遺傳學(xué)_第五章_細(xì)菌和病毒的遺傳

1、前前 言言 遺傳學(xué)的研究從細(xì)胞水平推進(jìn)到分子水平，一是由于基因物理、化學(xué)結(jié)構(gòu)的了解日益深入，二是由于采用了新的研究材料細(xì)菌和病毒，顯然細(xì)菌和病毒的遺傳研究對(duì)分子遺傳學(xué)的發(fā)展具有十分重要的作用。第五章第五章 細(xì)菌和病毒的遺傳細(xì)菌和病毒的遺傳 根據(jù)寄主的不同把病毒分為植物病毒、動(dòng)物病毒和細(xì)菌病毒。細(xì)菌病毒又叫噬菌體（bacteriophage），它是目前研究比較清楚的一種病毒。 真核生物的基因重組是通過減數(shù)分裂實(shí)現(xiàn)的，而原核生物的細(xì)菌和既不是原核生物又不是真核生物的病毒，它們不進(jìn)行減數(shù)分裂，但也能進(jìn)行基因重組。第五章第五章 細(xì)菌和病毒的遺傳細(xì)菌和病毒的遺傳 第一節(jié)第一節(jié) 細(xì)菌和病毒遺傳研究的意義細(xì)

2、菌和病毒遺傳研究的意義第二節(jié)第二節(jié) 噬菌體的遺傳分析噬菌體的遺傳分析 一、噬菌體的結(jié)構(gòu)與繁殖一、噬菌體的結(jié)構(gòu)與繁殖 形態(tài)：蝌蚪形、微球形、細(xì)線形等。 結(jié)構(gòu)：E. coli T系列如T1、T2、T3、T4-T7等 為蝌蚪形，它們的結(jié)構(gòu)相似。 分類：烈性噬菌體烈性噬菌體（virulent phage）， 如E. coli 的 T偶數(shù)列噬菌體 溫和型噬菌體溫和型噬菌體（temperate phage），如、P1 和80噬菌體1、烈性噬菌體的繁殖、烈性噬菌體的繁殖圖圖75 烈性噬菌體（烈性噬菌體（T4）的繁殖）的繁殖概念：概念： 噬菌斑噬菌斑：把對(duì)噬菌體敏感的細(xì)菌和噬菌體混合培養(yǎng)在瓊脂培養(yǎng)基上，未受侵

3、染的細(xì)菌迅速生長(zhǎng)，形成菌落（colony），而受侵染的細(xì)菌裂解（lysis），再侵染鄰近細(xì)菌使之再裂解，在長(zhǎng)滿菌落的不透明培養(yǎng)基上，會(huì)出現(xiàn)肉眼可見的透明的斑點(diǎn)，叫噬菌斑。 基因型不同的噬菌體，產(chǎn)生的噬菌斑大小和形態(tài)不同，寄主范圍（host range）也可能不同，根據(jù)這些性狀可以加以區(qū)別。 2、溫和型噬菌體的繁殖、溫和型噬菌體的繁殖 圖圖76 噬菌體的溶源性周期和裂解周期噬菌體的溶源性周期和裂解周期 概念：概念：溶源性（lysogeny）周期：原噬菌體（prophage）：溶源性細(xì)菌：溶源性細(xì)菌對(duì)同一種噬菌體的侵染是免疫的。噬菌體感染細(xì)菌后，通過交換整合到細(xì)菌染色體上，而P1噬菌體并不整合到細(xì)

4、菌染色體上，但它們都是溶原性細(xì)菌，屬溫和型噬菌體。溫和型噬菌體多數(shù)情況下，進(jìn)行溶源性周期，但在外界因素影響下，也能進(jìn)入裂解周期二、二、T2噬菌體的基因重組噬菌體的基因重組 赫爾歇（Hershey）對(duì)T2噬菌體的基因重組作了研究。研究的性狀是噬菌斑的大小和寄主范圍（host range）。 野生型r-小噬菌斑； 突變型r-大噬菌斑； 野生型h-只能感染E. coli的B品系； 突變型h-既能感染B品系，又能感染B2品系。 噬菌體雜交：兩種不同基因型的噬菌體在同一細(xì)菌體內(nèi)的基因重組。 hr+ h+ r 即同時(shí)感染B品系，DNA復(fù)制后可能配 對(duì)，h r之間可能發(fā) 生交換 h r+ h+ r h r+

