr細(xì)胞。①．沒有F因子，即F－；⑷．自主狀態(tài)時(shí)F因子獨(dú)立進(jìn)行分裂。F＋×F－：先形成接合管，F(xiàn)因子的DNA邊轉(zhuǎn)移邊復(fù)制，F(xiàn)－細(xì)胞

F＋細(xì)胞。F因子整合到細(xì)菌染色體上(F＋

Hfr細(xì)胞)，其繁殖與細(xì)菌染色體同步進(jìn)行。此時(shí)，細(xì)菌基因的重組頻率增加4倍以上，因此染色體上整合有F因子的菌株，稱為Hfr菌株。㈡、Hfr細(xì)胞的形成及染色體的轉(zhuǎn)移：細(xì)菌染色體由一小段單鏈的F因子為前導(dǎo)而轉(zhuǎn)移到F-受體

邊進(jìn)入邊合成。一般情況下僅小部分細(xì)菌染色體能夠轉(zhuǎn)入，接合中斷

受體細(xì)胞仍為F－，F(xiàn)因子仍留在供體內(nèi)。當(dāng)F因子復(fù)制完成后，F(xiàn)-變成F+(動(dòng)畫)。

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(gè)線性染色體，這種細(xì)胞是不能成活的。偶數(shù)交換：產(chǎn)生可遺傳的重組體和片段。部分二倍體：當(dāng)F＋或Hfr的細(xì)菌染色體進(jìn)入F－后，在一個(gè)短時(shí)期內(nèi)，F(xiàn)－細(xì)胞內(nèi)的某些位點(diǎn)就會(huì)成為二倍體的DNA。三、性導(dǎo)（sexduction）:性導(dǎo)：指接合時(shí)由F’因子所攜帶的外源DNA整合到細(xì)菌染色體的過(guò)程。F因子整合過(guò)程：可逆，發(fā)生環(huán)出時(shí)，F(xiàn)因子又可重新離開染色體。Adelberg和Burns(1959)：￡

F因子偶爾在環(huán)出時(shí)不夠準(zhǔn)確，會(huì)攜帶出染色體上的一些基因，這種因子稱為F’因子?！?/p>

F’因子攜帶染色體的節(jié)段大小：從一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)基因到半個(gè)細(xì)菌染色體。F’因子使細(xì)菌帶有某些突出的特點(diǎn)：⑴．F’因子轉(zhuǎn)移基因比率極高，如同F(xiàn)+因子轉(zhuǎn)移比率；⑵．F’因子的自然整合率極高，并且整合在一定的座位上?！?/p>

攜帶有與細(xì)菌染色體一樣的同源區(qū)段；而正常F因子可在不同座位整合。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-受體之中?！撷伲甽ac基因位于遠(yuǎn)端，中斷雜交實(shí)驗(yàn)中只有1/1000重組率；②．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-。性導(dǎo)在大腸桿菌遺傳研究中的作用：①．每個(gè)F’因子攜帶有不同大腸桿菌基因，包括全部染色體基因，可以分離出大量的F’因子，利用不同基因在一起的并發(fā)性導(dǎo)的頻率來(lái)作圖；②．通過(guò)性導(dǎo)產(chǎn)生部分二倍體，確定等位基因位置、顯隱性關(guān)系提供了重要方法；③.性導(dǎo)形成的部分二倍體可用作互補(bǔ)測(cè)驗(yàn)，確定兩個(gè)突變類型是否屬于同一個(gè)基因。1.概念：是指以噬菌體為媒介進(jìn)行細(xì)菌遺傳物質(zhì)重組的過(guò)程，是細(xì)菌遺傳物質(zhì)傳遞和交換方式之一。2.特點(diǎn)：以噬菌體為媒介

細(xì)菌的一段染色體被錯(cuò)誤地包裝在噬菌體的蛋白質(zhì)外殼內(nèi)

通過(guò)感染轉(zhuǎn)移到另一個(gè)受體細(xì)胞內(nèi)。∵感染細(xì)菌的能力決定于噬菌體的蛋白質(zhì)外殼。四、轉(zhuǎn)導(dǎo)（transduction）：3.例如：黎德伯格與津德（1951）發(fā)現(xiàn)鼠傷寒沙門氏菌中轉(zhuǎn)導(dǎo)現(xiàn)象。⑴.將兩個(gè)沙門氏菌的營(yíng)養(yǎng)缺陷型進(jìn)行雜交：phe-try-tyr-met+his+

×phe+try+tyr+met-his-↓混合培養(yǎng)在基本培養(yǎng)基發(fā)現(xiàn)原養(yǎng)型的菌落頻率為1/105不能合成苯丙氨酸、色氨酸和酪氨酸不能合成甲硫氨酸和組氨酸⑵.產(chǎn)生上述結(jié)果的原因:①.是否屬于恢復(fù)突變?高頻率的出現(xiàn)不可能是回復(fù)突變。②.是否屬于接合、性導(dǎo)?戴維斯U型管試驗(yàn)(防止細(xì)胞直接接觸)

結(jié)果也獲得野生型重組體，排除由于接合或性導(dǎo)而產(chǎn)生基因重組可能性。③.是否屬于轉(zhuǎn)化?結(jié)果表現(xiàn)為不受DNA酶的影響