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1、遗 传 学,数理与生物工程学院,第七章细菌和病毒的遗传学分析,细菌和病毒在遗传研究中的优越性 细菌的遗传分析* 噬菌体的遗传分析,一 细菌和病毒在遗传研究中的优越性,繁殖世代所需时间短； 易于管理和进行化学分析； 遗传物质较简单，便于用作研究基因结构、功能及调控机制的材料。 便于研究基因的突变； 便于研究基因的作用； 可作为研究高等生物的简单模型；,二 细菌的接合与染色体作图,1.接合现象的发现,细菌的接合首先是莱德伯格（ Lederberg ）和塔特姆（ Tatum ）在1946大肠杆菌杂交试验中发现的。,a+b,ab+,a+b+,问题：得到的重组子ab的频率很低（10-7）和回复突变频率相
2、近（10-6），两者难以区别。,莱德伯格解决方法： 采用了大肠杆菌(Escherichia coli)K12菌株的两个营养缺陷型品系：,品系A met bio thi leu thr 品系B met bio thi leu thr,接合现象,质疑：细菌的杂交实验获得重组子可能原因：,1950年戴维斯（Davis）设计了一种U型管实验，证实了A和B菌株之间确实是发生了杂交。,细菌的杂交实验获得的重组子可能是转化的结果。 培养基中含有某些代谢产物，混合后这些产物互相补充了对方的不足而得以在基本培养基上生长。,结论:,原养型不是转化或互养产生的; 两菌株细胞的直接接触是产生原养型菌株的前提。,2.海
3、斯（W.Hayes）的实验（1952）,海斯在重复莱德伯格和泰特姆的细菌杂交实验之前，分别用高剂量的链霉素来处理A菌株和B菌株。,大肠杆菌的两种类型,Hayes(1952)研究表明：,大肠杆菌两种不同菌株(品系)接合过程中遗传物质的转移是单向的； 从而认为大肠杆菌存在两种类型：雌性与雄性，分别作为接合过程中遗传物质的受体与供体。,3.致育因子（fertility factor，F）,细菌染色体外的一个决定细菌雄性性别的共价环状DNA分子，称为致育因子 (fertility factor)，又称为F因子或F质粒。,携带F因子的菌株称为供体菌或雄性，用F表示。 未携带F因子的菌株为受体菌或雌性，用
4、F表示。,致育基因(fertility gene): (接合转移区),配对区(pairing region):(重组区),F因子结构,原点(origin):(复制区),细菌含有F因子，并且F因子通过交换整合到主染色体上，这样的细菌叫Hfr细菌。 Hfr的主染色体进入F-中的频率高，比F+F-高1000倍。,Hfr细菌（高频重组菌株）,F+、F-和Hfr菌株,4.供体将F因子传递给受体的过程,接合管形成,直接将F因子通过接合管传递给受体菌,F因子整合到细菌染色体后通过接合管传递给受体菌,5.低频重组与高频重组,低频重组(low frequency recombination）： F+与F-的杂交
5、中，F因子的转移频率很高，但供受体细菌染色体的重组频率却很低，约为10-6，因此F+品系称为低频重组品系(菌株)。,F因子整合到了细菌染色体上，与F-细胞接合后将供体染色体的一部分或全部传递给F-受体，当供体和受体的等位基因带有不同的遗传标记时，可观察到它们之间发生重组，频率可达到10-2以上，称为高频重组品系（菌株）,高频重组(High frequence recombination, Hfr),Hfr和F+的异同,相同 都能和F-进行杂交产生重组后代； 杂交时都要通过接合管和受体菌相连接； 用高剂量链霉素处理后都不影响杂交，说明它们都是作为一种供体。,不同 产生的重组子频率不同；10-4，