5、 h+ r裂解后接種在同時(shí) 含有B和B/2系的培養(yǎng)基上 h r+ h+ r h r h+ r+透明、小斑 半透明、大斑 透明、大斑 半透明、小斑 親 型 重 組 型 重組型噬菌斑數(shù)交換值= 100 總噬菌斑數(shù) 去掉即為兩基因（h、r）之間的遺傳距離 第三節(jié)第三節(jié) 細(xì)菌的遺傳分析細(xì)菌的遺傳分析 一、轉(zhuǎn)化一、轉(zhuǎn)化 轉(zhuǎn)化（transformation）：指一種細(xì)菌或細(xì)胞通過細(xì)胞膜吸收外源DNA（供體DNA），并通過重組將外源DNA整合（參入）到自己的基因組中，從而表現(xiàn)出供體（donor）遺傳性狀的現(xiàn)象。 接受供體遺傳物質(zhì)的細(xì)胞稱為受體（receptor）。 只有當(dāng)整合的DNA片段產(chǎn)生新的表現(xiàn)型時(shí)，才

6、能測(cè)知轉(zhuǎn)化的發(fā)生。 轉(zhuǎn)化現(xiàn)象最初是由格里費(fèi)斯（Griffith，F(xiàn).）在1928年研究肺炎雙球菌時(shí)發(fā)現(xiàn)的。 肺炎雙球菌有兩種類型： （1）光滑型（S型）：被一層多糖類的莢膜所保護(hù)，有毒性，在培養(yǎng)基上形成光滑的菌落。 （2）粗糙型（R型）：沒有莢膜，沒有毒性，形成粗糙型菌落. 根據(jù)血清學(xué)反應(yīng)，分成許多抗原型：S、S、S、R、R.轉(zhuǎn)化試驗(yàn)：轉(zhuǎn)化試驗(yàn)：無毒的R型 有毒的S型 R型 S型（加熱殺死） 注入 加熱（65）殺死再注入 混合后注入一個(gè)體內(nèi) 老鼠 老鼠 老鼠 不死亡 不死亡 死亡RR型細(xì)菌重現(xiàn)型細(xì)菌重現(xiàn) 無無SS型菌重現(xiàn)型菌重現(xiàn) 有少數(shù)有少數(shù)SS型菌重現(xiàn)型菌重現(xiàn) 1944年阿委瑞（Avery，

7、O. T.）不僅重復(fù)了上述實(shí)驗(yàn)，而且將S型菌的DNA提取物與R型混合在一起，在離體培養(yǎng)條件下，使少數(shù)R型轉(zhuǎn)化成了S型，并能穩(wěn)定遺傳，因?yàn)樵撎崛∥锊皇艿鞍酌?、多糖酶、核糖核酸酶（RNA酶）的影響，而只能為DNA酶所破壞，所以認(rèn)為促成轉(zhuǎn)化的物質(zhì)是DNA。說明R型通過吸收了S型的DNA片段，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)化過程。 這個(gè)轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)直接證明了遺傳物質(zhì)是DNA，而不是蛋白質(zhì)，也說明細(xì)菌的遺傳物質(zhì)可以通過轉(zhuǎn)化進(jìn)行重組。轉(zhuǎn)化的過程： 1、供體、供體DNA的結(jié)合和穿入的結(jié)合和穿入 （1）供體DNA片段必須是雙鏈，且至少具有一定的長(zhǎng)度和一定的濃度（2）受體細(xì)胞必須處于感受態(tài) （3）受體細(xì)胞利用DNA外切酶或移位酶（tra

8、nslocase）降解其中 一 條鏈，利用降解產(chǎn)生的能量，將另一條鏈縱向拉進(jìn)細(xì)胞。2、聯(lián)會(huì)（、聯(lián)會(huì)（synapsis） 供體單鏈DNA與受體DNA根據(jù)親緣關(guān)系進(jìn)行聯(lián)會(huì)，親緣關(guān)系遠(yuǎn)， 聯(lián)會(huì)的可能性就小，轉(zhuǎn)化的成功率就低，反之，則大。 3、整合（、整合（integration） 配對(duì)后通過置換作用，使供體DNA片段參入到受體DNA中。 二、接合二、接合 接合(conjugation)：指原核生物的遺傳物質(zhì)通過細(xì)胞接觸從供體（雄性）轉(zhuǎn)移到受體（雌性）的過程。（一）接合與轉(zhuǎn)化的區(qū)別（一）接合與轉(zhuǎn)化的區(qū)別 1946年黎德伯格（Lederberg，J.）和塔特姆（Tatum，E.）用E. coli K12

