第七章 细菌和病毒的遗传第七章 细菌和病毒的遗传第一节 导论第一节 导论 合适材料的选用合适材料的选用遗传学的发展遗传学的发展一、微生物遗传学一、微生物遗传学 1. 1. 概念概念 2. 2. 发展发展 19401940 年下列年下列 55 个方面的工作使之成为独立学科个方面的工作使之成为独立学科 11 ） ） 19411941 年年 Beadle Beadle 营养缺陷型突变体的发现营养缺陷型突变体的发现 22 ） 抗性突变） 抗性突变 33 ） 细菌重组的发现：） 细菌重组的发现： 19471947 ，， LeaderbergLeaderberg ，， J. J. （ （ E.coli E.coli ） ） TatumTatum ，， E.L. E.L. 44 ） 转化子化学本质的鉴定：） 转化子化学本质的鉴定： 19281928 ：： GriffithGriffith ：肺炎双球菌转化：肺炎双球菌转化 19441944 ：： AveryAvery ：转化子是：转化子是 DNADNA 55 ） 噬菌体遗传学研究的发展。） 噬菌体遗传学研究的发展。

二、微生物作为遗传学研究材料的优越性生物学特性单细胞生物，易受环境影响 N 世代为主容易培养、繁殖、代谢旺盛

优越性易诱发突变：营养缺陷，抗性基因功能基因突变杂交、转导、转化基因细微结构模型生物

第二节 噬菌体的遗传分析

一、噬菌体是一类病毒一、噬菌体是一类病毒 病毒（病毒（ VirusVirus ）：超显微、无细胞、活细胞专 ）：超显微、无细胞、活细胞专 性寄生的大分子（微生物）性寄生的大分子（微生物）1.1. 特点：特点：

a.a. 个体小：通过个体小：通过 DavisDavis 滤器滤器b.b. 专性寄生：脱离活体无生命，无代谢专性寄生：脱离活体无生命，无代谢c.c. 无细胞：蛋白质＋无细胞：蛋白质＋ DNADNA （（ RNARNA ））d.d. 繁殖方式简单繁殖方式简单

2.2. 分类：分类： 动物：球形、卵圆形动物：球形、卵圆形 寄主： 植物：杆状、丝状寄主： 植物：杆状、丝状 细菌：蝌蚪状细菌：蝌蚪状 双链双链 DNADNA：： λλ，， T2T2、、 44、、 66 单链单链 DNADNA：： ΦΦX X 类，动物病 类，动物病 毒、噬菌体毒、噬菌体 单链单链 RNARNA 双链双链 RNARNA

植物病毒、艾滋病毒植物病毒、艾滋病毒

遗传物质：遗传物质：

烟草花叶病毒 腺病毒 烟草花叶病毒 腺病毒 TT4 4 噬菌体 噬菌体 爱滋病病毒 爱滋病病毒 RNA DNA DNA RNARNA DNA DNA RNA

二、噬菌体分类二、噬菌体分类

概念：概念：原指细菌为寄主，后来推广 原指细菌为寄主，后来推广 到真菌的病毒。到真菌的病毒。

1.1. 烈性噬菌体：烈性噬菌体： P2P2 、、 P4P4 、、 P6P6 、、 TT系系列列（（ T1-T7T1-T7 ））

2. 2. 温和性噬菌体： 温和性噬菌体： λλ 和和 PP11

1. 1. 烈性噬菌体烈性噬菌体

（（ 11 ）形态结构（）形态结构（ TT 偶列）偶列）

（（ 22 ）） . . 繁殖和感染周期繁殖和感染周期（营养繁殖：噬菌体（营养繁殖：噬菌体 DNADNA 不整合；不整合； 150 150 噬菌体噬菌体 /Cell/Cell ））

