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1、第八章,细菌和病毒的遗传学分析,一、细菌和病毒在遗传研究中的优越性,1.世代周期短，繁殖世代所需时间短； 2.便于管理和进行化学分析 3.便于研究基因的突变 4.便于研究基因的作用 5.便于重组基因的研究 6.便于研究基因的结构、功能及调控机制 7.便于进行遗传操作,第一节 细菌与病毒的遗传分析,一、接合 二、转化 三、性导 四、转导,一、细菌的接合现象,(一)、接合现象的发现和证实 (二)、F因子及其在杂交中的行为 (三)、中断杂交试验作图,在原核生物中，接合是指遗传物质从供体“雄性”转移到受体“雌性”的过程。,(一)、接合现象的发现和证实,1946年，黎德伯格和塔特姆大肠杆菌杂交试验： 材
2、料：大肠杆菌(Escherichia coli)K12菌株的两个营养缺陷型品系： 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-。 方法： 将A、B混和，在基本培养基(固体)上涂布培养。 结果： 平板上长出原养型菌落(+)。,黎德伯格和塔特姆接合试验,转化作用及其排除,把品系A的培养液经加热灭菌，加入到B品系的培养物中，未得到原养型菌落；表明原养型菌落可能不是由转化作用产生。 1950年，戴维斯的U型管试验(结果没有得到原养型细菌)； 实验结论：细胞直接接触是原养型细菌产生的必要条件。,接合现象的发现和证实,经过上述分析可以认为： 在黎德伯格和塔
3、特姆的试验中，发生了一种不同于转化的遗传重组方式，称之为接合。 1953年，海斯研究表明： 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品系：雌性与雄性分别作为接合过程中遗传物质的供体与受体。 接合： 遗传物质从供体(donor)转移到受体(receptor)的重组过程。,杂交时的贡献,海斯发现，两个菌株在杂交时贡献不一样 A (strr)与B (strs) A (strs)与B (strr) 在不含str的基本培养基上都能得到菌落 但在含str的基本培养基上，只有A(strs)与B(strr)能得到菌落，说明遗传物质是单向转移的过程,(二)、F因
4、子及其在杂交中的行为,1. F因子： 海斯等进一步研究发现，大肠杆菌在接合中作供体的能力受细胞内一种致育因子(fertility factor, F因子; sex factor, 性因子)控制。 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因子可以在细菌细胞间进行转移并传递遗传物质。, F 因子：又称致育因子，由共价环状闭合双链DNA构成，全长94.5Kb，约为大肠杆菌环状染色体的2%，以游离状态存在与细胞质中。,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F表示。,F因子的结构,F与F菌 （1）有F因子的细菌称为F，细
5、菌增殖时可把F 因子传递给后代细胞（通过自主复制）。 （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菌与F菌混合（即FF）1小时后，约95%的F菌转变为F菌，而原来的F仍然保留有F因子。而且，可以107频率获得重组体后代。,（1）滚环复制；（2）随机中断；（3）F因子的致育区（转移区）在最末端，因而很难转移到F 。,（三）高频重组(Hfr),1951年Cavalli发现：用氮芥处理F, 然后将处理后的F与F杂交，产生高频率的重组子（104）。 1954年 ，海斯 也分离了Hfr品系，发现：
6、 (1) Hfr使重组能力增强，但无传递F因子的能力，Hfr F 时，F 菌很少变成F菌。 (2) Hfr只能将供体基因组的一部分传给受体。 海斯的解释：Hfr的F因子发生了永久性改变。,F与Hfr比较 相同点 1、都能和F 产生杂交后代 2、杂交时都是通过接合管与受体相连 3、用高剂量链霉素处理后不影响杂交，说明他们都是作为供体 不同点 1、重组率不同， F（ 107 ）， Hfr（ 10 2） 2、 Hfr F F ， F F F,细菌遗传重组的特点,1、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 2、偶数次的交换的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
