微生物遺傳學課件

1、第七章 細菌和病毒的遺傳細菌和藍綠藻屬于原核生物：一個線條狀或環(huán)狀染色體(單倍體結構)；無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：比細菌更簡單；在寄主細胞內(nèi)以集團形式產(chǎn)生；屬于只有一條染色體的單倍體。第一節(jié) 細菌和病毒遺傳研究的意義1.大?。杭毎^小、長約1.2um 、寬約0.5um；2.結構：鞭毛、細胞壁、質膜、間體、核質體、核糖體3.遺傳物質：單個主染色體、一個或多個小染色體（質粒）一、細菌： 研究細菌遺傳的方法：主要是對細菌菌落形態(tài)的遺傳研究(如圖，霉菌菌落) 原則上說，培養(yǎng)皿中每個細菌長成的菌落應具有共同的遺傳組成，但是由于偶然發(fā)生的突變：形態(tài)性狀的突變，

2、生理特性的突變或抗性的突變，而使這些突變后的細菌所形成的菌落與其他的菌落有所不同。菌落形態(tài)性狀的突變包括：菌落的形狀、顏色和大小等。(如圖，菌落形態(tài)性狀 )4.涂布和繁殖：每個細胞在較短時間內(nèi)(如一夜)能裂殖到107個子細胞 成為肉眼可見的菌落或克隆(Clone)。5.生理特性突變：. 營養(yǎng)缺陷型：喪失合成某種營養(yǎng)物質能力，不能在基本培養(yǎng)基上生長； 原養(yǎng)型：野生菌株則可在基本培養(yǎng)基上生長。用不同的選擇性培養(yǎng)基 測知突變的特性。. 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。測定突變的方法影印法：黎德伯格等(Lederberg和Lederb

3、erg,1952)設計。 Lederberg J., 1958Nobel獎獲得者，發(fā)現(xiàn)細菌轉導和接合 培養(yǎng)基中加有青霉素抗青霉素的菌生長沒有細胞結構，是單倍體，只有一條染色體。病毒 蛋白質外殼 + 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 DANRNA病毒分類：寄主：動物、植物、細菌；遺傳物質：DNA 或RNA。二、病毒： 病毒中沒有合成蛋白質外殼所必須的核糖體。所以，病毒必須感染活細胞，改變和利用活細胞的代謝合成機器，才能合成新的病毒后代。 感染細菌的病毒又叫噬菌體(bacteriophage), 是目前了解比較清楚的病毒。 噬菌體對于分子生物學的研究具有非常重

4、要的貢獻。常見幾個主要噬菌體的特性質見表71。1世代周期短： 大腸桿菌(E. Coli)20分鐘可繁殖一代。2便于管理和生化分析： 個體小，一般在1u至幾u之間，因一支試管可以儲存數(shù)以百萬計的細菌和病毒，操作管理方便。三、細菌和病毒在遺傳研究中的優(yōu)越性：3便于研究基因突變： 裸露的DNA分子(有的病毒為RNA分子)，易受環(huán)境條件的影響而發(fā)生突變；單倍體生物，不存在顯性掩蓋隱性問題，突變均能表現(xiàn)出來。4便于研究基因的作用： 影印培養(yǎng)，易檢出營養(yǎng)缺陷型突變，有利于從生化角度來研究基因的作用。5便于基因重組研究： 細菌具有轉化、轉導和接合作用，利用這些特性可以進行精密的遺傳學分析。6. 便于研究基因

5、結構、功能及調(diào)控機制： 細菌和病毒的遺傳物質簡單，基因定位、結構分析及其分離易于進行，基因的表達調(diào)控也適于用生理生化的方法進行深入的研究。7. 便于進行遺傳操作： 染色體結構簡單，沒有組蛋白和其它蛋白的結合，更宜于進行遺傳工程的操作。第二節(jié) 噬菌體的遺傳分析1. 結構簡單：蛋白質外殼、核酸、某些碳水化合物、脂肪等。2. 多樣性的原因：外殼的蛋白質種類、染色體類型和結構的不同。3. 兩大類(據(jù)噬菌體DNA在宿主細菌內(nèi)的特點 )： 烈性噬菌體：能引起寄主細胞裂解的噬菌體。 例：T噬菌體系列(T1-T7)； 溫和性噬菌體: 侵入寄主細胞后，不使寄主細胞裂解的噬菌體。具容源性的P1和噬菌體。一、噬菌體

6、的結構：、烈性噬菌體：1. 結構大同小異，外貌一般呈蝌蚪狀：頭部：雙鏈DNA分子的染色體；頸部：中空的針狀結構及外鞘；末端：由基板、尾針和尾絲組成。T偶列噬菌體2T偶列噬菌體的侵染過程（如T4噬菌體）： 尾絲固定大腸桿菌，遺傳物質注入 破壞寄主細胞原有的遺傳物質 合成大量的噬菌體遺傳物質和蛋白質 組裝成許多新的子噬菌體 溶菌酶裂解細菌 釋放出數(shù)百個噬菌體。T4噬菌體從大腸桿菌中釋放、溫和性噬菌體： 例如和P1噬菌體和P1各代表一種略有不同的溶源性類型。.噬菌體： 噬菌體侵入后，細菌不裂解 附在E.coli染色體上的gal和bio位點間的att座位上 通過交換整合到細菌染色體，并能阻止其它噬菌體

