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第八章 细菌和病毒的遗传. 教学目的和要求. 1. 理解细菌影印法研究 2. 掌握细菌和病毒的四种遗传分析方法:转化、接合、性导、转导 3. 掌握 F + 、 F - 、 F’ 、 Hfr× F + 的特点 4. 掌握中断杂交和重组作图的原理 5. 掌握噬菌体结构和基因重组特点. 发展简史:. 二十世纪四十年代以后,人们普遍以微生物作为研究对象来代替过去常用的动、植物。 细菌和病毒作为实验材料的优越性(见下) 1928 年,格里菲斯 肺炎双球菌 “转化现象” 1941 年,比德尔 红色面包霉“一个基因一种酶” 1944 年,艾弗里证明了 DNA 是遗传物质 - PowerPoint PPT Presentation
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第八章 细菌和病毒的遗传教学目的和要求
1. 理解细菌影印法研究2. 掌握细菌和病毒的四种遗传分析方法:转化、接合、性导、转导3. 掌握 F+ 、 F- 、 F’ 、 Hfr× F+ 的特点4. 掌握中断杂交和重组作图的原理5. 掌握噬菌体结构和基因重组特点
二十世纪四十年代以后,人们普遍以微生物作为研究对象来代替过去常用的动、植物。 细菌和病毒作为实验材料的优越性(见下) 1928 年,格里菲斯 肺炎双球菌 “转化现象” 1941 年,比德尔 红色面包霉“一个基因一种酶” 1944 年,艾弗里证明了 DNA 是遗传物质 1946 年,莱德伯格等用大肠杆菌 K12 菌株的两个营养缺陷型菌株的遗传重组。 基因化学本质的确定——分子遗传学
发展简史:
细菌、病毒作为实验材料的优越性 便于找出营养缺陷型 便于基因作用的研究 便于研究基因突变 便于研究基因的精细结构 便于用作研究复杂体制的生物的简单模型(可作为模式生物) 另:遗传物质含量少; DNA 结构简单; DNA是单倍体;代谢过程易于控制和鉴别;便于建立纯系;便于长期保藏等。
细菌的遗传分析 以大肠杆菌为例:细胞长约 2 ㎛,直径 1 ㎛
呈直棒状。 细胞壁: 细胞膜: 细胞质: 细胞核:结构简单,是“裸露”的 DNA ,
呈环状,其长度达 1100—1400 ㎛,在细胞内高度折叠盘绕、综错复杂,对遗传性状的传递起着重要作用。
质粒( Plasmid ) 位于大肠杆菌细胞质中,是染色体以外的遗传
物质。 是微小的、环形的双链 DNA 分子 ,携带复制
自己的基因,有时还携带一些其它基因,因而能赋予寄主某些新的属性。
质粒的类型:感染性质粒和非感染性质粒;自主复制型质粒和结合型质粒; R 质粒(抗重金属盐和对抗菌素有抗性); Col 质粒(合成大肠杆菌素质粒)等。
大肠杆菌的有性生殖和基因重组 大肠杆菌的繁殖方式主要为裂殖,其有性生殖
过程与真核生物不同,并不形成两个细胞的真正融合,而是给体细胞的一部分基因物质被转移到受体细胞,与受体细胞的内在基因形成重组的染色体。
细菌的交配结合 1946 年, J.Lederberg 和 E.L.Tatum 用大肠杆
菌进行实验 通过诱变实验 ,获得 E.ColiK12 的两个营养缺陷
型菌株亲本Ⅰ: bio-met-thr+leu+thi+
亲本Ⅱ: bio+met+thr-leu-thi-
注: bio 生命素; met蛋氨酸; thr苏氨酸; leu亮氨酸; thi硫氨素。“ +”号表示野生型;“ -”表示缺陷型。
E.coli 重组的证明met-bio-thr+leu+thi+ met+bio+thr-leu-thi
2×108 108 108 2×108
无菌落 无菌落
若干原养型菌落 met+bio+thr+leu+thi+
著名的 U 形管实验 The U-tube experiment of B.Davis. Alternating suction
and pressure force liquid and macromolecules back and forth across the filter.
StrainA StrainB
Filter
解释 Lederberg 和 Tatum 的解释:亲本Ⅰ met-bio-thr+leu+thi+
亲本Ⅱ met+bio+thr-leu-thi-
met+bio+thr+leu+thi+
met-bio-thr-leu-thi-
证明 Davis 的 U 形管实验形象、有力地证明了原养型菌落的出现必需要细菌间的直接接触。后来,电镜观察发现细菌间确实存在着有性结合过程。
F-
F+
Electron micrograph of conjugation between an F+ ( upper rigbt ) and F- ( lower left ) cell with the F-pilus (菌毛、伞毛) between them.
