細(xì)菌和病毒的遺傳學(xué)分析.ppt

1、遺 傳 學(xué),數(shù)理與生物工程學(xué)院,第七章細(xì)菌和病毒的遺傳學(xué)分析,細(xì)菌和病毒在遺傳研究中的優(yōu)越性 細(xì)菌的遺傳分析* 噬菌體的遺傳分析,一 細(xì)菌和病毒在遺傳研究中的優(yōu)越性,繁殖世代所需時(shí)間短； 易于管理和進(jìn)行化學(xué)分析； 遺傳物質(zhì)較簡單，便于用作研究基因結(jié)構(gòu)、功能及調(diào)控機(jī)制的材料。 便于研究基因的突變； 便于研究基因的作用； 可作為研究高等生物的簡單模型；,二 細(xì)菌的接合與染色體作圖,1.接合現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn),細(xì)菌的接合首先是萊德伯格（ Lederberg ）和塔特姆（ Tatum ）在1946大腸桿菌雜交試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的。,a+b,ab+,a+b+,問題：得到的重組子ab的頻率很低（10-7）和回復(fù)突變頻率相

2、近（10-6），兩者難以區(qū)別。,萊德伯格解決方法： 采用了大腸桿菌(Escherichia coli)K12菌株的兩個(gè)營養(yǎng)缺陷型品系：,品系A(chǔ) met bio thi leu thr 品系B met bio thi leu thr,接合現(xiàn)象,質(zhì)疑：細(xì)菌的雜交實(shí)驗(yàn)獲得重組子可能原因：,1950年戴維斯（Davis）設(shè)計(jì)了一種U型管實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了A和B菌株之間確實(shí)是發(fā)生了雜交。,細(xì)菌的雜交實(shí)驗(yàn)獲得的重組子可能是轉(zhuǎn)化的結(jié)果。 培養(yǎng)基中含有某些代謝產(chǎn)物，混合后這些產(chǎn)物互相補(bǔ)充了對方的不足而得以在基本培養(yǎng)基上生長。,結(jié)論:,原養(yǎng)型不是轉(zhuǎn)化或互養(yǎng)產(chǎn)生的; 兩菌株細(xì)胞的直接接觸是產(chǎn)生原養(yǎng)型菌株的前提。,2.海

3、斯（W.Hayes）的實(shí)驗(yàn)（1952）,海斯在重復(fù)萊德伯格和泰特姆的細(xì)菌雜交實(shí)驗(yàn)之前，分別用高劑量的鏈霉素來處理A菌株和B菌株。,大腸桿菌的兩種類型,Hayes(1952)研究表明：,大腸桿菌兩種不同菌株(品系)接合過程中遺傳物質(zhì)的轉(zhuǎn)移是單向的； 從而認(rèn)為大腸桿菌存在兩種類型：雌性與雄性，分別作為接合過程中遺傳物質(zhì)的受體與供體。,3.致育因子（fertility factor，F(xiàn)）,細(xì)菌染色體外的一個(gè)決定細(xì)菌雄性性別的共價(jià)環(huán)狀DNA分子，稱為致育因子 (fertility factor)，又稱為F因子或F質(zhì)粒。,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

4、F表示。,致育基因(fertility gene): (接合轉(zhuǎn)移區(qū)),配對區(qū)(pairing region):(重組區(qū)),F因子結(jié)構(gòu),原點(diǎn)(origin):(復(fù)制區(qū)),細(xì)菌含有F因子，并且F因子通過交換整合到主染色體上，這樣的細(xì)菌叫Hfr細(xì)菌。 Hfr的主染色體進(jìn)入F-中的頻率高，比F+F-高1000倍。,Hfr細(xì)菌（高頻重組菌株）,F+、F-和Hfr菌株,4.供體將F因子傳遞給受體的過程,接合管形成,直接將F因子通過接合管傳遞給受體菌,F因子整合到細(xì)菌染色體后通過接合管傳遞給受體菌,5.低頻重組與高頻重組,低頻重組(low frequency recombination）： F+與F-的雜交

5、中，F(xiàn)因子的轉(zhuǎn)移頻率很高，但供受體細(xì)菌染色體的重組頻率卻很低，約為10-6，因此F+品系稱為低頻重組品系(菌株)。,F因子整合到了細(xì)菌染色體上，與F-細(xì)胞接合后將供體染色體的一部分或全部傳遞給F-受體，當(dāng)供體和受體的等位基因帶有不同的遺傳標(biāo)記時(shí)，可觀察到它們之間發(fā)生重組，頻率可達(dá)到10-2以上，稱為高頻重組品系（菌株）,高頻重組(High frequence recombination, Hfr),Hfr和F+的異同,相同 都能和F-進(jìn)行雜交產(chǎn)生重組后代； 雜交時(shí)都要通過接合管和受體菌相連接； 用高劑量鏈霉素處理后都不影響雜交，說明它們都是作為一種供體。,不同 產(chǎn)生的重組子頻率不同；10-4，