7、的超數(shù)感染。1. 溶源性的生活周期：.P1噬菌體：它并不整合到細菌的染色體上，而是獨立地存在于細胞質內(nèi)。只有少數(shù)基因活動，表達出阻礙物關閉其它基因。原噬菌體經(jīng)誘導可轉變?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和噬菌體的特性：P1和各代表不同的溶原性類型：P1噬菌體：侵入后并不整合到細菌的染色體上，獨立存在于細胞質內(nèi)；噬菌體：通過交換整合到細菌染色體上。 溶源性細菌分裂 兩個子細胞：P1噬菌體復制則使每個子細胞中至少含有一個拷貝；噬菌體隨細胞染色體復制而復制，細胞中有一個拷貝。共同特點：核酸既不大量復制，也不大量轉錄和翻譯。第三節(jié) 細菌的遺傳分析一、轉化（tran

8、sformation）：概念：指某些細菌能通過其細胞膜攝取周圍供體的染色體片段，將此外源DNA片段通過重組加入自己染色體組的過程。1928年，格里費斯(Griffith F.)在肺炎雙球菌中發(fā)現(xiàn)轉化現(xiàn)象。1944年，阿委瑞(Avery O. T.)成功地進行了肺炎雙球菌轉化試驗；證實遺傳物質是DNA；轉化是細菌交換基因的方法之一。 細菌中的大部分的轉化工作是用下面三種細菌完成的：肺炎雙球菌，枯草桿菌和流感嗜血桿菌。轉化主要分為二個步驟進行:(一)供體DNA與受體細胞間的接觸與互作 肺炎雙球菌轉化：DNA片斷至少有800個堿基對；枯草桿菌的轉化：DNA片斷至少有16000個堿基對。 轉化的第一步

9、是使轉化DNA與受體細菌間的成功地相互作用，這包括：轉化片段的大小、形態(tài)、濃度和受體細胞的生理狀態(tài)。 .轉化片斷的大?。?供體DNA分子存在的數(shù)目：對特定基因來說，供體DNA分子數(shù)目與成功轉化有關。鏈霉素抗性基因轉化：在每個細胞含有10個DNA分子之前，抗性轉化體數(shù)目一直與DNA分子存在數(shù)目成正比。原因：在細菌的細胞壁或細胞膜上有固定數(shù)量的DNA接受座位，故一般細菌攝取的DNA分子數(shù)小于10個。受體的生理狀態(tài)：受體細胞必須在生理上處于感受態(tài)。 這種感受態(tài)只能發(fā)生在細菌生長周期的某一時間范圍內(nèi)，在感受態(tài)內(nèi)，活躍合成的蛋白質的細菌細胞壁多少發(fā)生改變而易于接受轉化DNA。、轉化DNA的攝取和整合過程

10、：細菌中的轉化，包括供體DNA的結合與穿入，聯(lián)會和整合。 當細菌處于感受態(tài)時，外源雙鏈DNA分子可結合在受體細胞表面的接受座位上。細菌在攝取外源DNA時，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，將另一條鏈拉進細胞中。 .結合與穿入： 供體單鏈DNA片段一旦進入細胞，按各個不同的位點與其相應的受體DNA片段聯(lián)會。 .聯(lián)會：單鏈的轉化DNA通過與受體DNA對應位點的置換從而穩(wěn)定地參入到受體DNA中。 整合(重組)：轉化動化 (三)轉化和基因重組作圖 例如：黎德伯格等用枯草桿菌進行轉化和重組試驗 DNA 片段進入受體細胞之后，可與受體染色體發(fā)生重組。緊密連鎖的兩個基因有較多的機會包

11、括在同一個DNA片段中，并同時整合到受體染色體中。Trp2 his2 tyr1 三者并發(fā)轉化的頻率最高，故這3個基因是連鎖的，其中his2和tyr1連鎖緊密：單交換時，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從供體(donor)轉移到受體(receptor)內(nèi)的過程。特點：需通過細胞的直接接觸。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實例：黎德伯格和塔特姆（1946年）