遗传物质的单向转移 细菌的结合是一种普遍现象 一个只作为给体(父体),另一个只作为基因受体或母体。 1952 年,威廉 .H 用链霉素处理父本,菌株丧失其分裂能力,但仍然保持其功能;同样处理母本,再与父本混合,二者之间无遗传物质转移。由此看来,父本的功能只在于交付某些 DNA ,并不需要保持全部活力,而母体则必须保持活力,使结合子能够发育形成。
F 因子( fertility ) 细菌的父性是由一种可转移的遗传物质决定的; 父性与母性细胞交配结合后,母性细胞全部变
成了父性; 决定父性属性的遗传物质被称为 F 因子; F 因子只能由两细胞直接接触而转移,即单向
转移。
中断杂交图 Wollman and Jacob
分析 8 分钟取样,所得菌落标记基因完全与 F-相同,说明 Hfr 的基因还没有进入 F- 细胞
9 分钟取样,开始出现少量 azir 菌落,说明叠氮化钠基因已经进入 F- 细胞
11 分钟后取样,开始出现 azirtonr 型的 F- 菌落 混合 18 分钟和 24 分钟取样时,又分别出现 az
ir 、 tonr 、 lac+ 和 azirtonrlac+gal+ 的菌落。
进一步分析 Hfr上的基因在一定时间内以一定的顺序先后进入 F- 细菌中
某一基因进去的时间愈早,它所达到的百分率也愈高。例如, azir 基因在 24 分钟时就达到大约 90% ; gal+ 基因最高也不超过 30%
由此推断, Hfr 的染色体从原点 O ( origin )开始,以线性的方式进入 F- 细胞,其上的基因离 O 点愈近,进入 F- 细胞就愈早。反应在曲线上,表现在前者斜率高,最高值也大;后者斜率低,最高值也小。
作图 根据中断杂交实验,以每一基因转移的时间
(分钟)作为基因距离的单位,即可作出 Hfr
细菌的线性 基因连锁图如下: 0 9 11 18 25 0 azi ton lac gal F 0 9 11 18 25
几个 Hfr 菌株的基因顺序菌株 基 因 转 移 顺 序
Hfr H 0 thr pro lac pur gal his gly thi1 0 thr thi gly his gal pur lac pro2 0 pro thr thi gly his gal pur lac
3 0 pur lac pro thr thi gly his galAB 312 0 thi thr pro lac pur gal his gly
分析 乍一看,上表中 Hfr品系的基因转移顺序都各
不相同,那么,基因转移的顺序是不是随机的呢?
如 his 基因,不管位置如何变化,总是 gal 在一边, gly 在一边,其它基因也如此。
基因在染色体上的位置是排定的 不同的是 0 点的位置在不断变化,即看 0 点究竟在那两个基因之间。
解释 Alan Campbell 认为 F 是一个小的细胞质成分,
F+雄性的染色体是环状的,线性的 Hfr 染色体可以由 F 插在 环状染色体的不同部位而得到。 •关于 F 的整合: Campbell提出 F 也是环状的,包括三个不同区段。细菌染色体有几个与 F 同源的配对区段,由于在这些不同位点上交换而产生不同的 Hfr 染色体。
Wollman 和 Jacob假说 大肠杆菌的 染色体为环状, F 因子可插入到环状染色体的某些特定部位,将来染色体就在 F 因子处断开成为线状, F 因子为末端,与之相对的一端为 0 点。这样就解释了上表 Hfr 菌株基因转移的不同情况。
大肠杆菌环状染色体的基因分布图
F 因子整合到染色体的过程 F 因子是质粒的一种,也为环状 DNA 分子,可分
为四个部分: 原点( 0 )是染色体转移的起始点育性基因,也叫形成性伞毛的基因群( gene famil
y ),可使 F- F⇒ +
DNA 复制酶基因,与 F 因子复制有关插入序列( insertion sequence , IS ),也是配对区段。与主染色体的某些区段相对应。
F 因子图解 环状 原点( 0 )
育性基因 复制 F
配对区
附加体( episome ) 概念:象 F 因子这样既能独立存在,又能整
合到染色体上成为染色体一部分而进行复制和传递,这样的质粒称为附加体。 F 质粒是附加体的一种。
注: IS具极性,可决定 F 因子的整合位点和转移方向。见刘祖洞 P226 图 7-8
交换过程 即 Hfr 转移过去的基因与 F- 基因的重组
特别说明 由于在以上交配结合中,受体细胞只能得到供
体细胞的部分染色体,因而只有部分染色体是二倍性的,称为部分二倍体( partial dip-oid )或部分合子( merozygote )
注:①只有偶数交换才能产生有活性的重组子和片断
②由于片断在以后的细胞分裂中丢失,所以,相反的重组子不出现。