6、10-7 F+F-后代常為F+，而HfrF-后代絕大多數(shù)為F- ； F+ 經(jīng)吖啶橙處理后會變成F-，Hfr經(jīng)吖啶橙處理后仍為Hfr。,6.部分二倍體：,當(dāng)Hfr菌的部分染色體進(jìn)入F細(xì)胞后，F(xiàn)細(xì)胞中就成為部分二倍體（partial diploid）或部分合子（merozygote）。,7.細(xì)菌重組的特點(diǎn),只有偶數(shù)次的交換才能保持細(xì)菌染色體的完整性，產(chǎn)生有活性的重組子。 偶數(shù)次交換得到的重組子只有一種類型，相反重組子是一個(gè)線狀片段，不能復(fù)制，隨著細(xì)胞分裂而丟失,8.中斷雜交與重組作圖,雅科(Jacob，F(xiàn))和沃爾曼 (Wollman，E.)在五十年代設(shè)計(jì)了一個(gè)著名的中斷雜交試驗(yàn)(interrupt

7、ed mating experiment)。 他們采用的菌株基因型為： Hfr: thr+ leu+ azis tons lac+ gal+ strs F: thr leu azir tonr lac gal- strr,中斷雜交的過程,上述事實(shí)說明，Hfr菌株的基因是按一定的線性順序依次進(jìn)入F菌株的，染色體從原點(diǎn)以直線方式進(jìn)入F細(xì)胞?；蛭稽c(diǎn)離原點(diǎn)愈近，進(jìn)入F細(xì)胞愈早，反之則晚。 根據(jù)中斷雜交的實(shí)驗(yàn)，用Hfr基因在F細(xì)胞中出現(xiàn)的時(shí)間為標(biāo)準(zhǔn)，可以作出大腸桿菌的遺傳連鎖圖。,用不同的Hfr菌株進(jìn)行中斷雜交實(shí)驗(yàn)所作出的大腸桿菌基因連鎖圖，其基因向F-細(xì)胞轉(zhuǎn)移的順序大不相同。,重組作圖,當(dāng)轉(zhuǎn)移時(shí)間間

8、隔在兩分鐘之內(nèi)， 如已知lac與ade緊密連鎖，距離約為1分鐘，中斷雜交作圖就不可靠，須用傳統(tǒng)的重組作圖(recombination mapping),(1)不用親本類型 (2)兩對基因間的交換頻率，必須在形成部分二倍體的條件下，計(jì)算重組率。 (3)部分二倍體如果不發(fā)生重組，無法鑒別。 (4)接合重組不產(chǎn)生相反的重組類型,接合重組作圖的特點(diǎn)：（與減數(shù)分裂生物的區(qū)別）,重組子的產(chǎn)生,重組頻率的計(jì)算,1分鐘相當(dāng)于20%重組值，即：1min=20cM,三 細(xì)菌轉(zhuǎn)化,是指某些細(xì)菌(或其他生物)能通過其細(xì)胞膜攝取周圍供體(donor)的染色體片段，并將此外源DNA片段通過重組整合到自己染色體組的過程。,

9、1.轉(zhuǎn)化(transformation),大部分的轉(zhuǎn)化工作是用肺炎雙球菌(Streptococcus pneumoniae)、枯草桿菌(Bacillus subtilis)和流感嗜血桿菌(Hemophilus influenzae)進(jìn)行的。,受體細(xì)胞的生理狀態(tài)-感受態(tài)： 感受態(tài)指細(xì)菌能夠從周圍環(huán)境中吸收DNA分子進(jìn)行轉(zhuǎn)化的生理狀態(tài)。 一般認(rèn)為感受態(tài)出現(xiàn)在細(xì)菌對數(shù)生長后期，并且某些處理過程可以誘導(dǎo)或加強(qiáng)感受態(tài)。 以大腸桿菌為例，如用Ca2+(如Cacl2)處理對數(shù)生長后期的大腸桿菌可以增強(qiáng)其感受能力。,2.轉(zhuǎn)化應(yīng)具備的條件,DNA片段的大小，形態(tài)和濃度,大小：肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化(800bp); 枯草

