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1、,第七章 细菌和病毒的遗传,第一节 细菌和病毒的结构,第二节 细菌的遗传分析,第三节 噬菌体的遗传分析,第一节 细菌和病毒的结构,细菌和病毒的结构及其遗传特点，使它们成为遗传学研究的好材料。转化试验、一个基因一种酶假说、基因的精细结构、基因表达的调控、基因工程等遗传学的重大发现和技术发展都与细菌和病毒有关。,一、细菌的结构,单细胞生物，大小不一，一般长1- 2m，宽0.5m，为一层或多层膜或细胞壁所包围。部分细菌还有某些特殊的结构，如鞭毛、伞毛、荚膜等。 细菌的细胞核没有核膜，其中的染色体是一个很长的共价闭合环状双链DNA分子，长度从250-3500m不等，一般不与蛋白质结合。 多数细菌细胞在
2、细胞核外还有一个或多个能自主复制的小型环状DNA。这些DNA分子对细菌的生长并非必需，但可赋予细菌某些特性，如抗药性、抗盐性、抗噬菌体侵染等。这些小分子DNA称为质粒（plasmid）。 细菌能在成分十分简单的培养基上生长，这种培养基叫基本培养基。细菌在这种培养基上能合成生长所必须的各种有机物。单一细胞经过分裂而增殖，大致20分钟繁殖一代，逐渐形成肉眼可见的菌落。,二、病毒的结构,病毒为非细胞结构，没有自身的代谢机能，不能独立地生长和繁殖，必须寄生在活细胞中，利用活细胞的营养物质合成新的病毒后代。繁殖迅速，每小时可增殖百倍。 病毒个体微小，形态多样，结构简单，仅含一种核酸（DNA或RNA）和一
3、个蛋白质外壳。依其遗传物质的性质，可以分单链DNA、单链RNA、双链DNA和双链RNA病毒等四种类型。按照它们所感染的细胞类型可分为感染细菌、真菌及藻类的菌类病毒，以及感染动植物的动物病毒和植物病毒。 遗传学研究中应用最广泛的是感染细菌的病毒，又称为噬菌体(bacteriophage)。依其与宿主细胞的相互关系，可以分为烈性噬菌体(virulent phage)和温和噬菌体(temperate phage)两大类型。,1世代周期短： 大肠杆菌(E. Coli)20分钟可繁殖一代。 2便于管理和生化分析： 个体小，一般在1m至几m之间(1m=1/1000mm)，操作管理方便。 3便于研究基因突变
4、： 裸露的DNA分子(有的病毒为RNA分子)，易受环境条件的影响而发生突变；单倍体生物，不存在显性掩盖隐性问题，突变均能表现出来。,三、细菌和病毒在遗传学研究的优越性,4便于研究基因的作用： 影印培养，易检出营养缺陷型突变，有利于从生化角度来研究基因的作用。 5便于基因重组研究： 细菌具有转化、转导和接合作用，利用这些特性可以进行精密的遗传学分析 6. 便于研究基因结构、功能及调控机制： 细菌和病毒的遗传物质简单，基因定位、结构分析及其分离易于进行，基因的表达调控也适于用生理生化的方法进行深入的研究。 7. 便于进行遗传操作： 染色体结构简单，没有组蛋白和其它蛋白的结合，更宜于进行遗传工程的操
5、作。,四、细菌和病毒的研究方法,1单细胞分离 菌液稀释涂布在固体培基单个细胞分离形成肉眼可见菌落。,细菌的研究方法：,2影印法测定变异 采用影印法测定细菌是否发生变异以及发生何种变异。 细菌变异主要有形态特征变异和生理特性变异。 形态特征变异：菌落大小、形状、颜色 生理特性变异： （1）营养缺陷型：丧失合成某种营养物质的能力，在基本培养基上不能生长。 原养型（野生型）：能够在基本培养基上生长。 （2）抗性突变：抗药性和抗感染型。,细菌的影印培养方法（Lederberg, 1952）,病毒的研究方法： 1. 获得变异 亚硝酸、羟胺、乙基黄酸乙酯（EES）等化学药剂诱导发生变异。 常见变异： 寄主
