細菌與噬菌體的遺傳

關于細菌與噬菌體的遺傳04.07.20231第1頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三04.07.202321.細菌的遺傳分析細菌的一般特征大腸桿菌的突變型及篩選細菌的遺傳重組第2頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三04.07.20233大腸桿菌（E.coli

）遺傳:E.coli4.6Mb.4288genes90%encodeproteinInsertionsequences(IS)E.coliK12DNAsequence，19971.1細菌的一般特征(見《微生物學》教材)典型代表第3頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三04.07.202341.２大腸桿菌的突變型及篩選1、大腸桿菌的突變型E.coli突變類型合成代謝功能的突變型：如：甲硫氨酸缺陷型寫作met-

其相應的野生型寫作：met+

抗性突變型：如：青霉素抗性菌株寫作：penr

青霉素敏感性菌株寫作：pens

分解代謝功能的突變型：如：乳糖突變型寫作lac-

其相應的野生型寫作：lac+

在基本培養(yǎng)基上不能正常生長，只能在相應的營養(yǎng)培養(yǎng)基上生長第4頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三04.07.202352、突變型的篩選（１）選擇培養(yǎng)法：根據(jù)菌株在基本培養(yǎng)基和營養(yǎng)培養(yǎng)基上的生長表現(xiàn)將菌株分為原養(yǎng)型(原生營養(yǎng)型)與營養(yǎng)缺陷型。（２）顯色（３）抗生素在基本培養(yǎng)基上不能正常生長，只能在相應的營養(yǎng)培養(yǎng)基上生長第5頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三04.07.202363、E.coli作遺傳研究材料的優(yōu)點（1）有許多營養(yǎng)缺陷型,且易于選擇和鑒定（2）生活周期短:繁殖快,積累代謝物質(zhì)多；（3）繁殖快,數(shù)量大,易發(fā)現(xiàn)和鑒定突變型；（4）結構簡單:DNA裸露,單倍性,利于基因精細結構和基因功能表達調(diào)控的研究第6頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三04.07.202371.3細菌的遺傳重組1、細菌的轉(zhuǎn)化與作圖2、細菌的接合與中斷雜交作圖3、F′因子和性導4、轉(zhuǎn)導第7頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三04.07.202381.3.1

細菌的轉(zhuǎn)化與作圖1.3.1.1概念：轉(zhuǎn)化（trnansformation）：供體DNA片斷不經(jīng)過中間媒介直接被受體吸收并整合到受體染色體上的過程。細菌的轉(zhuǎn)化：一個供體菌株的DNA片斷被感受態(tài)受體菌株吸收并整合到受體染色體上的過程。第8頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三04.07.20239感受態(tài)細胞:轉(zhuǎn)化子：由于轉(zhuǎn)化導致基因重組而形成的各種類型的細菌細胞。第9頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三04.07.2023101.3.1.2轉(zhuǎn)化與作圖利用轉(zhuǎn)化繪制細菌連鎖遺傳圖譜的基本原理：相鄰基因發(fā)生共同轉(zhuǎn)化的概率與兩者的距離間成正比關系，基因間距離越近，發(fā)生共同轉(zhuǎn)化的頻率越高，反之越低。因此可通過測定兩基因共同轉(zhuǎn)化的頻率來指示基因間的相對距離。第10頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三04.07.202311第一步：確定兩個基因是否為連鎖關系ABAB方法：觀察外源DNA濃度降低時轉(zhuǎn)化頻率的變化[在一定的范圍內(nèi)（較低的）轉(zhuǎn)化頻率和轉(zhuǎn)化DNA的濃度成正比]。DNA濃度下降比率A轉(zhuǎn)化率下降比率B轉(zhuǎn)化率下降比率A與B共轉(zhuǎn)化率下降比率A與B關系1/101/101/101/10連鎖1/101/101/101/100不連鎖第11頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三04.07.202312第二步計算重組值例:已知枯草桿菌的三個基因連鎖供體：typ2+his2+tyr1+受體：typ2-his2-tyr1-基因轉(zhuǎn)化子類型typ2his2tyr1合計+---+++++-+--++++--+-11940366068541826001071180問題：為什么沒有---基因型？第12頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三04.07.202313RF（typ2-his2）=×100%=34%RF（typ2-tyr1）=40%RF（his2-tyr1）=13%基因轉(zhuǎn)化子類型typ2his2tyr1合計+---+++++-+--++++--+-1194036606854182600107118013200+67853660+418+2600+107typ2tyr1his234cM13cM問題：40≠13+30？第13頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三04.07.202314篩選