10、桿菌的轉(zhuǎn)化(16KB)。 形態(tài)：雙鏈 濃度：在細(xì)胞膜上感受位點(diǎn)未飽和前，濃度和轉(zhuǎn)化率成正比,外源DNA片段與受體DNA的同源程度,3 轉(zhuǎn)化的過程,供體(donor)DNA與受體(receptor)細(xì)胞結(jié)合(binding) 結(jié)合發(fā)生在受體細(xì)胞特定部位； 結(jié)合過程是一個(gè)可逆過程。,DNA的穿入和攝?。?當(dāng)細(xì)菌結(jié)合點(diǎn)飽和之后，細(xì)菌開始攝取外源DNA； 往往只有一條DNA單鏈進(jìn)入細(xì)胞，另一條鏈在膜上降解。,聯(lián)會(synapsis)與外源DNA片段整合(integration)： 整合就是指單鏈的轉(zhuǎn)化DNA與受體DNA對應(yīng)位點(diǎn)的置換，穩(wěn)定地?fù)饺氲绞荏wDNA中的過程。 整合是一個(gè)遺傳重組的過程。,雜合D

11、NA復(fù)制后，形成一個(gè)親代類型的DNA和一個(gè)重組類型的DNA并導(dǎo)致轉(zhuǎn)化細(xì)胞的形成與表達(dá)。,轉(zhuǎn)化的進(jìn)程,4 共轉(zhuǎn)化與遺傳圖譜繪制,共轉(zhuǎn)化：供體的一條DNA片段上的兩個(gè)基因同時(shí)轉(zhuǎn)換的現(xiàn)象。 利用共同轉(zhuǎn)化繪制細(xì)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向關(guān)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。 因此可能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。,判斷兩個(gè)基因是否連鎖,例如：黎德伯格等人用枯草桿菌:以trp2+ his2+ tyr1+為供體，以trp2- his2- tyr1- 為受體進(jìn)行轉(zhuǎn)化，結(jié)果如表,轉(zhuǎn)化子數(shù)(重組體數(shù)) 親組合數(shù)+轉(zhuǎn)化子數(shù),(

12、+ -)+(- +) (+ +)+(+ -)+(- +),計(jì)算重組率及作圖,RF(trp2his2) =34% RF( trp2tyr1) =40% RF( his2tyr1) =13%,四 性導(dǎo),F因子整合到宿主細(xì)菌染色體的過程是可逆的，當(dāng)發(fā)生環(huán)出(looping out)時(shí)，F(xiàn)因子又重新離開染色體。然而F因子偶然在環(huán)出時(shí)不夠準(zhǔn)確，它攜帶有染色體的一些基因。,這種帶有宿主染色體基因的F因子稱為F因子。,性導(dǎo)(sexduction)：是指接合時(shí)由F因子所攜帶的外源DNA轉(zhuǎn)移到細(xì)菌染色體的過程。,性導(dǎo)的遺傳重組,F因子以極高的比率轉(zhuǎn)移它的基因，如同F(xiàn) +細(xì)菌以極高的比率轉(zhuǎn)移它的F +因子一樣；

13、F因子有極高的自然整合率，而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。,F因子使細(xì)菌帶有某些突出的特點(diǎn)：,不同的F因子帶有不同的細(xì)菌DNA 片段，利用不同的F的性導(dǎo)可以測定不同基因在一起轉(zhuǎn)移的頻率。 觀察由性導(dǎo)形成的雜合部分二倍體中某一性狀的表現(xiàn)，可以確定這一性狀的等位基因的顯隱關(guān)系。 性導(dǎo)形成的部分二倍體也可用作互補(bǔ)測驗(yàn)，確定兩個(gè)突變型是同屬于一個(gè)基因還是不同基因。,性導(dǎo)在大腸桿菌的遺傳學(xué)研究中意義：,互補(bǔ)測驗(yàn)：根據(jù)基因的功能確定兩個(gè)基因是否等位的測驗(yàn)方法。 互補(bǔ)作用：兩個(gè)突變型細(xì)胞的兩條同源染色體同處在一個(gè)雜合子時(shí)，野生型基因補(bǔ)償突變基因的缺陷而使表型恢復(fù)正常。否則，兩種突變型

