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1、第十章 细菌和病毒的遗传,第一节 细菌和病毒遗传研究的意义 第二节 噬菌体的遗传分析 第三节 细菌的遗传分析,霉菌菌落 细菌菌落,大肠杆菌,细菌和蓝绿藻属于原核生物， 一个线条状或环状染色体(单倍体结构) 无典型的有丝分裂和减数分裂； 染色体传递和重组与真核不同,病毒： 比细菌更简单； 在寄主细胞内以集团形式产生； 属于只有一条染色体的单倍体。,第一节 细菌和病毒遗传研究意义,一、细菌,1、细胞： 所有的细菌都是比较小的细胞，大约1- 2m长，0.5m宽。由一层或多层膜或壁所包围。细菌细胞中有含有许多核糖体的细胞质，以及含DNA的区域，即拟核。,大肠杆菌模式图,2、染色体：大都是双链DNA环状
2、结构，长度不等，裸露、无蛋白质结合，也不形成核小体。所以其染色体的显著特点是：易于接受带有相同或不同物种的基因或DNA片段的插入。 大肠杆菌(Escherichia coli)在细菌遗传学研究中应用十分广泛，其DNA主要是以单个主染色体(main chromosome)的形式存在。,3、细菌的遗传研究方法, 细胞计数法 纯培养 选择培养法 影印培养法, 细胞计数法估计细胞培养物浓度,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。,纯培养建立纯系,通常采用
3、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”。 每个菌落由单个细胞繁殖而来，叫纯系（无性繁殖系）,选择培养法鉴定突变型,筛选鉴定原理： 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和营养缺陷型。 原养型：野生菌株,可在基本培养基上生长。 营养缺陷型：丧失合成某种营养物质能力，不能在基本培养基上生长，在补充营养培养基上生长。 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。用不同的选择性培养基，测知不同的突变。,培养基中加有青霉素,对于其它的突变类型(温度敏感型、抗性突变型等)，也可以通过培养条件的选择培养来筛选与鉴定。如：青霉素
4、(penr，r代表resistance)抗性突变的菌落。,影印培养法突变型与重组型的批量筛选,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。 注意： (1)最初的培养基必须是非选择性的，即各种突变型都能在其上生长； (2)必须采用适当的方法如涂布或划线法，使培养物菌落之间分开。,二、病毒：,没有细胞结构，是单倍体，只有一条染色体。 病毒 蛋白质外壳 + 包被在内的核酸。 病毒中没有合成蛋白质外壳所必须的核糖体。所以，病毒必须感染活细胞，
5、改变和利用活细胞的代谢合成机器，才能合成新的病毒后代。,烟草花叶病毒 腺病毒 T4 噬菌体 爱滋病病毒 RNA DNA DNA RNA,病毒分类： 根据寄主不同，分为：动物病毒、植物病毒、细菌病毒； 根据构成病毒遗传物质不同，分为：DNA病毒、RNA病毒。,感染细菌的病毒又叫噬菌体(bacteriophage), 是目前了解比较清楚的病毒。噬菌体对于分子生物学的研究具有非常重要的贡献。常见几个主要噬菌体的性质见下表：,1繁殖世代周期短，易于实验室管理：,大肠杆菌(E. Coli)20分钟可繁殖一代，病毒每1小时繁殖数百代，实验室一般培养1天，便可研究； 个体小，一支试管可以储存数以百万计的细菌
6、和病毒，操作管理方便。,三、细菌和病毒在遗传研究中的优越性：,2遗传物质简单，便于基因研究： 基因突变研究。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。,基因作用研究。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。,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。,基因结构、功能及调控机制研究。 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。,遗传操作研究。 染色体结构简单，没有组蛋白和其它
7、蛋白的结合，更 宜于进行遗传工程的操作。,第二节 噬菌体的遗传分析,1. 结构简单：,蛋白质外壳、核酸、某些碳水化合物、脂肪等。,2. 多样性的原因：,外壳的蛋白质种类、染色体类型和结构的不同。,3. 两大类(据噬菌体DNA在宿主细菌内的特点 )：, 烈性噬菌体：能引起寄主细胞裂解的噬菌体。 例：T噬菌体系列(T1-T7)；, 温和性噬菌体: 侵入寄主细胞后，不使寄主细胞裂解的噬菌体。具溶原性的P1和噬菌体。,一、噬菌体的结构：,、烈性噬菌体：,1. 结构大同小异，一般呈蝌蚪状：,T2噬菌体的结构图示,T4噬菌体的成熟颗粒,2、烈性噬菌体的生活周期：,包括吸附、侵入、核酸复制、蛋白合成与装配、
8、释放。 吸附：噬菌体以尾丝尖端的蛋白质吸附在菌体表面的特异受体上； 侵入：尾丝收缩，尾管中的溶酶菌溶解菌体肠壁，将染色体DNA注入宿主细胞内； 核酸复制、蛋白合成：破坏寄主细胞原有的遗传物质，合成大量的噬菌体遗传物质和蛋白质 。 装配：合成的病毒的各配件装配在一起成为成熟病毒粒子。 释放：溶菌酶裂解细菌 ，释放出数百个噬菌体,2T偶列噬菌体的侵染过程（如T4噬菌体）：,T4噬菌体侵染大肠杆菌的生活周期,T4噬菌体从大肠杆菌中释放,、温和性噬菌体：,例如和P1噬菌体和P1各代表一种略有不同的溶原性类型。,.P1噬菌体：,它并不整合到细菌的染色体上，而是独立地存在于细胞质内。,只有少数基因活动，表
