细菌的遗传分析课件

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1、7.1 细菌的细胞和基因组（掌握） 7.2 大肠杆菌的突变型及其筛选（了解） 7.3 细菌的接合与中断杂交染色体作图（掌握） 7.4 F因子与性导（自学了解） 7.5 细菌的转化与转导作图（掌握） 7.6 细菌同源重组的机制（自学了解）,第七章 细菌的遗传分析,本章主要以大肠杆菌（E. coli ）为材料，讨论： 1、细菌的遗传物质的传递规律 2、细菌染色体作图 3、细菌同源重组的分子机制,7.1 细菌的细胞和基因组,7.1.1 细菌的细胞 7.1.2 细菌的基因组,7.1.1 细菌的细胞,E. coli 的菌落colony,细菌: 真细菌（eubacteria）如大肠杆菌（Escherchi

2、a coli） 古细菌（archaebacteria）如詹氏甲烷球菌 （Methanococcus jannaschii） 多种形态存在：球菌（cocci） 杆菌（bacilli ） 螺旋菌（sprilla）等 大小：随种类不同而异 杆菌一般长15，宽0.51； 球菌以直径大小表示，一般为0.51 ； 螺旋菌一般长为150 ，直径为0.51 ,细菌的基本结构：细胞壁、细胞膜、拟核、核糖体、 细胞质及内含物； 细菌的特殊结构：如荚膜和鞭毛 遗传物质环状核酸分子，也可称染色体。 单细胞菌落（clone）/菌株（strain） 世代时间短，20分钟一代，容易得到生化突变型。 原养型prototrop

3、h 营养缺陷型auxotroph 细菌与细菌之间可有遗传物质的交换,经渗透处理的E.Coli 释放出来的DNA，其染色体长度1200m,细菌染色体不凝缩，没有着丝粒，也没有纺锤体结构。 细菌繁殖：双链环形DNA分子随着细胞伸长而采取二分分裂（binary fission）的方式分开。,细菌染色体的复制与细胞二分分裂,7.1.2 细菌的基因组,细菌染色体大多为裸露的环状闭合DNA双链，没有组蛋白和其他蛋白质结合，也不形成核小体结构。位于细胞内一个称为“拟核”（nucleoid）的区域中。这种结构有利于外源DNA的插入。细菌的染色体长度为25035 000m不等。,拟核结构,电镜观察表明：拟核结构

4、最显著的特征是其DNA被包裹压缩成一个个有序的环状结构域(loop domain)。 大肠杆菌基因组长 4639229 bp，在松弛状况：1 333 m长，而其细胞长度约为2 m 、宽1m ，必须压缩最少1 000倍后才能装入细胞中。 对拟核成分分析表明，DNA占80，其余为RNA和蛋白质。已分离出HU、H1等DNA结合蛋白，类似于真核染色体的结构蛋白，可能与结构域的形成有关。大肠杆菌拟核中约有100个结构域，每个相当于40 kb，各个结构域具有相对的独立性。染色体(拟核)的结构域是超螺旋结构。这是DNA双螺旋的螺旋轴盘绕而形成的螺旋，是DNA三级结构的一种形式。,如用DNA酶处理大肠杆菌拟核

5、，各结构域DNA链将会断裂，超螺旋结构受到破坏，变为松弛型结构。拟核的中央部分为支架蛋白和RNA。 若用RNA酶处理，拟核中DNA的折叠结构即不能保持，说明RNA和支架蛋白是保持拟核结构的重要因素,细菌染色体以高度组装的形式存在,E.coli的染色体为闭合双链环状DNA，长约1333m. 1997年测定完成 E.coli K-12 MG1655菌株全基因组: 4639229（约4.7106）bp 其中：87.8 编码蛋白质 0.8 编码稳定性RNA 0.7% 无编码功能的重复序列 11 属调节序列和具有其它功能 在编码蛋白质序列：总共编码4288种已知和未知的蛋白质（可读框），其中约38功能不