吸附吸附

细菌裂解细菌裂解

释放出子代噬菌体颗粒释放出子代噬菌体颗粒

细菌染色体降解细菌染色体降解

蛋白质外壳包蛋白质外壳包装装 DNADNA 成 成 子代噬菌体颗子代噬菌体颗粒粒

2. 温和噬菌体 :

（（ 11 ）形态结构）形态结构

（（ 22 ）繁殖和感染周期）繁殖和感染周期 :

吸附吸附 溶菌周期溶菌周期UV UV 诱导诱导

细菌裂解细菌裂解

溶源周期溶源周期

噬菌体噬菌体

（原噬菌体）（原噬菌体）

PP11噬菌体噬菌体

几个相关的概念几个相关的概念

溶原性：噬菌体外壳蛋白的合成以及溶菌溶原性：噬菌体外壳蛋白的合成以及溶菌功能受到抑制。功能受到抑制。

溶原性细菌：“携带”原噬菌体的细菌。溶原性细菌：“携带”原噬菌体的细菌。

原噬菌体：溶原性细菌中的噬菌体原噬菌体：溶原性细菌中的噬菌体 DNADNA 分分子。无外壳；无侵染能力。子。无外壳；无侵染能力。

λ噬菌体 DNA的插入

attλ

三、噬菌体遗传的研究方法三、噬菌体遗传的研究方法

1.1. 获得突变株：处理营养期细菌或者游离噬菌体获得突变株：处理营养期细菌或者游离噬菌体 四类突变株：四类突变株： 11 ））寄主范围突变株（（ host range mutanthost range mutant ）） 22 ））噬菌斑（（ plaque mutantplaque mutant ）） 33 ）温度敏感性：）温度敏感性： 野生型：野生型： 3737CC 、、 43 43 CC 均可繁殖均可繁殖 突变型：突变型： 4343tsts ：：仅仅 37 37 CC 繁殖繁殖 44 ）溶菌酶：）溶菌酶： ee ＋＋ ee

11 ）寄主范围突变株（）寄主范围突变株（ host range mutanthost range mutant ））

寄主范围：寄主范围： 指噬菌体感染和裂解的菌株范围 。 指噬菌体感染和裂解的菌株范围 。 某种噬菌体只能侵染某一种菌的个别菌系，某种噬菌体只能侵染某一种菌的个别菌系，

突变后寄主范围变宽或变窄。突变后寄主范围变宽或变窄。

T2 ：h+ 噬菌体： 只侵染 只侵染 E.coli B 株株；

h 突变株： E.coli B & B/2

22 ）噬菌斑突变株（）噬菌斑突变株（ plaque mutantplaque mutant ））

噬菌斑形状：噬菌斑的大小、边缘噬菌斑形状：噬菌斑的大小、边缘清晰度、透明程清晰度、透明程度。度。

例如：例如： TT 噬菌体噬菌体 rrAA r r11

rr ＋ ＋ rr （（ rapid lysisrapid lysis ）） rB rrB r1313

（ （ 噬菌斑小、边缘模糊） （速溶型，噬菌斑大、边缘清晰噬菌斑小、边缘模糊） （速溶型，噬菌斑大、边缘清晰 ） ） rC rrC r77

mm ＋ ＋ m m 小型（小型（ minuteminute ）） cc ＋ ＋ c c 透明（透明（ clearclear ）） tt ＋ ＋ t t 半透明（半透明（ turbidturbid ））

2 、杂交试验－ 双重感染

（ 1）

E.Coli BE.Coli B

E.Coli BE.Coli B ＋＋ B/2B/2

二点测验

基因型 噬菌斑基因型 噬菌斑

1.1. hh++rr+ + 半透明、小半透明、小

2.2. hh--rr-- 透明、大透明、大• hh++rr-- 半透明、大半透明、大

1.1. hh--rr+ + 透明、小透明、小

重组值重组值

＝ ＝ ×100% ×100%

重组型重组型

亲型亲型

1+21+2

1+2+3+41+2+3+4

rb － rc

rb － h h 在中间

rc － h

（ 2 ）三点测验

第三节 细菌的遗传分析一、细菌遗传的研究方法二、遗传分析

1.转化（ Transformation ）2.接合（ Conjunction ）3.性导（ Sexduction ）4.转导（ Transduction ）

一、细菌遗传的研究方法

理化诱变：1. 生化突变： lac ＋ lac －（乳糖） gal ＋ gal － （半乳糖）2. 抗药性： str ＋ str － （链霉素） azi ＋ azi － （叠氮化物）（叠氮化物）3. 抗噬菌体： T2

