微生物遺傳學課件

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.大小：細胞較小、長約1.2um、寬約0.5um；2.結構：鞭毛、細胞壁、質(zhì)膜、間體、核質(zhì)體、核糖體3.遺傳物質(zhì)：單個主染色體、一個或多個小染色體（質(zhì)粒）一、細菌：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：①.營養(yǎng)缺陷型：喪失合成某種營養(yǎng)物質(zhì)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。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。測定突變的方法──影印法：黎德伯格等(Lederberg和Lederberg,1952)設計。

LederbergJ.,1958Nobel獎獲得者，發(fā)現(xiàn)細菌轉(zhuǎn)導和接合

沒有細胞結構，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：動物、植物、細菌；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要的貢獻。常見幾個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(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)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.便于研究基因結構、功能及調(diào)控機制：細菌和病毒的遺傳物質(zhì)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(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、染色體類型和結構的不同。3.兩大類(據(jù)噬菌體DNA在宿主細菌內(nèi)的特點)：①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)；②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λ噬菌體。一、噬菌體的結構：㈠、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，細菌不裂解

附在E.coli染色體上的gal和bio位點間的attλ座位上

通過交換整合到細菌染色體，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，表達出阻礙物關閉其它基因。原噬菌體經(jīng)誘導可轉(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菌的染色體上，獨立存在于細胞質(zhì)內(nèi)；λ噬菌體：通過交換整合到細菌染色體上。

②．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；λ噬菌體隨細胞染色體復制而復制，細胞中有一個拷貝。③．共同特點：核酸既不大量復制，也不大量轉(zhuǎn)錄和翻譯。第三節(jié)細菌的遺傳分析一、轉(zhuǎn)化（transformation）：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(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.)成功地進行了肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化試驗；證實遺傳物質(zhì)是DNA；轉(zhuǎn)化是細菌交換基因的方法之一。②.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(zhuǎn)化有關。鏈霉素抗性基因轉(zhuǎn)化：在每個細胞含有10個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。③．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(zhì)的細菌細胞壁多少發(fā)生改變而易于接受轉(zhuǎn)化DNA。㈡、轉(zhuǎn)化DNA的攝取和整合過程：細菌中的轉(zhuǎn)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。

①.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。

②.聯(lián)會：單鏈的轉(zhuǎn)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。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(zhì)從供體(donor)轉(zhuǎn)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）：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(zhuǎn)化？細胞間直接接觸而發(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

結果任何一臂的培養(yǎng)基上均未長出原養(yǎng)型細菌?！嘀苯咏佑|(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(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個蛋白質(zhì)基因；2-4個/細胞(雄性內(nèi))。

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

③．帶有一個整合的F因子的細胞叫高頻重組細胞，Hfr細胞。①．沒有F因子，即F－；⑷．自主狀態(tài)時F因子獨立進行分裂。F＋×F－：先形成接合管，F(xiàn)因子的DNA邊轉(zhuǎn)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。㈡、Hfr細胞的形成及染色體的轉(zhuǎn)移：細菌染色體由一小段單鏈的F因子為前導而轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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?！?/p>

F’因子攜帶染色體的節(jié)段大小：從一個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：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基因位于遠端，中斷雜交實驗中只有1/1000重組率；②．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F'lac+/lac-。性導在大腸桿菌遺傳研究中的作用：①．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；②．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；③.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(zhì)重組的過程，是細菌遺傳物質(zhì)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(zhì)外殼內(nèi)

通過感染轉(zhuǎn)移到另一個受體細胞內(nèi)?！吒腥炯毦哪芰Q定于噬菌體的蛋白質(zhì)外殼。四、轉(zhuǎn)導（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)導現(xiàn)象。⑴.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⑵.產(chǎn)生上述結果的原因:①.是否屬于恢復突變?高頻率的出現(xiàn)不可能是回復突變。②.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。③.是否屬于轉(zhuǎn)化?結果表現(xiàn)為不受DNA酶的影響