6、范围变异：野生型（h）：感染B菌株，产生半透明斑；突变型（h）：感染B和B/2菌株，产生透明斑。 噬菌斑突变：野生型（r）：产生正常斑，小而边缘模糊；突变型（r）：产生突变斑，大而边缘清晰。 所以：h+r感染B菌株产生半透明大斑；hr+感染B和B/2菌株，产生透明小斑。 2杂交试验 双重感染分析子代噬菌体中重组型的频率。,1. 转化（transformation）：裸露的非病毒的DNA导入细菌细胞的过程。 2. 转染（transfection）：裸露的病毒（噬菌体）DNA导入细菌的过程。是一种特殊的转化形式。 3. 转导（transduction）：以噬菌体为媒介将细菌的DNA从供体菌转移到受
7、体菌的过程。 4. 接合（conjugation）：细菌通过细胞之间的直接接触的方式传递遗传物质的过程。,一、细菌遗传物质的转移形式,第二节 细菌的遗传分析,通过接合作用，部分供体基因组DNA转移到受体菌中,通过接合作用，质粒转移到受体菌中,1. 单方向转移 2. 都产生部分二倍体 3. 转入的基因只有整合到环状染色体上才能稳定遗传,二、细菌遗传物质转移的共同特点,三、细菌的转化（transformation）,1. 转化的发现,1928年F. Griffith首先发现。1944年O. Avery研究小组证实引起转化的因子是细菌的DNA。,转化(transformation)：细菌细胞通过其细
8、胞膜摄取周围供体DNA片段，并通过重组整合到自己染色体中的过程。,2. 转化的类型,（1）自然转化（natural transformation）,细菌可以自由吸收DNA，并转化。如：枯草杆菌的转化。,（2）工程转化（engineered transformation）,人工转化 (artificial transformation) 细菌发生改变(感受态细胞的制备)，使其能摄入外源DNA，并转化。如：大肠杆菌的转化。,3. 转化的过程,（1）外源DNA与受体细菌细胞的结合 影响因素： 供体DNA片段大小：不同细菌要求转化的片段大小不同。肺炎双球菌要求800核苷酸对以上；枯草杆菌要求1600核
9、苷酸对以上；大肠杆菌转化DNA片段长度为10000-20000bp（占E.coli染色体的1/200）。 供体DNA片段形态：供体DNA必需是双链。 供体DNA片段浓度：供体DNA片段数目越多越容易发生转化，但不同细菌只能与特定数量DNA片段结合。取决于细胞上接受座位数。一个细菌表面大约有50个吸附位点。 受体细胞生理状态：感受状态细胞（DNA合成刚结束，蛋白质合成仍在进行时的细胞）才能发生转化。感受态的出现主要受一类小分子蛋白质（感受态因子）影响，感受态因子可以使细胞出现感受态，并能从感受态细菌传递到非感受态细菌，使其出现感受态。一般认为感受态出现在细菌对数生长后期。高Ca2+、温度以及电激
10、处理等，也能够改变膜对DNA的通透性，从而诱导或加强感受态。,b）DNA通过细胞壁和细胞膜是一个主动运输过程，需要膜上的转运分子，并消耗能量。,（2）DNA的穿入,a）在细胞膜上核酸外切酶的作用下，将吸附双链DNA中的一条链降解，另一条单链则利用降解后释放的能量，穿入受体细胞内。,（3）联会(synapsis)，与外源DNA片段的整合,联会：外源单链DNA与受体细菌染色体DNA的同源区段发生联会 ，形成部分二倍体。 部分二倍体：细菌拟有性生殖过程中，外源DNA与受体DNA同源区段联会，使受体细胞部分DNA形成二倍体。 供体外基因子：部分二倍体中的外源DNA。 受体内基因子：部分二倍体中受体细胞
11、的DNA。 整合（重组）：部分二倍体发生交换，将外源DNA置换到受体染色体中。,部分二倍体发生交换只有偶数（双交换、四交换）交换才有意义，既不破坏受体DNA的环状结构，又将外源DNA置换到受体染色体中。而奇数交换将受体环状DNA打开成线性DNA，重组转化子不能成活。,经过一次染色体复制和细胞分裂，形成一个转化了的细胞和一个未被转化的细胞。,（4）转化细胞的形成,细菌转化的过程,整合,外源DNA结合在受体位点,DNA穿入,感受态细胞,联会,形成转化细胞,4. 转化作图,DNA是以小片段的形式进入受体的，所以距离很远的两个基因很难同时存在于一个片段中同时转化，除非分别包括这两个基因的两个片段同时进