在發(fā)生了4次交換的時候兩邊的兩個基因我們并沒把交換的結果當重組型計算，而是當親本計算了。typ2+tyr1+typ2-his2-tyr1-his2+typ2+his2-tyr1+第14頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三04.07.2023151.3.2細菌的接合

why?營養(yǎng)互補？基因重組？(1)LederbergandTatum(1946年)的實驗頻率1×10-7

1.3.2.1接合現(xiàn)象的實驗證據(jù)

第15頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三04.07.202316（2）1950年，DavisU型管實驗1:兩菌株細胞的直接接觸對野生型的產(chǎn)生是必要的;2:野生型不是營養(yǎng)互補產(chǎn)生的,而是細菌發(fā)生了基因重組結論第16頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三04.07.2023171.3.2.2遺傳物質(zhì)的單方向傳遞證據(jù)----HayesW.(1952)的雜交實驗

菌株A：met-thr+leu+thi+;菌株B：met+thr-leu-thi-，鏈霉素處理A或B，只是阻礙它們的分裂，但并不殺死它們。

1）菌株A×菌株B→野生型菌株2）鏈霉素處理的菌株A×菌株B→野生型菌株3）鏈霉素處理的菌株B×菌株A→無野生型菌株

頻率相當1:E.coli有相當于高等生物的性別;2:其遺傳物質(zhì)是由♂(donor)→♀(receptor)單向傳遞的.結論第17頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三04.07.202318接合(conjugation)：遺傳物質(zhì)從供體(donor)(“雄性”)轉(zhuǎn)移到受體(receptor)(“雌性”)的重組過程。

第18頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三04.07.2023191.3.2.3F因子和高頻重組F因子（Ffactor）：

Hayes等進一步研究發(fā)現(xiàn)，大腸桿菌在接合中作供體的能力受細胞內(nèi)一種致育因子(fertilityfactor,F因子;sexfactor,性因子)控制。攜帶F因子的菌株稱供體菌或雄性，用表示，沒有F因子的菌株稱為雌性，用表示。F+F-F因子的化學本質(zhì)是dsDNA,可自主狀態(tài)存在于細胞質(zhì)中或整合到細菌的染色體上;可在細菌細胞間進行轉(zhuǎn)移并傳遞遺傳物質(zhì)F-第19頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三04.07.202320復制原點區(qū)（originregion）：轉(zhuǎn)移的起點，oriT和oriV配對區(qū)（pairingregion）：該區(qū)域與細菌染色體上的多處序列相互配對。致育基因區(qū)（fertilitygeneregion）：使細菌具有侵染性。含有F因子的菌株稱為F+不含F(xiàn)因子的菌株稱為F-第20頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三04.07.2023211）接合管的形成：菌株靠近→細胞膜融合→兩細胞間形成接合管2）F因子轉(zhuǎn)移：F因子從原點斷裂，以原點為先導，邊復制邊轉(zhuǎn)移,

復制后的F因子轉(zhuǎn)移到另一個細胞中。細胞分開，使F-變成F+。在此過程程中，F(xiàn)因子以高頻率從F+菌向F-菌轉(zhuǎn)移,而染色體基因的轉(zhuǎn)移則很少發(fā)生，重組頻率大約只有10-6，因此，F(xiàn)+菌稱為

低頻重組（lowfrequencyrecombination，Lfr）。

細菌的接合第21頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三04.07.202322第22頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三04.07.202323

F+菌株中一個新的菌株，它在和F-菌株雜交時，出現(xiàn)重組子的頻率很高，比F+×F-雜交所出現(xiàn)的重組子的頻率高1000倍，該菌株被稱作高頻重組菌株，簡稱為Hfr菌株。

Hfr×F--→重組子的頻率很高，但F-細菌很少有轉(zhuǎn)變?yōu)镕+細菌的。

Hfr菌株第23頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三04.07.202324通過交換F因子整合到細菌染色體上形成Hfr菌株，由于Hfr仍包含F(xiàn)因子，因此具有侵染能力。Hfr菌株的形成第24頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三04.07.202325Hfr的Ｆ因子轉(zhuǎn)移特點:（1）F因子整合后呈線狀；（2）轉(zhuǎn)移起點位于中間；先轉(zhuǎn)移F因子部分,F因子的致育基因最后轉(zhuǎn)移。（3）轉(zhuǎn)移往往會自發(fā)斷裂，形成部分二倍體。第25頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三04.07.202326外基因子（exogenote）內(nèi)基因子（endogenote）部分二倍體（partialdiploid）ABab第26頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三04.07.2023271.3.2.４用中斷雜交技術作連鎖圖