7、能复制，随着细胞分裂而丢失,（四）用中断杂交试验作染色体连锁图,50年代，Jacob F.和Wollman E. 设计了中断杂交试验，证明接合时遗传物质从供体细胞向受体细胞的转移是直线式进行的。 他们把Hfr菌株与F-菌株混合在一起进行杂交: Hfr菌株：thr+ leu+ strs azir tonr lac+ gal+ F- 菌株： thr- leu- strr azis tons lac- gal- str代表链霉素，s代表敏感性，r代表抗性，+代表原养型，- 代表缺陷型。,每隔一定时间取样，把菌液放在食物搅拌器内搅拌，以中断杂交 经过稀释，接种到含有链霉素的完全培养基上，这样将杀死所有
8、Hfr细胞 对形成菌落的F-细胞用影印培养法测试其基因型，以确定每个基因转移到F-细胞的时间。, 重组体中各标志基因进入F- 细胞中时间不同，达到最高水平的时间也不同； 随时间的推迟，某个基因的重组率增加；到一定程度后，重组率不再增加。 某一基因出现得越早，它所达到的百分数也越高。例如，azir出现最早，在24分钟时就达到了约90%的频率；gal+出现最迟，即使在混合60分钟时取样，也只有30%的菌落属于半乳糖利用型。,可用基因出现的时间为指标 ，作出E. coli的遗传连锁图，距离的单位为分钟。,用时间单位法测得这两个基因间的距离是1分钟。大致上，1个时间单位（1分钟）相当于20重组值。,大
9、肠杆菌染色体全长约100 min，含4 106 核苷酸对，所以总图距相当于2 000 cM ，故1 cM 2 000 bp。 这种接合重组作图在短距离内是有效的，如相距2 min以上的就有可能表现不连锁。同时这种接合重组不产生交互重组类型，所以用这种方法得出的图距和减数分裂生物中所确定的图距不同。,（一）、转化概念,转化：指细菌细胞膜摄取周围游离的外援DNA片段，通过同源区段的交换而实现基因重组的过程。是细菌细胞之间遗传物质转移和重组的重要方式之一。 条件： 1、受体细胞的生理状态 2、外源DNA大小形态 3、外源DNA片段与受体DNA的重组程度,二、转化,（二）、转化的过程 1、供体DNA与
10、受体DNA结合 2、DNA的穿入和摄取 3、通源重组 4、重组子的类型（两种）（重组型和亲本型）,（三）、共转化,例： Lederberg J.等用枯草杆菌进行转化和重组试验,紧密连锁的两个基因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（即共转化）。,三者并发转化的频率最高，故这三个基因是连锁的，其中his2和tyr1连锁紧密：,转化的供体片段与受体染色体形成部分二倍体，单交换时，染色体开环易降解，故不存在单交换类型；只有双交换和偶数的多交换才有效。,三、性导,性导：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。 F因子整合到宿主细菌染色体的过程是可逆的，当发
11、生环出时，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。 阿代尔伯格和伯恩斯)称这种F因子为F因子。,性导与F因子,性导在大肠杆菌的遗传学研究中十分有用。 第一，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。 其次，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。 第三，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。,噬菌体的遗传分析,1、增殖 （1）烈性噬菌体：这种噬菌体感染宿主细胞后就会进入裂解反应，使宿主细胞裂解 （2）温和噬菌体：这
12、种噬菌体感染宿主细胞后具有裂解和溶源两种发育途径 （3）原噬菌体：整合状态的噬菌体 （4）溶源菌：含有原噬菌体 2、基因重组 （1）双重感染：两个基因型不同的噬菌体，同时感染一个宿主细胞的现象,转导：是以噬菌体为媒介进行细菌遗传物质重组的过程，是细菌遗传物质传递和交换方式之一。,特点： 以噬菌体为媒介 细菌的一段染色体被错误地包装在噬菌体的蛋白质外壳内 通过感染转移到另一个受体细胞内。感染细菌的能力决定于噬菌体的蛋白质外壳。,四、转导,1、普通性转导） 可以转导细菌基因组的任何部分的转导。 转导颗粒（转导噬菌体）：把细菌染色体片段包装在噬菌体蛋白质外壳内而产生的假噬菌体，其中并不包含噬菌体的遗传物质。其产生的频率非常低，为0.3%左右，任一基因的转导频率约为310-5。由于噬菌体外壳蛋白决定噬菌体附着细胞表面的能力，因此，这种噬菌体颗粒仍然具有侵染性。,2、局限性转导：,噬菌体只能传递供体染色体的特定部分（靠近原噬菌体附着点的基因）的转导。又称局限性转导 由温和噬菌体进行的转导。 噬菌体的不精确切离产生携带噬菌体DNA整合位点侧翼DNA区段的局限性转导噬菌体。 局限性转导噬菌体感染受体菌，形成转导子。,