14、一定具有相同的功能損傷。,順式構(gòu)型：兩個(gè)突變分別位于一同源染色體上的基因組合。 反式構(gòu)型：兩個(gè)突變分別位于兩條同源染色體上的基因組合。,病毒分三類：植物病毒、動物病毒和噬菌體。 噬菌體:指侵染細(xì)菌、放線菌以及真菌的病毒。包括溫和、烈性兩種。 單一核酸分子（DNA或RNA）稱為基因帶或染色體。,五 噬菌體的遺傳學(xué)分析,1.噬菌體的結(jié)構(gòu)和形態(tài),2 噬菌體的繁殖和感染周期,烈性噬菌體: 如T噬菌體,烈性噬菌體的感染周期,噢，一只倒霉的大腸桿菌遇了細(xì)菌病毒T4噬菌體！,病毒馬上抓住獵物不放，但是大腸桿菌體積是病毒的1000倍。病毒怎么辦呢？,T4 噬菌體的生命旅程,請看： 病毒的蛋白質(zhì)外殼發(fā)揮作用，將

15、病毒的核酸物質(zhì)注入大腸桿菌體內(nèi)，請注意病毒的外殼最后會被棄在寄主體外。,左圖：病毒核酸鏈接入到寄主核酸鏈中右圖：病毒核酸鏈指揮大量復(fù)制自己,病毒的核酸鏈（藍(lán)色部分）經(jīng)過一系列作用，接入寄主的核酸鏈（橙色部分）中，進(jìn)而控制寄主的生命活動。利用寄主本身的營養(yǎng)物質(zhì)復(fù)制出成千上萬的病毒核酸，同時(shí)新產(chǎn)生的病毒核酸鏈（黃色部分）又指揮寄主的細(xì)胞，利用寄主的營養(yǎng)物質(zhì)大量地生產(chǎn)病毒外殼蛋白質(zhì)，最后把外殼與病毒核酸一起裝配成完整的新病毒。,最后: 大腸桿菌死亡并破裂，釋放出里面的病毒，新一代病毒開始新的生命旅程,隨著時(shí)間的推移，細(xì)菌的數(shù)量變得越來越少，這是因?yàn)樗鼈儽患?xì)菌病毒殺死了，這種現(xiàn)象也稱為“溶菌”現(xiàn)象。,

16、溫和噬菌體,如噬菌體:,溫和噬菌體侵入相應(yīng)宿主細(xì)胞后，由于前者的基因組整合到后者的基因組上，并隨后者的復(fù)制而進(jìn)行同步復(fù)制，因此，這種溫和噬菌體的侵入 并不引起宿主細(xì)胞裂解， 此即稱溶源性或溶源現(xiàn)象。,溶源性（lysogeny）,原噬菌體（prophage）,當(dāng)溫和噬菌體侵入其敏感宿主的細(xì)胞后，前者的核酸可整合到后者的核基因組（genome，即核染色體）上，這種處于整合態(tài)的噬菌體核酸，稱作原噬菌體（prophage）。,凡能引起溶源性的噬菌體即稱溫和噬菌體，而其宿主就稱溶源菌。 溶源菌是一類能與溫和噬菌體長期共存，一般不會出現(xiàn)有害影響的宿主細(xì)胞。,溶源菌（lysogen或lysogenic ba

17、cteria）,溫和噬菌體的溶源性反應(yīng)：,3 噬菌體的突變型,條件致死突變型: (1). 溫度敏感突變 (2). 抑制因子敏感突變 宿主范圍突變型: E.coli B E.coli B2 E.coli B+E.coli B2 h+ + - 半透明噬菌斑 h- + + 透明噬菌斑 噬菌斑形態(tài)突變型: (1). r+ 小噬菌斑,邊緣模糊 (2). r- 大噬菌斑,邊緣清晰: 快速溶菌(rapid lysis),4 烈性噬菌體與基因定位,雙重感染：是指用兩種噬菌體同時(shí)感染某一菌株。 例如： 噬菌體：hr+即能感染B和B2菌株產(chǎn)生噬菌斑小而邊緣模糊，即透明、小噬菌斑。 噬菌體：h+r能感染B株，產(chǎn)生約大兩倍的邊緣清楚的噬菌斑，即為半透明、大的噬菌斑。 用hr+和h+r兩種噬菌體同時(shí)感染B株，進(jìn)行雙重感染 。,hr 半透明，大 42 hr 半透明，小 12 hr 透 明，小 34 hr 透 明，大 12,重組率=,(h+r+h-r-) 100%,總噬菌斑數(shù),T2 phage重組試驗(yàn)結(jié)果,有四種可能的排列順序,六 轉(zhuǎn)導(dǎo) (transduction),以噬菌體為媒介，把某一細(xì)菌的D