s(+) T2r(-)

tonAs tonAr (T1)

4. 营养缺陷型： ade ＋ ade －

试验方法：

细菌生活条件：基本培养基（ Basal Medium ）：

无机盐： SO42- 、 NO3

- 、 Ca2+ 、 Mg2+

糖 ：葡萄糖、蔗糖 维生素：生物素、 Vbs

完全培养基： BM ＋全部营养物质选择培养基： BM ＋某一种（营养）物质

二、遗传分析

1. 转化（ Transformation ）（ 1 ）发现： 1928 ， Griffith ：肺炎双球菌转化实验 1944 ， Avery ：转化子－ DNA

转化是细菌基因重组的方法之一。

（ 2 ）概念： 细菌吸附游离态的双链 DNA ，将单链 DNA 分子吸

收进入细胞后，不经过复制整合到细菌染色体中，并发生遗传重组。

（ 3 ）转化 DNA （转化子）的特点： a. DNA 浓度与转化子数目的关系 饱和： 50/cell, 原因：在细菌的 细胞壁或细胞膜上有固定 数量的 DNA 接受座位，故 一般细菌摄取的 DNA 分子 数小于 10 个。 b. DNA 片段大小： 不能太小： 肺炎双球菌转化： DNA 片断至少有 800 个碱基对； 枯草杆菌的转化： DNA 片断至少有 16000 个碱基对。 c. 双链吸附：单链 DNA 不被转化 d. 单链进入细菌。