9、达出阻碍物关闭其它基因。,原噬菌体经诱导可转变为烈性噬菌体 裂解途径。,原噬菌体：整合在宿主基因组中的噬菌体。,2. P1和噬菌体的特性：,P1和各代表不同的溶原性类型：,溶源性细菌分裂 两个子细胞：,共同特点：核酸既不大量复制，也不大量转录和翻译。,第三节 细菌的遗传分析,一、转化（transformation）：,概念：指某些细菌能通过其细胞膜摄取周围供体的染色体片段，将此外源DNA片段通过重组加入自己染色体组的过程。,转化主要分为二个步骤进行:,(一)供体DNA与受体细胞间的接触与互作,转化的第一步是使转化DNA与受体细菌间的成功地相互作用，这包括：转化片段的大小、形态、浓度和受体细胞的
10、生理状态。,.转化片断的大小：,.供体DNA分子存在的数目：,对特定基因来说，供体DNA分子数目与成功转化有关。,链霉素抗性基因转化：在每个细胞含有10个DNA分子之前，抗性转化体数目一直与DNA分子存在数目成正比。,原因：在细菌的细胞壁或细胞膜上有固定数量的DNA接受座位，故一般细菌摄取的DNA分子数小于10个。,受体的生理状态：,受体细胞必须在生理上处于感受态。 这种感受态只能发生在细菌生长周期的某一时间范围内，在感受态内，活跃合成的蛋白质的细菌细胞壁多少发生改变而易于接受转化DNA。,、转化DNA的摄取和整合过程：,细菌中的转化，包括供体DNA的结合与穿入，联会和整合。,当细菌处于感受态
11、时，外源双链DNA分子可结合在受体细胞表面的接受座位上。细菌在摄取外源DNA时，由DNA移位酶降解其中一条链，并利用降解这条链产生的能量，将另一条链拉进细胞中。,.结合与穿入：,、转化DNA的摄取和整合过程：,供体单链DNA片段一旦进入细胞，按各个不同的位点与其相应的受体DNA片段联会。,.联会：,二、接合（conjugation）：,1.概念：是指原核生物的遗传物质从供体(donor)转移 到受体(receptor)内的过程。,特点：需通过细胞的直接接触。,实例一 ： 1946年，黎德伯格和塔特姆发现，大肠杆菌细胞之间通过接合可以交换遗传物质。试验如下： 不同营养缺陷型的大肠杆菌： A菌株：
12、Met- bio- thr+ leu+， B菌株：Met+ bio+ thr- leu-，,2接合的发现和证实：,A+B菌株混合培养，在完全培养基上，几小时后离心，涂布基本培养,长出原养型(Met+bio+ thr+ leu+)菌落。,A菌株和B菌株营养缺陷型，不能在基本培养上生长。,Hayes(1952)试验证明： 接合过程是一种单向转移，A菌株遗传物质 到B菌株，从供体“donor”到受体“receptor”。,1.F 因子：致育因子(性因子)，是一种附加体。,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,2.F 因子的组成：,染色体
13、外遗传物质， 环状DNA；,40-60个蛋白质基因； 2-4个/细胞(雄性内)。,F 因子的三种状态：,以大肠杆菌为例：,一个自主状态F因子，即F；, 带有一个整合的F因子的细胞叫高频重组细胞，Hfr细胞。,没有F因子，即F；,F因子整合到细菌染色体上(F Hfr细胞)，其繁殖与细菌染色体同步进行。,此时，细菌基因的重组频率增加4倍以上，因此染色体上整合有F因子的菌株，称为Hfr菌株。,、Hfr细胞的形成及染色体的转移：,细菌染色体由一小段单链的F因子为前导而转移到F-受体 边进入边合成。一般情况下仅小部分细菌染色体能够转入，接合中断 受体细胞仍为F，F因子仍留在供体内。,三、性导（sexdu
14、ction）:,性导：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。,F 因子整合过程： 可逆，发生环出时，F因子又可重新离开染色体。,Adelberg和Burns(1959)：, F因子偶尔在环出时不够准确，会携带出染色体上的一些基因，这种因子称为F因子。, F因子携带染色体的节段大小：从一个标准基因到半个细菌染色体。,F因子使细菌带有某些突出的特点：,F因子转移基因比率极高，如同F+因子转移比率；,F因子的自然整合率极高，并且整合在一定的座位上。, 携带有与细菌染色体一样的同源区段；而正常F因子可在不同座位整合。,雅科和阿代尔伯格发现：,特殊的Hfr菌株能把lac+ 等位基因高
15、频率地转移到F lac- 受体之中。,lac基因位于远端，中断杂交实验中只有1/1000重组率；,由F携带lac+ 基因进入受体后可在lac位点上形成部分 二倍体Flac+ / lac-。,1.概念：是指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。,2.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（transduction）：,3.例如：,黎德伯格与津德（1951）发现鼠伤寒沙门氏菌中转导现象。,. 将两个沙门氏菌的营养缺陷型进行杂交：,phe-
16、 try- tyr- met+ his+ phe+ try+ tyr+ met- his-,混合培养,在基本培养基发现原养型的菌落 频率为1/105,不能合成苯丙氨酸、色氨酸和酪氨酸,不能合成甲硫氨酸和组氨酸,. 产生上述结果的原因:,.是否属于回复突变?,高频率的出现不可能是回复突变。,.是否属于接合、性导?,戴维斯U型管试验(防止细胞直接接触) 结果也获得野生型重组体，排除由于接合或性导而产生基因重组可能性。,.是否属于转化?,结果表现为不受DNA酶的影响，排除了由于DNA片断通过滤片经转化实现基因重组可能性。,. 唯一可能的结论是：这种重组通过一种过滤性因子实现。,这种过滤性因子称为FA，不受DNA酶的影响。 FA是一种噬菌体，称为P22，溶源性的。,转导可分为普遍性转
