遗传学第七章2012

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1、第七章 细菌和病毒的遗传 细菌和病毒都是低等生物，在遗传研究中作用很大，是现代遗传学研究基因结构与表达的好材料，也是遗传工程直接的操作对象。,1细菌和病毒研究的遗传意义 一、细菌（germ）细菌属原核生物，体积小，结构简单，有核物质没有核结构，并且大多数细菌的染色体是裸露的DNA分子，没有蛋白质结合。如大肠杆菌（Escherichia Coli 通常缩写为E. Coli）在现代遗传学和微生物遗传学的研究中应用广泛，是基因克隆的最好工具。,大肠杆菌的DNA以单个主染色体的形式出现，其分子长约1100m，分子量约2.6109。这种DNA不与组蛋白结合，也不形成核小体，是一个封闭的大环，没有起点和终

2、点。除了主染色体之外，细胞里通常还具有一个或多个小染色体，人们通常把小染色体叫质粒，也是一个小环，也不与组蛋白结合。,细菌培养有两种方法：一是液体培养基培养，二是固体表面培养基培养（琼脂）。在适当条件下培养，20分钟可繁殖一代，一昼夜便可达到肉眼能看得见的菌落 （107个细菌）。,细菌的突变型： 1营养缺陷型：野生型（即原养型）在基本培养基中能合成所需要的各种物质，某基因突变以后，就成为营养缺陷型（突变型），营养缺陷型为致死突变，在基本培养基中必须添加缺陷的营养物质才能存活，这类基因命名一般取前3个字母，原养型在字母后加上标“”，突变型不加或加“”。,2分解代谢功能突变型：野生型的能将一些较复

3、杂的营养物质分解，如乳糖、氨基酸、脂肪酸等，担负这些功能的基因发生突变以后，就会丧失分解这些物质的能力。,3抗性突变型：野生型的对一些抗菌素或噬菌体（bacteriophage，通常缩写为phage）敏感，有关基因突变后，就成为抗某种抗菌素或某种噬菌品系，成抗性突变型，在培养基中添加某种抗菌素或某种噬菌能把野生型的杀死，但不能杀死抗性突变型。,莱德伯格（Ledeberg，J）等人设计的印影培养法就是鉴定突变的一种方法：先将待测的细菌在母板培养基上培养成菌落，母板上采用完全培养基，也不添加抗菌素和phage，突变型和野生型均可繁殖，菌落培养成以后，用一 块比培养基略小的木板，包上一层严格消毒的丝

4、绒布，印在母板菌上，母板上的细菌吸附在丝绒布上，再 把这块包着丝绒的木板分别印在各 种不同的添加培养基因 上，分析各培养基上菌落的形成，在缺乏某种物质的培养基上不能形成菌落，或 者添加某种phage能生长，即为某种缺陷型或抗某phage的突变型。,如，链霉素抗性突变性的筛选,二、病毒 病毒不具有细胞结构，体积很小，但也有遗传物质，也可以繁殖后代。病毒是靠寄生生活，根据宿主的类型又分为三种病毒：植物病毒、动物病毒和细菌病毒类。噬菌体（phage） 是细菌病毒。 目前人们对 phage了解 较多，phage 的遗传物质 分子结构， 又分为 单链DNA、 单链RNA、 双链DNA 和双链RNA。,三

5、、细菌和病毒在遗传研究中的优越性 1世代周期短：细菌在适宜的温度下20min可繁 殖一代，病毒更快，不到10min便可繁殖一代。 2便于管理和生化分析 ：个体小，一般在 1m 至几m之间，操作管理方便。 3便于研究基因的突变 ：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，显隐性突变均能表现出来。 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便于研究基因重组 ：细菌具有转化、转导和接合作用，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，易

