第七章 细菌遗传学

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1、 第七章细菌和噬菌体的重组和连锁本章要点 细菌和病毒在遗传研究中的优越性 转化 接合 性导与转导的概念与基本原理 F 菌株 F 菌株 Hfr菌株 中断杂交作图F因子 F 因子 温和噬菌体 烈性噬菌体 原噬菌体 溶源性细菌与溶源性生活周期 原核细胞与真核细胞的区别 区别原核细胞真核细胞大小1 10 m10 100 m细胞核无核膜有双层的核膜染色体环状DNA分子线性DNA分子一个基因连锁群2个以上基因连锁群DNA裸露或结合少量蛋白质DNA同组蛋白和非组蛋白结合DNA序列无或很少有重复序列有重复序列基因表达RNA和蛋白质在同一区间合成RNA在核中合成和加工 蛋白质在细胞质中合成细胞增殖的方式直接分裂

2、 无丝分裂 以有丝分裂为主内膜无独立的内膜有 分化成各种细胞器鞭毛构成鞭毛蛋白微管蛋白核糖体70S 50S 30S 80S 60S 40S 细胞壁肽聚糖 蛋白质 脂多糖 脂蛋白纤维素 植物细胞 图 细菌染色体的着膜复制 第七章细菌和噬菌体的重组和连锁 连锁与交换 真菌的遗传学分析减数分裂和分离的关系交叉和重组的关系真核类生物的基因传递方式 细菌原核生物噬菌体病毒遗传物质如何传递的 主要内容 第一节细菌和病毒的一些特点第二节细菌的遗传分析 重点 第三节噬菌体的遗传分析 第一节细菌和病毒的一些特点 一 细菌和病毒 一 细菌细胞细菌的结构细菌的生物学特征 细菌的生物学特征 细菌是单细胞生物 完成每个

3、世代只需20分钟 而且容易得到它的生化突变型 它不仅在医学上和农业上重要 而且从进化角度上也是异常成功的 因为它占据地球上大部分的角落 研究细菌遗传的方法 主要是对细菌菌落形态的遗传研究 如图 霉菌菌落 霉菌菌落 大肠杆菌 E coli 细菌的生物学特征 原则上说 培养皿中每个细菌长成的菌落应具有共同的遗传组成 但是由于偶然发生的突变 形态性状的突变 生理特性的突变或抗性的突变 而使这些突变后的细菌所形成的菌落与其他的菌落有所不同 菌落形态性状的突变包括 菌落的形状 颜色和大小等 生理特性的突变包括 丧失合成某种营养物质能力的营养缺陷型 抗性突变包括 抗药性或抗感染性 一 细菌和病毒 二 病毒

4、非细胞形态的生命 病毒的生物学特征病毒是比细菌更为简单的生物 它们也只有一条染色体 即单倍体 有些病毒的染色体是DNA 还有一些病毒是RNA 病毒的生物学特征 病毒主要是由蛋白质外壳及其包被的y一种核酸所组成的颗粒 病毒可根据宿主 动物 植物 细菌 或遗传物质 DNA或RNA 来分类 细菌病毒 Bacterialphage 称为噬菌体 phage 是目前经过广泛研究 了解比较清楚的一种病毒 细菌病毒 Bacterialphage 噬菌体 phage 的结构 头部颈部外鞘尾丝 T4噬菌体 疱疹病毒 人类天花病毒 图中深染的颗粒 病毒衣壳的排列方式 二 细菌和病毒是遗传学研究的好材料 1 结构简单

5、 繁殖力强 世代时间短 容易人工培养 便于研究基因的作用 2 容易筛选营养缺陷型 研究基因的作用 突变型生长条件与基因作用 3 便于研究基因的突变 容易筛选不同的突变型 4 便于研究基因精细结构研究基因的重组 重组群体大 选择方法简便有效 5 便于研究基因表达调节 遗传物质比较简单 可作为研究高等生物的简单模型 二 细菌和病毒是遗传学研究的好材料 同时 微生物的应用领域日益扩大 成就突出 微生物工程 在遗传工程 包括动植物 中 作为重要研究材料 工具 也具有决定性作用 细菌和病毒作为遗传研究材料具有独特优势 了解微生物遗传研究有助于理解多年来分子生物学 分子遗传学理论发展 细菌和病毒的拟有性过