DNA 浓度

转化子数

目

（ 4 ）受体细胞的特点 a. 感受态： DNA 合成刚刚停止、蛋白质合成继续活跃，活跃合

成的蛋白质可使细菌细胞壁易于接受转化 DNA 。只有感受态的受体细胞才能摄取并转化外源 DNA ，而这种感受态也只能发生在细菌生长周期的某一时间范围内。

b. 感受态的本质： 部分原生质化： 10/cell

酶受体：

（ 5 ）转化过程：① ．双链结合与单链穿入： 双链 DNA分子结合在接受座位上。可逆，可被 DNA酶降解，接受座位饱和性；

单链 DNA摄取，不可逆，不受 DNA 酶破坏。穿入后，由外切酶或 DNA 移位酶降解其中一条链。

② ．联会： DNA 片段与细菌染色体部分联会。亲缘关系越远，联会越小、转化可能性越小。

③．整合 (重组 )：单链的转化 DNA与受体DNA对应位点的置换，从而稳定地参入到受体 DNA中。

（ 6 ）转化成功： 感受态、吸附、整合。

（ 7 ）转化与基因重组作图：

2 、接合（ Conjugation ）（ 1 ）概念：

♂♂ ♀♀

（供体 donor ） （受体 receptor）

DNA

接触

（ 2 ）发现与证实：

a. 发现：发现：

J. Leaderberg & E.L. Tatum （ 1946 ）

（营养缺陷型）

b. 证实 转化作用的排除： A （杀死）＋ B 或者 A ＋ B （杀死） Davis U 型管试验 DNase 处理

回复突变突变的排除： 单个基因回复突变频率＝ 10-6

两个基因同时回复突变的频率 ＝ 10-6×10-6 ＝ 10-12< 10-8

A B

可通过：生物大分子、噬菌体不能通过：细菌

（ 3 ） F 因子：a. 发现1952 年： W. Hayes 试验证明： 接合过程中，遗传物质单向转移， 供体（ donor ）－♂

受体（ receptor ）－♀

1953 年： Hayes， Leaderberg & Cavalli： ♂有 F因子 ♀ 无 F因子

b. F 因子的遗传结构质粒：旧称附加体，是指 独立于细菌染色体的 可以独立、整合、环出、丢失 含有少量基因的 双链 DNA 环状分子

F 因子 ( 致育因子、性因子 ) ：是一种感染性质粒，由于 F

因子存在与否决定是否接合，又称为致育因子。F 因子的遗传结构：图 7-12

根据 F 因子存在的方式， E.Coli 可以分为 4 种菌株

F＋

HfrF＋

整合

准确环出

配对、交换

准确环出

丢失

不准确环出

F’F－

携 带 1 个 基因～半 条 染 色体

c. 接合过程

i. F+×F － F++F+

ii. Hfr×F － Hfr+F －

复制：滚环模式

d. 部分二倍体、交换与遗传重组

cb+

a+

c+b

a

单交换单交换

II

降解降解

（ 4 ） . E.coli 染色体的遗传作图a.a. 中断杂交实验法：（中断杂交实验法：（ Wollman & JacobWollman & Jacob ，， 19501950 ））

ab

d

hg f

c

e

1 2

3

c

d

efg

h

a

b

1 2

3c

d ef

gha

b

e

f

g

hab

c

d

3 2

1

gh

abc

d

ef

f

e

d

c b

a

h

g

F ＋

Hfr

I IIIII

b

h

g

ae

f

g

h

d

c

e

f

横座标：接合时间（分钟）

纵座标：重组体中 Hfr 基因的频率。

I II III

根据上图，可以得到直线连锁图； Hfr 菌株足够多，可以获得整个 E.coli 染色体连锁图。例子：

O

thi thr pro lac pur gal his gly thi thr pro lac pur

O

OO

O

小结（作图步骤）：（ 1 ）作直线连锁图，确定基因间距离及其染色体全长（分钟）。

（ 2 ）画圆，根据染色体全长标示刻度，按照基因间距离标示基因。

（ 3 ）标示 Hfr 起点、 终点、菌株 号。

HfrAB312

c.c. 重组作图法重组作图法：： 两基因转移时间间距小于两基因转移时间间距小于 22分钟分钟时，中断杂交法的图距不精确，应时，中断杂交法的图距不精确，应采用传统的重组作图法。采用传统的重组作图法。

例：紧密连锁二基例：紧密连锁二基因因 ::

lac-(lac-(乳糖不发酵乳糖不发酵 ))

ade-(ade-(腺嘌呤缺陷型腺嘌呤缺陷型 ))

Hfr lac+ade+(Strs)× F- lac-ade-(Strr)

完全培养基混合培养

基本培养基(无腺嘌呤、加 Str)

F-ade+ 菌落

F-ade+lac- ，则说明基因间发生交

换

F-ade+lac+ ，则说明未发生交换

加乳糖

基因间重组频率

两个位点间的时间约为 1分钟，大约相当于 20%的重组值。

3. 性导（ Sexduction ）

概念概念：接合以：接合以 F’因子为媒介为媒介将供体菌染色体将供体菌染色体 DNADNA 转移转移到受体细菌，形成部分二倍到受体细菌，形成部分二倍体的过程。体的过程。

F’F’ 菌株的突出特点：菌株的突出特点：

⑴ ⑴ F’F’ 因子转移基因的比率极高，如同因子转移基因的比率极高，如同 FF++ 因子的转移比率；因子的转移比率； ⑵ ⑵ F’F’ 因子的自然整合率极高，但是整合不是随机的，需要因子的自然整合率极高，但是整合不是随机的，需要 经过配对整合到特定的座位上。 经过配对整合到特定的座位上。

应用：应用：

（（ 11 ）确定基因的显隐性关系（上图）。）确定基因的显隐性关系（上图）。

（（ 22 ）绘连锁遗传图：）绘连锁遗传图：

原理：原理： FF++ 不同的不同的 Hfr Hfr 不同的不同的 F’ F’ 距离近的基因容距离近的基因容易环易环

出到同一个出到同一个 F’F’ 因子上因子上“并发性导”“并发性导”详尽的连锁图详尽的连锁图 ..