6、10-7 F+F-后代常为F+，而HfrF-后代绝大多数为F- ； F+ 经吖啶橙处理后会变成F-，Hfr经吖啶橙处理后仍为Hfr。,6.部分二倍体：,当Hfr菌的部分染色体进入F细胞后，F细胞中就成为部分二倍体（partial diploid）或部分合子（merozygote）。,7.细菌重组的特点,只有偶数次的交换才能保持细菌染色体的完整性，产生有活性的重组子。 偶数次交换得到的重组子只有一种类型，相反重组子是一个线状片段，不能复制，随着细胞分裂而丢失,8.中断杂交与重组作图,雅科(Jacob，F)和沃尔曼 (Wollman，E.)在五十年代设计了一个著名的中断杂交试验(interrupt
7、ed mating experiment)。 他们采用的菌株基因型为： Hfr: thr+ leu+ azis tons lac+ gal+ strs F: thr leu azir tonr lac gal- strr,中断杂交的过程,上述事实说明，Hfr菌株的基因是按一定的线性顺序依次进入F菌株的，染色体从原点以直线方式进入F细胞。基因位点离原点愈近，进入F细胞愈早，反之则晚。 根据中断杂交的实验，用Hfr基因在F细胞中出现的时间为标准，可以作出大肠杆菌的遗传连锁图。,用不同的Hfr菌株进行中断杂交实验所作出的大肠杆菌基因连锁图，其基因向F-细胞转移的顺序大不相同。,重组作图,当转移时间间
8、隔在两分钟之内， 如已知lac与ade紧密连锁，距离约为1分钟，中断杂交作图就不可靠，须用传统的重组作图(recombination mapping),(1)不用亲本类型 (2)两对基因间的交换频率，必须在形成部分二倍体的条件下，计算重组率。 (3)部分二倍体如果不发生重组，无法鉴别。 (4)接合重组不产生相反的重组类型,接合重组作图的特点：（与减数分裂生物的区别）,重组子的产生,重组频率的计算,1分钟相当于20%重组值，即：1min=20cM,三 细菌转化,是指某些细菌(或其他生物)能通过其细胞膜摄取周围供体(donor)的染色体片段，并将此外源DNA片段通过重组整合到自己染色体组的过程。,
9、1.转化(transformation),大部分的转化工作是用肺炎双球菌(Streptococcus pneumoniae)、枯草杆菌(Bacillus subtilis)和流感嗜血杆菌(Hemophilus influenzae)进行的。,受体细胞的生理状态-感受态： 感受态指细菌能够从周围环境中吸收DNA分子进行转化的生理状态。 一般认为感受态出现在细菌对数生长后期，并且某些处理过程可以诱导或加强感受态。 以大肠杆菌为例，如用Ca2+(如Cacl2)处理对数生长后期的大肠杆菌可以增强其感受能力。,2.转化应具备的条件,DNA片段的大小，形态和浓度,大小：肺炎双球菌转化(800bp); 枯草
10、杆菌的转化(16KB)。 形态：双链 浓度：在细胞膜上感受位点未饱和前，浓度和转化率成正比,外源DNA片段与受体DNA的同源程度,3 转化的过程,供体(donor)DNA与受体(receptor)细胞结合(binding) 结合发生在受体细胞特定部位； 结合过程是一个可逆过程。,DNA的穿入和摄取： 当细菌结合点饱和之后，细菌开始摄取外源DNA； 往往只有一条DNA单链进入细胞，另一条链在膜上降解。,联会(synapsis)与外源DNA片段整合(integration)： 整合就是指单链的转化DNA与受体DNA对应位点的置换，稳定地掺入到受体DNA中的过程。 整合是一个遗传重组的过程。,杂合D
11、NA复制后，形成一个亲代类型的DNA和一个重组类型的DNA并导致转化细胞的形成与表达。,转化的进程,4 共转化与遗传图谱绘制,共转化：供体的一条DNA片段上的两个基因同时转换的现象。 利用共同转化绘制细菌连锁遗传图谱的基本原理： 相邻基因发生共同转化的概率与两者的距离间成正向关系，基因间距离越近，发生共同转化的频率越高，反之越低。 因此可能通过测定两基因共同转化的频率来指示基因间的相对距离。,判断两个基因是否连锁,例如：黎德伯格等人用枯草杆菌:以trp2+ his2+ tyr1+为供体，以trp2- his2- tyr1- 为受体进行转化，结果如表,转化子数(重组体数) 亲组合数+转化子数,(