6、于进行基因定位、结构分析和分离，基因的表达调控也适于采用生理生化的方法进行深入研究。 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作。,2. 噬菌体的遗传分析 一、噬菌体的结构 噬菌体是一种细菌病毒，结构非简单，遗传学研究中应用最多是T噬菌体系列，通常应用T1T7。它们的结构大同小异，外貌似蝌蚪。 （P153，图7-4）T偶列噬菌体（T2、T4、T6）头部呈六角形，为蛋白质外壳和内含的DNA双链分 子，头下的尾部包括一个 中空的针状结构及外鞘， 末端是基板，由尾丝及 尾针组成，T偶列噬菌体 将尾丝附着在E. Coli的 表面，通过尾鞘的收缩 将噬菌体

7、的DNA注入 到E. Coli细胞中。,噬菌体DNA注入细胞以后，对宿主细胞的影响不同，通常分为两类： 1烈性噬菌体：DNA注入宿主以后，快速复制，组装成许多新的子噬菌体，并使细胞裂解，将噬菌体释放出来，再重新侵染E. Coli细胞，这种途径称为裂解途径。,2温和性噬菌性：温和性噬菌体具有溶源性，即不使宿主的细胞裂解，形成共生状态，随着宿主细胞染色体的复制而复制，分裂而分裂，能够相安共存，一个子细胞中有一份噬菌体拷贝，这种途径称为溶源途径。 温和性噬菌体又有两种类型：噬菌体；P噬菌体。,-phage侵入宿主细胞以后，细菌不裂解 附在E.coli染色体上的gal（半乳糖）和bio（生物素）位点间

8、的att座位上 通过交换整合到细菌染色体上，并能阻止其它噬菌体的超数感染。,P1-phage代表P类噬菌体， 这类噬菌体的DNA进入 宿主细胞以后不整合到 宿主细胞的染色体上， 独立存在和宿主共生。,这两类噬菌体的共同特点是不大量复制、转录和翻译，这类噬菌体往往只有一个或少数几个基因表达，产生阻遏物，使其它基因被关闭不能表达。-phage通过一些 诱导因素如紫外线（UV）、 温度改变、烈性噬菌体的 诱导，可使关闭的基因 表达，成为烈性噬菌体， 进入裂解途径。,二、T2噬菌体的基因重组与作图 赫尔歇将他研究的phage性状分为两类： 1侵染E. Coli细胞时，细胞裂解形成噬菌 斑的形态，如斑的

9、大小、斑的边缘清晰或模糊。 2为宿主细胞的反应，如宿主细胞的抗裂 解能力的不同基因型有不同的表现型。,T2-phage侵染E. Coli时：T2-phage的性状： 野生型： r噬菌斑小而边缘模糊突变型： r噬菌斑大而边缘清晰E. Coli的性状：B株突变B/2株抗T2-phagephage 野生型h：能侵染E. Coli B株,不能侵染B/2株突变型h：能侵染E. Coli B株和B/2株两种h r+ 噬菌斑小, 能侵B株和B/2株hr 噬菌斑大,只能侵染B株将两种phage杂交,将这两种phage双重侵染E. Coli B株(不能一先一后，必须是同时)，这两种phage亲本的DNA分子在宿

10、主细胞内重组：可以形成四种基因型的phage，接种在B株和B/2株混合培养基中，,表现为：hr 半透明 大噬菌斑 亲本类型hr 透明 小噬菌斑hr 半透明 小噬菌斑重组类型hr 透明 大噬菌斑 将观察结果记录下来，计算重组值：重组值去掉百分号即为cM，为这两个基因的遗传距离。,这种方法也可以采用另一个类似的过程，叫转染（trancfection），经过特殊处理的细菌细胞可以直接吸收裸露的DNA分子，不同的DNA分子在宿主细胞中同样也可以复制和重组，也可以计算RF值。,例 溶菌性噬菌体控制溶菌速度的有三个基因，分别为 、 、 ，这三个基因突变型 、 、 的溶菌速度不同，可以分别测得这三个基因与h

11、基因的距离。（见P155表7-2）,由表7-2可知：rah之间 RF=24%rbh之间 RF=12.3%rch之间 RF=1.6% 那么, 这四个基因在环状染色体上可以有四种排列方式（P155下）是哪一种排列方式，还必须通过进一步的实验来确定，可先考虑三个基因：rb、rc及h的排列顺序：是rchrb还是hrcrb，为此需作 ，求得RF值。如 RFb.c = RFh.b + RFh.c 为 rb h rcRFb.c = RFh.b RFh.c 则为 h rb rc在这里实际测得RFb.c = RFh.b + RFh.c h 应位于rb及rc之间，排列顺序 rchrb。 那么ra在h基因的左或是右