6、程 虽然细菌和病毒不具备象真核生物配子进行融合的有性过程 但它们的遗传物质也能从一个细胞传递到另一个细胞 并且也能形成重组体 无性生殖1946年莱德伯格和塔特姆发现在细菌之间可以通过接合转移遗传物质 有性过程 细菌和病毒的拟有性过程 细菌获取外源遗传物质有四种不同的方式 转化 接合 性导和转导 当一个细菌被一个以上的病毒粒子所侵染时 噬菌体也能在细菌体内交换遗传物质 如果两个噬菌体属于不同品系 它们之间可以发生遗传物质的部分交换 重组 下面将叙述细菌和噬菌体遗传物质的交换过程 并且将利用这些方法作出细菌和噬菌体的染色体图 三 细菌遗传的实验研究方法 一 细胞计数 培养物细胞浓度 二 建立纯系的

7、方法 三 选择培养法鉴定突变型与重组型 四 突变型与重组型的批量筛选方法 细菌培养 一 细胞计数 培养物细胞浓度 培养物中微生物计数方法是微生物学的基本实验技术 其基本思路是 对原培养物进行连续稀释 进行平板涂抹培养 由于每个细胞形成一个菌落 计数菌落数 根据稀释倍数计算原培养物中的细胞浓度 细胞计数 培养物细胞浓度 二 建立纯系的方法 纯培养 挑取由单个细胞繁殖而来的菌落进行培养就可以获得由一个细胞繁殖而来的纯系 通常采用平板表面涂布法或划线法可以获得单菌落 这种方法获得的纯系 称为 菌种纯 有时采用显微操纵器进行菌丝尖端切割等方法从单个细胞直接培养建立纯系 采用这种方法获得的纯系称为 菌株

8、纯 建立纯系的方法 纯培养 三 选择培养法鉴定突变型与重组型 许多细菌的突变都与培养基营养成分及培养条件有关 营养缺陷型的筛选 鉴定 选择培养法是根据菌株在基本培养基和营养培养基上的生长表现将菌株分为原养型 也称为原生营养型 与营养缺陷型 在基本培养基上不能正常生长 只能在相应的营养培养基上生长 营养突变型的筛选 鉴定方法与红色面包霉生化突变型的鉴定方法基本一致 三 选择培养法鉴定突变型与重组型 许多细菌的突变都与培养基营养成分及培养条件有关 其它突变类型的筛选 鉴定 对于其它的突变类型 如温度敏感型 也可以通过培养条件的选择培养来筛选与鉴定 四 突变型与重组型的批量筛选方法 选择培养法一次可

9、鉴定 筛选一种突变型 但要检测分离含有多种突变型的混和菌株 仅采用选择培养法要进行多次试验才能够达到目的 效率太低 高效检测 分离混和群体用影印培养法 四 突变型与重组型的批量筛选方法 为高效检测 分离混和群体中不同突变型 黎德伯格夫妇设计了影印培养法 该方法原理与选择培养法一致 但是采用影印法将在完全培养基上单菌落同时接种到不同选择培养基上同时对所有菌落进行选择培养 鉴定效率大大提高 四 突变型与重组型的批量筛选方法 注意 1 最初的培养基必须是非选择性的 即各种突变型都能够在其上生长 2 必须采用适当的方法如涂布或划线法 以使培养物菌落之间要分开 第二节细菌的遗传重组 1 接合 是指通过细

10、胞的直接接触 遗传信息从供体单向转移到受体的过程 2 性导 是指接合时由F 因子所携带的外源DNA整合到细菌染色体的过程 3 转化 某一基因型的细胞从周围介质中吸收来自另一基因型的DNA而使它的基因型和表现型发生相应变化的现象 转导是指以噬菌体为媒介所进行的细菌遗传物质的重组过程 第二节细菌的遗传分析 一 细菌染色体细菌染色体大多为裸露的环状闭合DNA双链 没有组蛋白和其他蛋白质结合 也不形成核小体结构 这种结构有利于外源DNA的插入 细菌染色体1000um细菌直径0 5 5um 图 大肠杆菌染色体的基本结构特征 二 E coli基因组概况 E coli的染色体为闭合双链环状DNA 长约133

11、3um 2001年10月15日完成了E coliK12菌株的基因组全序列测定 总共4639221bp 4279个蛋白质编码基因 115个编码rRNA和tRNA的基因 GenBank编号 U00096 三 细菌的杂交 接合 A接合现象的发现和证实BF因子及其在杂交中的行为C中断杂交试验作图 三 细菌的杂交 A接合现象的发现和证实1946年莱德伯格 Lederberg J 和塔特姆 Tatum 发现在细菌之间可以通过接合 conjugation 转移遗传物质 细菌接合是指通过细胞的直接接触 遗传信息从供体单向转移到受体的过程 三 细菌的杂交A接合现象的发现和证实 他们选用两个E coliK12多重