根據(jù)供體基因進入受體細胞的順序和時間繪制連鎖圖的技術，叫中斷雜交技術（interruptedmating）。

Wollman和Jacob在五十年代設計了中斷雜交試驗，以證明接合時遺傳物質(zhì)從供體細胞的轉(zhuǎn)移是直線式進行的。第27頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三04.07.202328(1)中斷雜交實驗作圖原理：

①

Hfr染色體上的基因是從某一點（原點：O）開始，以線性方式進入Ｆ-的；②離原點愈近的基因進入Ｆ-愈早,出現(xiàn)在Ｆ-中的比例愈大,反之,則愈小；第28頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三04.07.202329（2）實驗過程：兩種菌混合培養(yǎng)，計時t=0每隔一定時間攪拌菌液，打斷結合管以中斷雜交。稀釋菌液，測試其基因型，以便確定每個基因轉(zhuǎn)移到F-細胞的時間。例如：1′內(nèi)出現(xiàn)受體A基因，則說明A近原點；2′內(nèi)出現(xiàn)AB基因，則B在A之后，；3′內(nèi)出現(xiàn)了ABC基因，則C在AB之后，…。單位：時間單位（分鐘）

，即：按時間來定位，標出不同基因位于原點的先后位置，

來定位基因。第29頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三04.07.202330(3)第30頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三04.07.202331第31頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三04.07.202332第32頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三04.07.2023331.3.1.5

細菌接合的重組作圖1.3.2.3中斷雜交實驗乳糖選擇基本培養(yǎng)基第33頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三04.07.202334注：用后進入的基因作為選擇標記，才能保證所有基因進入受體細胞。重組值和時間單位的換算：

1min≈20圖距單位≈20cM第34頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三04.07.202335

在Hfr菌與F+菌的互相轉(zhuǎn)變過程中，偶爾會出現(xiàn)不規(guī)則分離的現(xiàn)象，使F因子攜帶有一段相鄰的細菌染色體，這種帶有插入細菌基因的環(huán)狀F因子稱為F′因子(F-primefactor)。帶有F′因子的菌能像F+菌一樣把F因子轉(zhuǎn)移給F-菌，轉(zhuǎn)移F因子的能力很強，同時也能轉(zhuǎn)移細菌基因。

利用F`因子將供體菌的基因?qū)胧荏w形成部分二倍體的過程，叫做性導（sexduction）1.3.3F′因子和性導（sexduction）第35頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三04.07.202336注意：經(jīng)過性導形成的部分二倍體和Hfr形成的部分二倍體一樣嗎？性導第36頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三04.07.202337F`因子攜帶的細菌染色體長度是不同的；

F`因子攜帶全部的F因子基因；

F`因子具有侵染性。F`因子的特征：第37頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三04.07.202338細菌基因重組的特點:(1)細菌基因重組是在部分二倍體中進行;(2)只有偶數(shù)交換才產(chǎn)生有活性的重組子;(3)不出現(xiàn)相反的重組子.小結第38頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三04.07.2023391、以大腸桿菌為例，F(xiàn)因子三種不同的存在狀態(tài)：

F因子

F`因子

Hfr2、帶有自由狀態(tài)的F因子的菌株--------F+菌株不帶F因子的菌株------------------F-菌株

F因子整合到染色體上的------------Hfr菌株含F(xiàn)`因子的菌株------------------F`菌株3、四種菌株之間的相互侵染及轉(zhuǎn)變關系。小結第39頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三04.07.202340Lederberg和N.zinder等1956年在對傷寒沙門氏菌的研究中發(fā)現(xiàn)了轉(zhuǎn)導現(xiàn)象。A:phe-trp-tyr-his＋B:phe＋trp＋tyr＋his-