12、，答案是都可以，因为是环状的染色体。（见P156图7-8）,ra,rb,rc,h,h,h,24,12.3,1.6,ra,ra,ra,ra,h,h,h,h,rb,rb,rb,rb,rc,rc,rc,rc,三、-phage的基因重组与作图 和高等动、植物一样，phage也可以进行三点基因定位，原理同高等动、植物。 如凯泽（Kaiser, AD，1955）的试验，对三个基因进行基因定位，这三个基因是： S 突变体 产生小噬菌斑。Co1 突变体 产生中央不透明，周围透明的噬菌斑mi 突变体 产生微小（比S突变体更小）噬菌斑 将S Co1 mi 结果见P156表7-3,在这里和前面讲的三点测验的方法相似

13、。 双交换最少，亲本类型最多，两种单交换类型不最少也不最多，中等。 1先确定这三个基因的排列顺序。 双交换类型 S mi 亲本类型 S Co1 miCo1 Co1在中间SCo1 RF = 3.76% 3.76cMRF= 6.16% 6.16cM,co1,mi,s,3.76,6.16,3细菌的遗传分析 细菌DNA的重组有四种方式：转化、接合、性导和转导。 这几种方式的重组有三个共同点：供体DNA单方向转入受体细胞。供体DNA在受体细胞中都形成部分二倍体。基因只有整合到环状染色体上才能稳定遗传。,一、转化（transformation） 转化：指受体细胞通过细胞膜从周围介质中直接吸收DNA片段，并

14、整合到本身的染色体上，使本身的基因型和表现型发生相应变化的现象。 转染：离体状态的噬菌体核酸改变受体的遗传组成。是转化 的一种特殊形式。转染进入细胞的是完整的核酸，一般不整合到受体的染色体上。 转化因子（transforming principle）：起转化作用的DNA片段，提供DNA分子或片段的为供体，接受DNA分子或片段的为受体。,转化实验首先是由格瑞费斯（Griffith, F，1928）在肺炎双环球菌中发现的，后来阿委瑞（Avery, OT, 1944）等又从分子水平上得到证实，转化因子是DNA，这就证明了遗传物质是DNA，而且表明转化是细菌基因重组的一种形式（参考第三章）。转化试验主

15、要用3种细菌研究：1、肺炎双环球菌 2、枯草杆菌 3、流感嗜血杆菌。 。,不同类型的细菌在培养基中共培养可以形成重组型细菌， 如两个具有不同抗性的细菌群体混合培养 ，可以发现带有双抗性的细菌。这主要是由于细菌裂解后，DNA留在培养基中，其它细胞可以摄取这些DNA片断，使其本身的基因型发生了变化。这种转化的发生，大约有1%的受体细胞可以吸收外源DNA。 枯草杆菌可以将DNA直接分泌到活细胞表面，更有利于转化的发生,细菌细胞的转化 （一）供体DNA与受体细胞间的接触与互作 转化的第一步是供体DNA与受体细胞接触，并发生互作。受体细菌细胞并非任何区域都允许外源DNA片段通过，而只是在特定区域形成临时性通道，这种特定区域称为受体位点，当供体DNA与受体细胞发生互作时，结合的部位就是受体位点 。在受体细胞表面这种位点存在的数目是有限的，当DNA分子浓度提高时，由于受到受体细胞受体位点的限制，转化率也不会再提高，另外受体细胞还要处于感受状态，才允许外源DNA进入受体。,转化率受转化片段的大小、形态、供体DNA分子多少的影响，如肺炎双环球菌的供体DNA分子要有800bp以上，枯草杆菌最少要有16000bp，否则，达不到转化作用。 在供体DNA片段的数量较少时，转化率会随着DNA分子的增加而提高，表现为正相关关系，如果足够多时，受到受体位点数目的影响，也不会再提高。,