12、：A菌株和B菌株營養(yǎng)缺陷型，不能在基本培養(yǎng)上生長。A+B菌株混合培養(yǎng)，在完全培養(yǎng)基上，幾小時后離心，涂布基本培養(yǎng),長出原養(yǎng)型(Met+bio+ thr+ leu+)菌落。這種原養(yǎng)型細胞如何出現(xiàn)？轉化？ 細胞間直接接觸而發(fā)生遺傳物質交換和重組?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 結果任何一臂的培養(yǎng)基上均未長出原養(yǎng)型細菌。直接接觸(接合)是原養(yǎng)型細胞出現(xiàn)的必要條件。大分子可通過，細菌不能通過Hayes(1952)試驗證明：接合過程是一種單向轉移，A菌株遺傳物質 B菌株，從供體“donor”到受體“receptor”。F 因子：致育因子(性因子)，是一種附加體。攜帶F因

13、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。、F因子及F向F的轉移：F 因子的組成：染色體外遺傳物質，環(huán)狀DNA； 40-60個蛋白質基因；2-4個/細胞(雄性內(nèi))。 F 因子的三種狀態(tài)：以大腸桿菌為例：一個自主狀態(tài)F因子，即F； 帶有一個整合的F因子的細胞叫高頻重組細胞，Hfr細胞。沒有F因子，即F；自主狀態(tài)時F 因子獨立進行分裂。FF：先形成接合管，F(xiàn)因子的DNA邊轉移邊復制，F(xiàn)細胞 F細胞。F因子整合到細菌染色體上(F Hfr細胞)，其繁殖與細菌染色體同步進行。此時，細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。、Hf

14、r細胞的形成及染色體的轉移：細菌染色體由一小段單鏈的F因子為前導而轉移到F-受體 邊進入邊合成。一般情況下僅小部分細菌染色體能夠轉入，接合中斷 受體細胞仍為F，F(xiàn)因子仍留在供體內(nèi)。當F因子復制完成后，F(xiàn)-變成F+(動畫)。 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)生一個線性染色體，這種細胞是不能成活的。偶數(shù)交換：產(chǎn)生可遺傳的重組體和片段。部分二倍體：當F或Hfr的細菌染色體進入F后，在一個短時期內(nèi)，F(xiàn)細胞內(nèi)的某些位點就會成為二倍體的DNA。三、性導（sexduction）:性導：指接合時由F因子所攜帶的外源DNA整合到細菌染色體的過程。F 因子整合過程：可逆，發(fā)生環(huán)出時，F(xiàn)因子又可重

15、新離開染色體。Adelberg和Burns(1959)：F因子偶爾在環(huán)出時不夠準確，會攜帶出染色體上的一些基因，這種因子稱為F因子。 F因子攜帶染色體的節(jié)段大?。簭囊粋€標準基因到半個細菌染色體。F因子使細菌帶有某些突出的特點：F因子轉移基因比率極高，如同F(xiàn)+因子轉移比率；F因子的自然整合率極高，并且整合在一定的座位上。攜帶有與細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移到F lac-受體之中。lac基因位于遠端，中斷雜交實驗中只有1/1000重組率；由F攜帶lac+ 基因進入受體后可在lac位點上形成部分二倍體

16、Flac+ / lac-。性導在大腸桿菌遺傳研究中的作用：每個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)性導的頻率來作圖；通過性導產(chǎn)生部分二倍體，確定等位基因位置、顯隱性關系提供了重要方法；. 性導形成的部分二倍體可用作互補測驗，確定兩個突變類型是否屬于同一個基因。1.概念：是指以噬菌體為媒介進行細菌遺傳物質重組的過程，是細菌遺傳物質傳遞和交換方式之一。2.特點：以噬菌體為媒介 細菌的一段染色體被錯誤地包裝在噬菌體的蛋白質外殼內(nèi) 通過感染轉移到另一個受體細胞內(nèi)。 感染細菌的能力決定于噬菌體的蛋白質外殼。四、轉導（transduction）

17、：3.例如：黎德伯格與津德（1951）發(fā)現(xiàn)鼠傷寒沙門氏菌中轉導現(xiàn)象。. 將兩個沙門氏菌的營養(yǎng)缺陷型進行雜交：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 . 產(chǎn)生上述結果的原因:.是否屬于恢復突變?高頻率的出現(xiàn)不可能是回復突變。.是否屬于接合、性導?戴維斯U型管試驗(防止細胞直接接觸) 結果也獲得野生型重組體，排除由于接合或性導而產(chǎn)生基因重組可能性。.是否屬于轉化?結果表現(xiàn)為不受DNA酶的影響，排除了由于DNA片斷通過濾片經(jīng)轉化實現(xiàn)基因重組可能性。. 唯一可能的結論是：這種重組通過一種過濾性因子實現(xiàn)。這種過濾性因子稱為FA，不受DNA酶的影響。FA是一種噬菌體，稱為P22，溶源性的。轉導可分為普遍性轉導和特殊性轉導兩大類。（自學） 、普通性轉導：轉導顆粒：把細菌染色體片段包裝在噬菌體蛋白質外殼內(nèi) 而產(chǎn)生的假噬菌體，其中并不包含噬菌體的遺傳物質。.作用：可以轉導細菌染色體組的任何不同部分。溶源起始：在染色體的特