6、明。,E. coli 的全基因组概况,在K-12 MG1655菌株中，基因的平均长度为950bp,基因之间的平均间隔约为118bp，但是菌株之间可能会有很大的差别。 2005年报道了第二个菌株E. coli K-12 W3110基因组的完整序列。 比较K-12 MG1655菌株和K-12 W3110菌株，发现两者基因组大小并不是一致的： K-12 W3110基因组大小为 4646332bp，基因总数为4464个 K-12 MG1655基因组大小为4639229bp，基因总数为4288个,E. coli 的全基因组概况,E. coli 的全基因组,仅显示部分基因 注意图距单位：min,7.2 大

7、肠杆菌的突变型及其筛选,7.2.1 大肠杆菌的突变类型 （1）合成代谢功能的突变型（anabolic functional mutants） 野生型品系在基本培养基上具有合成所有代谢和生长所必需的复杂有机物的功能，这称为合成代谢功能（anabolic function）。 这需要大量基因的表达，其中任何一个必需的基因发生了突变都不能进行一个特定的生化反应，从而阻碍整个合成代谢功能的实现，这种突变型称为营养缺陷型。它们多是条件致死突变（condition lethal mutation），因为能通过在基本培养基中添加所需的有机成分使具有这种突变的细菌存活。,（2）分解代谢功能的突变型（catab

8、olic functional mutants） 野生型大肠杆菌能利用比葡萄糖复杂的不同碳源，因为它能使复杂的糖类转化成葡萄糖或其他简单的糖类，也能将复杂分子，如氨基酸或脂肪酸降解为乙酸或三羧酸循环的中间物。这些降解功能称为分解代谢功能（catabolic function）。 同样，一系列降解功能的实现也需要许多有关基因的表达，其中任何一个基因的突变都会影响降解功能的实现。 如Lac突变型不能分解乳糖，因此就不能生长在以乳糖为唯一碳源的基本培养基中，而野生型Lac细菌都能利用乳糖。Lac表型可能是因为lacZ或lacY基因发生突变，分别产生了基因型为lacZ或lacY的突变型菌株。这种菌株显

9、然亦是条件致死突变型。,（3）抗性突变型（ resistant mutants） 细菌由于某基因的突变而对某些噬菌体或抗生素产生抗性（resistant）。 对噬菌体的抗性突变往往是以某种方式改变细菌的膜蛋白，从而某种噬菌体不能吸附或吸附在这种突变细菌上的能力降低。 对抗生素产生抗性的突变是一个严重的公害问题，所以研究得也较深入，而且细菌对各种抗生素的抗性机制各不相同。如对链霉素抗性突变的细菌是由于核糖体的30S亚基的S12蛋白变异，链霉素能和敏感细菌（野生型）的S12结合，从而使翻译过程发生差错或者使翻译过程的启动作用失效。而抗链霉素突变型的S12不再和链霉素结合，因此抗性突变细菌可以在链霉

10、素存在的情况下，进行正常的翻译作用和正常的分裂繁殖。,7.2.2 细菌的培养与突变型筛选,影印培养法,7.3 细菌的接合与中断杂交染色体作图,细菌中，大肠杆菌（E. coli）是最为广泛的遗传学实验材料 细菌的遗传重组可以通过三种途径来实现： （1）接合（conjugation）：细菌细胞经直接接触，把一个 细胞（供体）的遗传物质传递给另一个细胞（受体）， 从而实现遗传重组。接合能传递大段的DNA，在细菌的 遗传重组中是效率最高的。 （2）转化（transformation）：是指游离的细菌DNA片段 被吸收到不同的细菌细胞内（受体）。 （3）转导（transduction）：是指一种细菌的D

11、NA片段经 过温和的或经有缺陷的噬菌体传递给另一种细菌。,7.3.1 细菌的接合,注意实验设计的严谨性 严格的对照control 多重营养缺陷型,1946年， Lederberg和Tatum的实验 结果说明了什么？,结果A+B混合培养后的菌液涂布在基本培养基上可以1/107的频率长出原养型菌落，而单独的A和B则不能在基本培养基上生长。,1. A、B两个菌株之间发生杂交导致某种形式的遗传重组？ 2. 原养型菌落的出现不一定是基因型的改变，可能是培养上的互补，即一些物质从一个品系的细胞中泄漏出来而被另一个品系的细胞所吸收？ 3. 还是另一种可能，是基因型的改变，但不一定是由于两个品系间的杂交，而是