重组作图 如果时间单位接近两分钟,得到的图距很不可靠,这时要用传统作图法。 如: lac 和 ade 两个基因紧密连锁 Hfr lac+ade+strs X F- lac-ade-strr
重组子 lac+ade+strr lac-ade+strr
(无交换) (交换) 重组率 =lac-ade+/ ( lac+ade+ ) + ( lac-ade+ )ⅹ 100% ≌22%☞根据作图法得 lac 与 ade之间为 1 分钟,相当于 20% 的重组值,数据基本吻合。
F' 菌株的来源与习性 ----- 性导 一种新的 F 因子( Adelberg , 1959 ) 携带有主体 DNA 的质粒叫 F’ 质粒( F’ —Pr
ime )。含有 F’ 质粒的细胞叫 F’ 细胞(或 F' 菌株)
相当于细胞的第二染色体,不能丢失,一旦丢失,很可能会造成细胞的死亡。
与 F 质粒一样,通过与 F- 菌株的结合而转移,也能与主体 DNA整合。如下图所示
F′ 因子
性导示意图 通过 F’ 因子将供体主染色体上的基因导入受体细菌,使受体细菌构成部分二倍体的过程称为性导( Sexducti
on )或 F—duction
F+ 、 F- 、 Hfr 、 F'之间的关系 F+
获得 丢失 脱离 整合 F- Hfr
丢失 整合 脱离 整合 F'
噬菌体遗传学 噬菌体杂交 裂解 (lysis) :噬菌体附着到细菌体表,将它的遗传物质注入细菌细胞质中,利用细菌作为它的基质,合成更多的噬菌体,细菌细胞壁破裂后,大量噬菌体被释放出,这一过程称为裂解。1 、噬菌体杂交:当用两种不同的噬菌体株系共同侵染一种细菌时,会发现两种亲本噬菌体基因间发生重组,这种现象称为噬菌体重组。2 、根据噬菌体杂交后代基因型是亲本组合还是重组合,计算出 RF 值,进一步可以绘出连锁图。
溶源性 噬菌体原 (prophage) :在细菌染色体的特异位点整合进整个噬菌体基因组,整合进细菌基因组中的噬菌体称为噬菌体原。
温和性噬菌体和溶源性细菌 溶源菌 (lysogenic bacterium) :含有噬菌体原的细菌具有产生和释放噬菌体的潜力,这种细菌称为溶源菌。
溶源菌具有抗某些噬菌体侵染的能力,但是它可产生噬菌体侵染其它非溶源菌。
烈性噬菌体 (virulent phage) :不能溶源化细菌的噬菌体称为烈性噬菌体。
温和噬菌体 (temperate phage) :能够溶源化细菌的噬菌体称为温和噬菌体。
转导 转导 (transduction) :通过噬菌体将一个细菌的基因带入
另一个细菌中的过程。转导分为一般性转导和特异性转导一般性转导
1965 年 K. lkeda 和 J. Tomizawa 在大肠杆菌噬菌体 P1 上的研究发现,当一个非溶源的供体细胞被 P1 裂解时,细菌染色体被打成小段,在形成噬菌体时,偶尔将一长段细菌 DNA 结合进噬菌体的头部。当该噬菌体侵染其它细菌时,可将这部分 DNA 注入受体细胞中,形成部分二倍体,所转导的基因可被重组。利用部分二倍体可以得出基因座之间的连锁关系。
在这种转导中,每个寄主标记都可能被转导,所以称为一般性转导。
特异性转导 噬菌体在转导时,只携带细菌染色体的限定部分,这种转导称为特异性转导。以 λ 噬菌体为例,说明特异性转导。 λ 噬菌体原经常插入 E.
coli 寄主染色体邻近 gal (半乳糖苷酶)区段。
上述溶源菌以两种方式重新产生噬菌体 1 、噬菌体原区段形成一个外环,在两对噬菌体和细菌整合位点间产生一个交换,其结果重又产生一个正常的 λ 噬菌体,它的整合位点是完整的,有再次侵染能力,见图(一)。
2 、有时以非常低的频率形成一个异常的外环,在非原整合位点产生一个交叉,重新形成一个带有 gal 基因的噬菌体颗粒。该颗粒是不完整的,其中一些基因被留在寄主中,这些噬菌体被称为 λdgal 。
它们的整合位点是有缺陷的,混合位点不能给催化噬菌体和细菌重组的酶提供正确的底物,因此单独侵染细菌时不能整合。必须与野生型噬菌体共侵染,与 λdgal 共侵染的噬菌体称为助噬菌体 (helper phage) 。
用 λdgal+ 共侵染受体 gal- 时,结果会有以下两种结果:
1 、侵染后,在无机培养基上可以见到少数 gal+
转导细胞生长并形成菌落。
2 、大部分会形成双溶源菌。如果把双溶源菌裂解,在转导中做为供体,将会得到很高的转导频率。该裂解物称为高频转导 (hight-frequency
transduction, HFT) 裂解物。因为在该裂解物中既包含 λdgal ,也包含野生型 λ ,不需添加助噬菌体,因而提高了转导频率。
本章小结1. 细菌研究的影印培养法2. 噬菌体的类型 裂型噬菌体、温和噬菌体、噬菌体的基
因重组与作图3. 细菌遗传分析中的基因转移 性导和转导