12、突变品系 A 甲硫氨酸缺陷型met 和生物素缺陷型bio B 苏氨酸缺陷型thr 和亮氨酸缺陷型leu A品系 met bio thi leu thr 硫胺素 B品系 met bio thi leu thr 细菌的杂交 将A品系 B品系分别接种于基本培养基上都不能生长 若将A B混和后 经离心洗涤 除去完全培养基 再制成悬液以对照组相同的浓度接种于基本培养基 固体 涂布培养 结果 平板上长出野生型 原养型菌落 其出现的频率为10 7 图细菌的杂交1 基本培养基 完全培养基 10 7 基本培养基 基本培养基 莱德伯格 Lederberg J 和塔特姆 Tatum 细菌的杂交图1 几种可能解释及其

13、分析 对上述试验结果原养型菌落可能产生于 亲本细菌A或B发生了回复突变 X 两品系细胞通过培养基交换养料 互养作用 两品系间发生了转化作用 发生细胞融合 形成了异核体或杂合二倍体 X 三 细菌的杂交A接合现象的发现和证实 为了验证这些原养型菌落产生的可能 设计了很多试验 其中 野生型的出现是由于营养上的互补还是由于杂交引起了遗传物质的交换 1950年戴维斯 B D Davis 设计了U形管实验 菌株A 菌株B U形管实验 在U形管中培养一定时间后 再测定每一臂的细菌 没有一个能在基本培养基上生长 细菌不能通过 培养液和营养物质能通过 过滤器 细菌的杂交 实验说明了菌株通过接触以后 就象高等生物

14、的有性生殖一样 发生了杂交 遗传物质有了交换 产生了野生型met bio thi leu thr 即原养型菌落 说明在Lederbery和Tatum及其它类似试验中 细菌发生了某种的遗传重组方式 称之为接合 所以 接合是指通过细胞的直接接触 遗传信息从供体单向转移到受体的过程 细菌的杂交B F因子及其在杂交中的行为四 单向转移与F因子 1952年海斯 W Hayes 在重复细菌杂交 AxB 实验之前 分别用高剂量的链霉素来处理A品系和B品系 链霉素处理A品系xB品系有杂交链霉素处理B品系xA品系没有杂交发生 Hayes 1952 研究表明 大肠杆菌两个品系在杂交的过程中作用是不相同的 两种不同

15、菌株 品系 接合过程中遗传物质的转移是单向的 意味着两个亲本在杂交中有供体和受体之分 相当于雄性和雌性 接合 conjugation 遗传物质从供体 donor 雄性 转移到受体 receptor 雌性 的重组过程 接合管 B F因子及其在杂交中的行为 F因子 致育因子 性因子Hayes等进一步研究发现 大肠杆菌在接合中作供体的能力受细胞内一种致育因子 F因子 fertilityfactor 性因子sexfactor 控制 携带F因子的菌株称供体菌或雄性 用F 表示 没有F因子的菌株称为雌性 用F 表示 F因子 后来发现 供体和受体的区别是由于一种可转移的因子引起的 F因子可以在细菌细胞间进行

16、转移并传递遗传物质 F因子的化学本质是DNA 可以自主状态存在于细胞质中或整合到细菌的染色体上 F因子及其在杂交中的行为 当F 细菌和F 细菌接合时 F F F因子的新拷贝能在接合过程中转移到F 细胞中去 使F 细胞转变成F 细胞 在接合管形成后 F因子DNA双链之一被切断 从断端转移到F 细胞 在那里发生DNA复制 当F因子复制完成后 F 变成F 图 图1 F F 的杂交后代皆为F 图1 F F 的杂交后代皆为F 总之 F因子是一种质粒 plasmid 由共价环状闭合DNA双链构成 全长94 5Kb 1 有F因子的细菌称为F 细菌增殖时可把F因子传递给后代 2 没有F因子的细菌称为F F 细菌经吖啶橙处理而丢失 成为F F因子一经丢失 细胞中便不再出现 3 F 可以和F 杂交 而不能和F 杂交 4 F F 的杂交后代皆为F 而且可以10 7频率获得重组体后代 F因子的存在状态 以大肠杆菌为例 F因子能够以三种状态存在 没有F因子 即F 包含一个自由状态的F因子 即F 包含一个整合到自己染色体组内的F因子 即Hfr 如图 图 F因子的存在状态 图F因子的整合形成高频重组菌株Hfr 有一