方法：同 “并发转导”方法：同 “并发转导”

4. 转导（ Transduction ）（ 1 ）概念：

转导：是指以噬菌体为媒介将供体细菌 DNA 导 入到受体细菌并发生遗传重组的过程。

1/1000

转导颗粒： 溶菌噬菌体末期，噬菌体装配过程中，外壳

蛋白识别一定长度的 DNA 分子，形成成熟的子代噬菌体时，把寄主细菌的 DNA 片段“错误”地组装到外壳蛋白中而形成。由于感染细菌的能力决定于噬菌体外壳蛋白，所以转导颗粒具有和正常噬菌体相同的侵染能力。

转导体： 转导颗粒将供体细菌的染色体片段转移到受

体细菌，重组后的受体细菌叫作转导体。

（ 2 ）发现与证实： 黎德伯格（ Leaderburg ）与津德（ Zinder ）（ 1951 ）发现： 鼠伤寒沙门氏菌中转导现象： 将两个沙门氏菌的营养缺陷型进行杂交：

phe- try- tyr- met+ his+ × phe+ try+ tyr+ met- his-

混合培养 phe+ try+ tyr+ met+ his+

基本培养基（ 10 － 5 ）

证实： a. 10 － 5 > 10 － 12 （ 10 － 6× 10 － 6 ）排除回复突变。 b. 戴维斯 U 型管试验 (防止细胞直接接触 ) 也获得野生型重组 体。排除由于接合或性导 c. DNase 处理重组体。排除转化。

推测：某种过滤性因子（ FA ）可以穿过 DavisU 型管滤片。抗血清可

以抑制重组体出现。 P22 噬菌体。

（ 3 ）普遍性转导：

a. 概念 供体细菌染色体组的任何部分都可以组装到转导颗粒

中，从而可以转移到受体细菌中。（ P1 ）

b. 并发性导（ co-transduction ）与细菌作图合转导（并发转导、共转导）： 两个基因同时被包装到一个转导颗粒，从而一起

重组到受体细菌的染色体上。二因子作图： 供体 受体 合转导频率 a+ b+ a b 30% ab 近 a+ c+ a c 35% ac 近 a 在 bc 之

间 b+ c+ b c 3% bc 远三因子作图： 供体 受体 合转导频率 leu+ thr+ azi+ leu thr azi

实验 1 ：

leu azi thr azi leu thr

实验 2 ：

azi leu thr

实验 3 ： 最大转导片段

根据合转导频率推导基因之间的物理距离

）（＝ 3 X-1Ldd －基因之间的物理距离（ bp ， kbp ）

L －转导 DNA 的平均长度 （ bp ， kbp ）

X －两个基因合转导的频率

（ 4 ）特殊性转导：温和性噬菌体进行的转导，只能 转导部分基因。

att

att

N

R

J

A

N R A J

NR

RA

JN

RA

J

JA

R

N

J

A

R

Nd gald gal

bio+bio+

I I 噬菌体噬菌体 DNADNA 特异特异性性

整合到细菌染色体。整合到细菌染色体。

II II 噬菌体噬菌体 DNADNA准确 准确

环出。环出。

III III 噬菌体噬菌体 DNADNA 不不准准

确环出确环出特殊性转特殊性转

导噬菌体的形成。导噬菌体的形成。

d gal / d gal / d biod bio

d gald gal ＋ ＋ E.coliE.coli

UV50% + + 50% d galgal

IV 高频转导（ HFT ）

N

RA

J

NR

J

N R A JN R A