1.3.４轉(zhuǎn)導（Transduction）

混合培養(yǎng)出現(xiàn)約10-5的野生型菌株，說明有遺傳重組。U形管實驗第40頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三04.07.202341U形管實驗LT-2LT-22第41頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三04.07.202342LT22是攜帶p22的溶源性細菌，LT2是對p22敏感的非溶源性細菌。LT22突變型釋放p22到培養(yǎng)液中穿過隔膜侵染LT2LT2裂解，釋放p22及轉(zhuǎn)導噬菌體穿膜侵染LT22，發(fā)生基因重組LT22原養(yǎng)型第42頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三04.07.202343轉(zhuǎn)導（Transduction）：

以噬菌體為媒介，將細菌的小片段染色體或基因從一個細菌轉(zhuǎn)移到另一細菌的過程。分類:普遍性轉(zhuǎn)導（Generalizedtransduction）特異性轉(zhuǎn)導（Specializedtransduction）

具有轉(zhuǎn)導功能的噬菌體稱為轉(zhuǎn)導噬菌體。第43頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三04.07.2023441.3.４.1普遍性轉(zhuǎn)導與作圖普遍性轉(zhuǎn)導：供體基因組中所有基因具有同等機會被轉(zhuǎn)導形成部分二倍體，經(jīng)交換和重組后形成不同的轉(zhuǎn)導子，這種轉(zhuǎn)導稱為普遍性轉(zhuǎn)導。機理：第44頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三04.07.202345普遍性轉(zhuǎn)導的過程：第45頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三04.07.202346普遍性轉(zhuǎn)導的特點：（1）頻率很低；一般只有0.3%的噬菌體是轉(zhuǎn)導噬菌體。（2）如果細菌的兩個基因距離較大，大于噬菌體的染色體長度，一般就不能同時被轉(zhuǎn)導。（3）如果細菌的兩個基因被同時轉(zhuǎn)導說明兩個基因緊密連鎖，這稱為共轉(zhuǎn)導或并發(fā)轉(zhuǎn)導（cotransduction）。共轉(zhuǎn)導頻率越高說明兩個基因的距離越近，連鎖越緊密；反之，說明兩個基因離得越遠。細菌的基因作圖。第46頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三04.07.202347普遍性轉(zhuǎn)導的應用：第47頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三04.07.202348第48頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三04.07.202349共轉(zhuǎn)導頻率和圖距的關系公式:

d(圖距)=L(1-√x)L-----轉(zhuǎn)導DNA的平均長度

X-----兩個基因的共轉(zhuǎn)導頻率3第49頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三04.07.2023501.3.４.2局限性轉(zhuǎn)導局限性轉(zhuǎn)導：

一些溫和性噬菌體只能轉(zhuǎn)移供體染色體上原噬菌體整合位置附近的特定基因，這種轉(zhuǎn)導稱為局限性轉(zhuǎn)導，又稱特異性轉(zhuǎn)導

。

λ噬菌體特異的轉(zhuǎn)導gal+和bio+

基因。例：溫和性噬菌體λ，它可以自主狀態(tài)存在，也可以整合到大腸桿菌K12染色體上的特定位點attB，形成原噬菌體。第50頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三04.07.202351a）溶源性細菌的產(chǎn)生b）原初裂解物的產(chǎn)生原噬菌體不正常環(huán)出離開細菌染色體時帶走整合位點附近的基因gal，但是丟掉自己的部分基因，成為一個有缺陷的噬菌體，記作：λdgal+或λdbio+，但是仍具有侵染力，所有可以將bio或gal基因轉(zhuǎn)導。λ噬菌體的轉(zhuǎn)導機制第51頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三04.07.202352C）λdgal+與已整合的野生型λ通過單交換進行同源重組而形成λ/λdgal+，其裂解物中，具有等量大量的λ和λdgal+，感染gal-受體菌時，轉(zhuǎn)導子gal+出現(xiàn)的頻率非常高，故稱為高頻轉(zhuǎn)導（HFT）。雙重溶源菌highfrequencytransduction雙重溶源菌

第52頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三04.07.2023532噬菌體遺傳分析

2.1噬菌體的生物學特性

第53頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三04.07.202354（2）溫和噬菌體----感染細菌后，一般不出現(xiàn)溶菌現(xiàn)象的噬菌體，被稱為溫和噬菌體，又稱溶源性細菌。