12、入受体。两个片段同时转化的概率应为它们单独转化的概率的乘积。但是当两个基因紧密连锁时，它们就有较多的机会包括在同一个DNA片段中，并同时整合到受体染色体中，因此，紧密连锁的基因可以通过转化进行作图。通过转化实验，利用转化发生的重组计算它们之间的重组率，将细菌的不同基因定位在它的染色体DNA上，构成它的遗传图谱。,用一野生型细菌菌株提取出来的DNA转化一个不能合成丙氨酸（ala）、脯氨酸（pro）、精氨酸（arg）的突变菌株，获得下列结果： ala+ pro+ arg+ 8400 ala+ pro arg+ 2100 ala+ pro arg 840 ala+ pro+ arg 420 ala
13、pro+ arg+ 1400 ala pro arg+ 840 ala pro+ arg 840,任意两基因发生共同转化的前提下：,ala-pro：亲型转化子：ala+pro+ 重组型转化子：ala+pro- ala-pro+ ala-arg：亲型转化子：ala+arg+ 重组型转化子：ala+arg- ala-arg+ pro-arg：亲型转化子：pro+arg+ 重组型转化子：pro+arg- pro-arg+,重组率重组型转化子/转化子总数100 alapro间的重组率 (2100+840+1400+840)/(2100+840+1400+840+8400+420) 37 alaarg间
14、的重组率 (840+420+1400+840)/ (840+420+1400+840+8400+2100) 25 proarg间的重组率 (2100+420+840+840)/(2100+420+840+840+8400+1400) 30% 所以，三基因间的距离和顺序为： ala25arg30pro,四、细菌的接合（conjugation）,E. coli接合的发现,1946年Joshua Lederberg（黎德伯格）和Edward Tatum发现了细菌之间通过直接接触传递遗传信息。,Lederberg由于研究细菌的重组而获得1958年Nobel Medicine or physiology
15、 Prize。,Tatum和G.W.Beable提出的“一个基因一个酶”也在此奖中。,1. Lederberg-Tatum实验 Lederberg发明的用基本培养基（minimal medium）筛选原养型（prototroph）方法。,对照（control）,实验解释：基因突变；营养物质互补；遗传物质重组？,对实验结果的解释,Lederberg和Tatum从概率上和对照实验上排除了细菌发生恢复突变的可能性：,a）单一性状恢复突变率是10-7，双性状恢复突变的概率是10-14。,结论：,在A菌株与B菌株之间发生了遗传物质的交换。 营养物质互补：营养缺陷型细菌通过培养交换营养物质，相互补充了对方
16、的不足而得以在基本培养基上生长。,b）对照培养的A、B菌株都没有生长出菌落。,对Lederberg-Tatum实验解释的质疑,（1）实验获得的原养型重组菌可能是转化的结果。 （2）营养物质的互补：培养基中含有某些代谢产物，混合后互相补充了对方的缺陷而得以生长。,Lederberg和Tatum的补充试验,A（或B）菌株,基本培养基中培养,细菌滤器过滤,滤液,B（或A）菌株,基本培养基中培养,不能生长,Bernard Davis实验的支持:是遗传重组，而不是营养物质互补，但需要亲本细胞的接触。,Hayes（海斯）实验,strain A,链霉素处理,strain B,strain A,在基本培养基中有菌落,接合：指两菌体细胞的直接接触，遗传物质从一个菌体转移到另外一个菌体，并导致遗传重组的过程。,2.接合,