9、品系做的實(shí)驗(yàn)：met：甲硫氨酸缺陷型bio：生物素（biotin）缺陷型thr：蘇氨酸（threonine）缺陷型leu：亮氨酸（leucine）缺陷型 圖圖711 戴維斯的戴維斯的U型管試驗(yàn)型管試驗(yàn) 為了解釋上述原養(yǎng)型形成的原因，1950年戴維斯（Davis, B.）設(shè)計(jì)了U型管試驗(yàn)（圖711）。 A菌株和B菌株混合一段時(shí)間后，從任何一個(gè)臂內(nèi)取樣，分別涂布在基本培養(yǎng)基上，都沒有出現(xiàn)原養(yǎng)形細(xì)菌。說明細(xì)胞接觸是上述實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)原養(yǎng)型的必要條件。所以這是接合而不是轉(zhuǎn)化，二者的區(qū)別就在于細(xì)胞是否接觸。 （二）接合的過程（二）接合的過程 1952年，海斯（Hayes, W.）證明，接合中遺傳物質(zhì)的交流是單

10、方向的：A（雄性，供體）B（雌性，受體） 后來研究發(fā)現(xiàn)，之所以AB，是因?yàn)锳中有一個(gè)性因子（sex factor），稱F因子，它是DNA，它可以自主存在于細(xì)胞質(zhì)中，也可整合到細(xì)菌的染色體組內(nèi)，這類遺傳顆粒叫附加體（episome）。根據(jù)F因子在細(xì)胞中存在的狀態(tài)，將細(xì)菌（以E. coli為例）分為三類： F+：F因子自主狀態(tài)存在于細(xì)胞質(zhì)中 F：細(xì)胞質(zhì)中無F因子 Hfr：F因子整合在細(xì)菌的染色體組內(nèi) 接合有兩種情況： 部分二倍體（部分合子）內(nèi)基因子 外基因子 單交換時(shí)，E. coli的染色體被打開，呈鏈狀，細(xì)菌死亡，無意義。雙交換時(shí)，產(chǎn)生遺傳的重組體，實(shí)現(xiàn)了遺傳物質(zhì)的交換。需要說明的是F很少轉(zhuǎn)為H

11、fr（與F可轉(zhuǎn)化為F區(qū)別），因?yàn)镠fr中的DNA在轉(zhuǎn)移的過程中，接合常常中斷。 分分 別別 影影 印印 培培 養(yǎng)養(yǎng) 到到 各各 培培 養(yǎng)養(yǎng) 皿皿 中中（三）中斷雜交試驗(yàn)和染色體作圖（三）中斷雜交試驗(yàn)和染色體作圖在接合過程中，根據(jù)F細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)Hfr細(xì)胞基因的時(shí)間早晚來確定其順序，從而進(jìn)行基因定位。原理：把Hfr菌株與F菌株混合培養(yǎng)設(shè)Hfr菌株的基因型為：strs a+ b+ c+ d+ F菌株的基因型為：strr a b c d（strs-鏈霉素敏感基因，strr-鏈霉素抗性基因，a b c d代表不同的基因，-為原養(yǎng)型或抗性， -為缺陷型或敏感型）含含str的完全培養(yǎng)基的完全培養(yǎng)基以殺死以殺死

12、Hfr細(xì)胞細(xì)胞 缺少缺少A物質(zhì)的物質(zhì)的 缺少缺少B物質(zhì)的物質(zhì)的 缺少缺少C物質(zhì)的物質(zhì)的 缺少缺少D物質(zhì)的物質(zhì)的 完全培養(yǎng)基完全培養(yǎng)基 完全培養(yǎng)基完全培養(yǎng)基 完全培養(yǎng)基完全培養(yǎng)基 完全培養(yǎng)基完全培養(yǎng)基Hfr F混合培養(yǎng)混合培養(yǎng)隔一定時(shí)間取樣攪 拌 1950年雅科（Jacob，F(xiàn).）和沃爾曼（Wollman，E.）的中斷雜交試驗(yàn)（interrupted mating experiment）:Hfr的基因型的基因型 F的基因型的基因型thr-蘇氨酸野生型 thrleu-亮氨酸野生型 leuaziR-抗疊氮化鈉 aziStonR-抗T1噬菌體 tonSlac-能發(fā)酵乳糖 lacgal-能發(fā)酵半乳糖 g