12、+ -)+(- +) (+ +)+(+ -)+(- +),计算重组率及作图,RF(trp2his2) =34% RF( trp2tyr1) =40% RF( his2tyr1) =13%,四 性导,F因子整合到宿主细菌染色体的过程是可逆的，当发生环出(looping out)时，F因子又重新离开染色体。然而F因子偶然在环出时不够准确，它携带有染色体的一些基因。,这种带有宿主染色体基因的F因子称为F因子。,性导(sexduction)：是指接合时由F因子所携带的外源DNA转移到细菌染色体的过程。,性导的遗传重组,F因子以极高的比率转移它的基因，如同F +细菌以极高的比率转移它的F +因子一样；
13、F因子有极高的自然整合率，而且整合在一定的座位上，因为它有与细菌染色体的同源区段。,F因子使细菌带有某些突出的特点：,不同的F因子带有不同的细菌DNA 片段，利用不同的F的性导可以测定不同基因在一起转移的频率。 观察由性导形成的杂合部分二倍体中某一性状的表现，可以确定这一性状的等位基因的显隐关系。 性导形成的部分二倍体也可用作互补测验，确定两个突变型是同属于一个基因还是不同基因。,性导在大肠杆菌的遗传学研究中意义：,互补测验：根据基因的功能确定两个基因是否等位的测验方法。 互补作用：两个突变型细胞的两条同源染色体同处在一个杂合子时，野生型基因补偿突变基因的缺陷而使表型恢复正常。否则，两种突变型
14、一定具有相同的功能损伤。,顺式构型：两个突变分别位于一同源染色体上的基因组合。 反式构型：两个突变分别位于两条同源染色体上的基因组合。,病毒分三类：植物病毒、动物病毒和噬菌体。 噬菌体:指侵染细菌、放线菌以及真菌的病毒。包括温和、烈性两种。 单一核酸分子（DNA或RNA）称为基因带或染色体。,五 噬菌体的遗传学分析,1.噬菌体的结构和形态,2 噬菌体的繁殖和感染周期,烈性噬菌体: 如T噬菌体,烈性噬菌体的感染周期,噢，一只倒霉的大肠杆菌遇了细菌病毒T4噬菌体！,病毒马上抓住猎物不放，但是大肠杆菌体积是病毒的1000倍。病毒怎么办呢？,T4 噬菌体的生命旅程,请看： 病毒的蛋白质外壳发挥作用，将
15、病毒的核酸物质注入大肠杆菌体内，请注意病毒的外壳最后会被弃在寄主体外。,左图：病毒核酸链接入到寄主核酸链中右图：病毒核酸链指挥大量复制自己,病毒的核酸链（蓝色部分）经过一系列作用，接入寄主的核酸链（橙色部分）中，进而控制寄主的生命活动。利用寄主本身的营养物质复制出成千上万的病毒核酸，同时新产生的病毒核酸链（黄色部分）又指挥寄主的细胞，利用寄主的营养物质大量地生产病毒外壳蛋白质，最后把外壳与病毒核酸一起装配成完整的新病毒。,最后: 大肠杆菌死亡并破裂，释放出里面的病毒，新一代病毒开始新的生命旅程,随着时间的推移，细菌的数量变得越来越少，这是因为它们被细菌病毒杀死了，这种现象也称为“溶菌”现象。,
16、温和噬菌体,如噬菌体:,温和噬菌体侵入相应宿主细胞后，由于前者的基因组整合到后者的基因组上，并随后者的复制而进行同步复制，因此，这种温和噬菌体的侵入 并不引起宿主细胞裂解， 此即称溶源性或溶源现象。,溶源性（lysogeny）,原噬菌体（prophage）,当温和噬菌体侵入其敏感宿主的细胞后，前者的核酸可整合到后者的核基因组（genome，即核染色体）上，这种处于整合态的噬菌体核酸，称作原噬菌体（prophage）。,凡能引起溶源性的噬菌体即称温和噬菌体，而其宿主就称溶源菌。 溶源菌是一类能与温和噬菌体长期共存，一般不会出现有害影响的宿主细胞。,溶源菌（lysogen或lysogenic bacteria）,温和噬菌体的溶源性反应：,3 噬菌体的突变型,条件致死突变型: (1). 温度敏感突变 (2). 抑制因子敏感突变 宿主范围突变型: 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 噬菌斑形态突变型: (1)