（1）烈性噬菌體----使宿主菌發(fā)生裂解的噬菌體

二者第54頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三04.07.202355（1）烈性噬菌體的繁殖遺傳學上應用較廣泛的是大腸桿菌的T噬菌體。2.２噬菌體的繁殖第55頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三04.07.202356（2）溫和性噬菌體的繁殖溫和噬菌體侵入細菌后，細菌并不裂解，即它們有溶源性的生活周期。例如λ和P1噬菌體。λ噬菌體附著在大腸桿菌染色體的gal和bio位點之間的attλ座位上，它能通過交換而整合到細菌染色體上，整合的噬菌體稱為原噬菌體。含有原噬菌體的細菌稱為溶源性細菌，對同種噬菌體不敏感，具有免疫性。溫和性噬菌體的繁殖方式：和烈性噬菌體一樣第56頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三04.07.202357２.３第57頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三04.07.202358第58頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三04.07.202359透明/小半透明/大透明/大半透明/小第59頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三04.07.202360大第60頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三04.07.202361第61頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三04.07.202362第62頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三04.07.2023631、噬菌體遺傳的幾個特征（1）從單個混合感染的細菌中可以得到親本和重組噬菌體２.4噬菌體的基因重組與作圖兩個不同的噬菌體共同感染一個細菌復制后發(fā)生重組裂解釋放親本和重組噬菌體A+B-、A-B+、A+B+、A-B-A+B-A-B+A+B+A-B-第63頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三04.07.202364（2）三親本重組體的出現(xiàn)三個不同的突變型噬菌體共同感染一個細菌，重組可以多次在三個噬菌體間發(fā)生。（3）重組體比例隨宿主細胞破裂時間而改變E.Colix+y+z-x+y-z+x-y+z+X-y-z-第64頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三04.07.2023652、噬菌體的突變型（1）快速溶菌突變型裂解細菌細胞速度快，能形成大的四周清晰的噬菌斑的突變型。野生型r+噬菌斑小、中心清晰、四周模糊突變型r噬菌斑大、四周清晰（2）寄主范圍突變型能侵入并裂解原來具有抗性的細菌細胞的突變。野生型h+能侵染E.Coli菌株B，不能侵染B/2菌株用h+侵染B和B/2的混合菌，形成半透明噬菌斑突變型h能侵染E.Coli菌株B，也能侵染B/2菌株用h+侵染B和B/2的混合菌，形成透明噬菌斑第65頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三04.07.202366(1)用兩個不同的T2噬菌體共同侵染E.coli

B菌株基因型h+r

（半透明，大噬菌斑）基因型hr+（透明，小噬菌斑）（2）把釋放出的子代噬菌體接種在培養(yǎng)有B和B/2的培養(yǎng)基上，可以看到四種不同的噬菌斑，統(tǒng)計不同的噬菌斑的數(shù)量。3、hr基因的重組第66頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三04.07.202367（3）計算重組值

RF（h-r）=×100%

重組型噬菌斑數(shù)量總噬菌斑數(shù)量三個基因間的三點測交自學(hr)+(h+r+)第67頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三04.07.2023681、噬菌體的條件致死突變型概念：條件致死突變(conditionallethalmutations)

噬菌體大部分基因的功能是復制和產(chǎn)生子代噬菌體所必需的，這些基因的突變是致死的，不能形成噬菌斑，其中有些致死突變在限制條件下是致死的，而在許可條件下可形成噬菌斑，這種突變稱為條件致死突變。

２.5噬菌體基因的精細作圖第68頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三04.07.202369表野生型與幾種突變型的區(qū)別

表現(xiàn)型

不同大腸桿菌平板上噬菌斑表型BK()

野生型小噬菌斑小噬菌斑rI大噬菌斑小噬菌斑rII大噬菌斑無噬菌斑（致死）rIII大噬菌斑小噬菌斑Benzer實驗所用的T4的rⅡ突變就是一個條件致死突變型。第69頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三04.07.2023702Benzer的重組實驗與精細作圖：Benzer最初得到8個rII獨立的突變型，將8種突變型兩兩組合感染E.coliB菌株（雙重感染），從混合培養(yǎng)物中提取噬菌體顆粒感染E.coliK(λ)菌株。

實驗結果：E.coliK(λ)上出現(xiàn)野生型噬菌斑。第70頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三04.07.202371RF=×100%=×100%2×r+噬菌斑數(shù)2×K12（λ）上的噬菌斑數(shù)總噬菌斑數(shù)B上的噬菌斑數(shù)K12（λ）B第71頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三04.