12、一个品系的DNA片段逸出细胞后，携带着相应的基因（如met+ bio+）进入另一个品系的细胞，因为这种转化作用而产生了上述的原养型？,实验结果可能的解释：,澄清上述问题U型管实验： 1950年Davis：U型管实验，有力地支持了细菌菌株杂交的判断。 他用一个U型管，在底部用一块过滤器隔开，把管分隔为相等的两臂。滤器的孔很小，细菌不能通过，只有象DNA这样0.1微米的游离分子、培养液和营养物质可以通过。 U型管两臂中分别为营养缺陷型品系A和B，使它们繁殖到饱和状态，同时在U型管的一端交替地吸和压，使两臂中的培养液充分混合，但细菌的两个品系的细胞却不会接触。在U型管中培养一些时间后，再从两端分别取

13、细菌进行培养，没有发现一个细菌能在基本培养基上生长。,两种细胞之间的物理接触是接合重组的必要条件,F 因子与细菌的接合,F因子：fertility factor 致育因子或性因子。 是游离于细菌染色体外的 闭合环状DNA，但有时 也可整合至染色体上,F细胞：含有F因子，供体 F细胞：不含F因子，受体,F 因子的结构,F因子包含3个区 原点 origin：转移的起点 致育基因：编码生成菌毛的蛋白，形成接合管 配对区：与染色体多处区域配对，可使 F 因子整合至染色体上,高频重组 high frequency of recombination，Hfr,F 与F 之间杂交只有F因子的传递，而细菌的染色

14、体并不转移，因此尽管F因子转移频率很高，但两者染色体之间重组频率很低，大约是每百万个细胞中发生一次重组，因此F 品系称为 低频重组（ low frequency recombination，Lfr） 。 F因子也可以整合到细菌染色体中，像这种带有一个整合的F 因子的品系则称为高频重组（ high frequency recombination，Hfr） ，因为Hfr细胞与F 细胞接合后可以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标记时，在它们之间就可以发生重组，重组频率可达到10-2以上，故称Hfr品系。 F因子：整合的 F 因子偶尔也能离开细菌染色体回到细胞质

15、中，少数情况下，脱离染色体时，可以携带寄主的少数基因，形成环状的F。这种含有细菌染色体基因的 F 因子叫做F（F prime）因子,根据F因子存在的状态不同而将细菌分为： F 菌株：缺乏 F 因子。 F 菌株：具有游离的 F 因子。 Hfr菌株：F 因子整合到宿主染色体上。 F菌株：带有部分宿主染色体的游离 F 因子。,由此也决定了它们之间的接合性能和遗传重组的频率： F F ，不能接合，因为相互排斥。 F F ，不能接合，因无 F 因子不能形成接合管。 F F ，可接合并将受体F 转化为F ，但为低频重组。 Hfr F ，可接合，受体一般为F ，但为高频重组。 F F ，可接合，并将受体F

16、转变为F ，并对所携带的宿主基因是高频重组。,细菌重组的特点,Hfr 与F 细胞之间接合，通常只有部分的供体染色体DNA进入受体。内外基因形成部分二倍体,部分二倍体区发生奇数次交换导致线性染色体，该细胞不能存活,部分二倍体区发生偶数次交换形成重组的环状染色体，该细胞可存活,细菌重组的特点：基因转移是单方向的，仅供体受体 这与真核生物减数分裂中染色单体间交换导致的重组不同,7.3.2 中断杂交与重组作图,（1）中断杂交（Interrupted-mating experiment）实验原理 Wollman和Jacob想了解Hfr品系在杂交时，什么时候把它的基因转入F细胞，进行了一些实验，其中中断杂交实验对E.coli的遗传研究作出了重大的突破。,Hfr 菌株 thr+ leu+ azir tonr lac+ gal+ strs F- 菌株 thr leu azis tons lac gal