13、alstrS-對(duì)鏈霉素敏感 strR實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：混合8分鐘后取樣，開始出現(xiàn)少量thr的F菌落；混合8.5分鐘后取樣，開始出現(xiàn)少量leu的F菌落；混合9分鐘后取樣，開始出現(xiàn)少量抗azi的F菌落；混合11分鐘后取樣，開始出現(xiàn)少量抗T1噬菌體的F菌落；混合18分鐘后取樣，開始出現(xiàn)乳糖發(fā)酵基因的F菌落；混合25分鐘后取樣，開始出現(xiàn)半乳糖發(fā)酵基因的F菌落；在18分鐘之前F均屬不發(fā)酵型。 隨著時(shí)間的推移，從Hfr得到的某個(gè)等位基因重組體的百分率增加，百分率增加到一定程度，就維持在一定的水平，很少出現(xiàn)100，這是因?yàn)樵谌藶閿嚢柚埃行┙雍弦呀?jīng)中斷，這種情況在重組體中就不會(huì)出現(xiàn)某個(gè)基因 。 根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)可知，

14、Hfr菌中的基因是按一定的線性順序依次進(jìn)入F的，據(jù)開始進(jìn)入時(shí)間的早晚，可作出基因的直線連鎖圖（圖718），以始點(diǎn)為原點(diǎn)（origin） , 寫作Othr leu azi ton lac gal F 8 8.5 9 11 18 25O 圖圖718 根據(jù)中斷雜交試驗(yàn)作出的大腸桿菌直線連鎖圖（數(shù)字單位：根據(jù)中斷雜交試驗(yàn)作出的大腸桿菌直線連鎖圖（數(shù)字單位：min） 注意注意：對(duì)于同一種細(xì)菌來說，不同的菌株F因子整合到細(xì)菌染色體的位置可能不同，這就形成不同的Hfr類型，在接合時(shí)，轉(zhuǎn)移的原點(diǎn)和方向可能不同，就會(huì)出現(xiàn)多種基因轉(zhuǎn)移順序（如表76）。Hfr的類型基因轉(zhuǎn)移順序HfrH123AB312O thr p

15、ro lac pur gal his gly thiO thr thi gly his gal pur lac proO pro thr thi gly his gal pur lac O pur lac pro thr thi gly his galO thi thr pro lac pur gal his gly 從表76看出，盡管Hfr類型不同，基因轉(zhuǎn)移的起點(diǎn)和順序不同，但基因的相鄰關(guān)系并沒有改變，說明細(xì)菌染色體是環(huán)狀的，據(jù)表76作連鎖圖（圖719），但當(dāng)兩基因的距離小于2分鐘時(shí)，中斷雜交法作出的圖距不太準(zhǔn)確 。表表76 用中斷雜交法確定的幾個(gè)用中斷雜交法確定的幾個(gè)Hfr菌株的基因順序菌

16、株的基因順序三、性導(dǎo)三、性導(dǎo)（sexduction） F因子整合在細(xì)菌染色體（形成Hfr）的過程是可逆的，即可以整合上去，也可以通過環(huán)出（looping out）又離開染色體，但偶爾在離開時(shí)不夠準(zhǔn)確，攜帶了一段細(xì)菌染色體，這種F因子稱F因子，在接合時(shí)，含有F因子的細(xì)菌（供體）以高頻率地轉(zhuǎn)移它的基因，并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（與正常F因子可整合在不同的座位相區(qū)別）形成部分二倍體，F(xiàn)因子可能消失，也可能通過交換使等位基因發(fā)生重組，產(chǎn)生重組體，實(shí)現(xiàn)了遺傳物質(zhì)的交換。 四、轉(zhuǎn)導(dǎo)四、轉(zhuǎn)導(dǎo) 轉(zhuǎn)導(dǎo)（transduction）：指以噬菌體為媒介，將一個(gè)細(xì)菌的遺傳物質(zhì)轉(zhuǎn)移給另一個(gè)細(xì)菌的過程。 在轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中，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)，通過再次感染而轉(zhuǎn)移到另一個(gè)受體細(xì)菌內(nèi)，形成的部分二倍體可以發(fā)生交換，從而實(shí)現(xiàn)遺傳物質(zhì)的重組。有些噬菌體包裝細(xì)菌染色體的片段是隨機(jī)的，這叫普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)（generali