2022/7/20第四章第四章 细菌基因转移和基因重组细菌基因转移和基因重组2022/7/20第二节接合接合(conjugation)(conjugation)供体菌（供体菌（F+）通过性菌毛与）通过性菌毛与受体菌（受体菌（F-）直接接触，把）直接接触，把F质粒或其携带的不同长度质粒或其携带的不同长度的核基因组片段传递给后者，的核基因组片段传递给后者，并使其获得若干新遗传性状并使其获得若干新遗传性状的现象大肠杆菌的接合大肠杆菌的接合能进行接合的微生物种类能进行接合的微生物种类主要在细菌和放线菌中进行细菌中，尤其主要在细菌和放线菌中进行细菌中，尤其G-菌较为菌较为普遍接合还可发生在不同属的一些菌种间接合还可发生在不同属的一些菌种间接合的意义n抗生素抗性n外毒素抗性n新的代谢能力2022/7/202022/7/20n通过接合而获得新遗传性状的受体细胞叫通过接合而获得新遗传性状的受体细胞叫接合子接合子n介导接合作用的质粒叫介导接合作用的质粒叫接合质粒接合质粒(自主转移自主转移质粒、性质粒质粒、性质粒)2022/7/20接合的特征接合的特征n特征特征1：需要供体细胞和受体细胞的：需要供体细胞和受体细胞的直接接触直接接触，在，在G-是通过质粒编码的是通过质粒编码的性菌毛性菌毛介导的，在介导的，在G细菌中没细菌中没有性菌毛，由受体细胞分泌类似于性激素的有性菌毛，由受体细胞分泌类似于性激素的短肽短肽刺刺激细胞接合。
激细胞接合2022/7/20n特征特征2：需要：需要质粒参与质粒参与G-细菌中质粒分子量较大，细菌中质粒分子量较大，有几十个有几十个tra基因参与基因参与DNA转移，而转移，而G细菌中质细菌中质粒小，只有几个粒小，只有几个tra基因参与基因参与DNA转移2022/7/20n特征特征3：无论：无论G-或或G，质粒能，质粒能只从供体细胞向受只从供体细胞向受体细胞转移体细胞转移.n是自然界微生物遗传物质交换的重要途径是自然界微生物遗传物质交换的重要途径n大肠杆菌，自主转移质粒是大肠杆菌，自主转移质粒是F 因子2022/7/201.接合现象的发现与证实接合现象的发现与证实n19461946年，年，J.Lederberg&TatumJ.Lederberg&Tatum的大肠杆菌的大肠杆菌杂交试验杂交试验：材料：大肠杆菌材料：大肠杆菌(E.coliE.coli)K12)K12菌株的两个营养缺陷型品系：菌株的两个营养缺陷型品系：n菌株菌株A A甲硫氨酸缺陷型甲硫氨酸缺陷型met-met-和生物素缺陷型和生物素缺陷型bio-bio-；n菌株菌株B B苏氨酸缺陷型苏氨酸缺陷型thr-thr-和亮氨酸缺陷型和亮氨酸缺陷型leu-leu-。
方法：将方法：将A A、B B两菌株混和，在基本培养基两菌株混和，在基本培养基(固体固体)上涂布培养上涂布培养结果：平板上长出原养型菌落结果：平板上长出原养型菌落(+)(+)2022/7/20+-？结果原养型菌株以结果原养型菌株以10-510-6的频率出现的频率出现2022/7/20n 质疑：n 细菌的杂交实验获得的重组子可能是转化的结果n 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n(3)回复突变2022/7/20转化的排除（1）n当时当时Lederberg 和和Tatum已证明，把菌株已证明，把菌株A的培养液经过灭菌，再加入到的培养液经过灭菌，再加入到B菌株的培养菌株的培养液中，没有原养型菌落，说明并非转化的液中，没有原养型菌落，说明并非转化的结果2022/7/20证实接合过程需要细胞间的直接接触的证实接合过程需要细胞间的直接接触的“U”型管型管实验（实验（Bernard Davis，1950）转化的排除(2)2022/7/20互养的排除互养的排除n营养缺陷型菌株通过培养基交换养料而生长的现营养缺陷型菌株通过培养基交换养料而生长的现象称为象称为互养互养。
如将基因型如将基因型A A-B B+T1T1s s和和A A+B B-T1T1r r两菌株两菌株在基本培养基上混合培养，接触较短的一段时间在基本培养基上混合培养，接触较短的一段时间以后，喷上噬菌体以后，喷上噬菌体T1,T1,把把A A-B B+T1T1s s杀死，经培养后仍杀死，经培养后仍有原养型菌落出现有原养型菌落出现A A-B B+T1T1s sA A+B B-T1T1r rT1T12022/7/20回复突变的排除回复突变的排除n大肠杆菌的突变率一般都是大肠杆菌的突变率一般都是10-8，若两个基因同，若两个基因同时回复突变，则可能性只有时回复突变，则可能性只有10-16，这种几率在平，这种几率在平板上是很难检测到的，所以混合培养能出现板上是很难检测到的，所以混合培养能出现10-5-10-6频率的菌落一定是重组的结果频率的菌落一定是重组的结果MCB 140 2/16/05 1514.11J.Lederberg,E.Tatum(1946)Novel genotypes in mixed cultures of biochemical mutants of bacteria.Cold Spring Harbor Symp.Quant.Biol.11:113-114.MCB 140 2/16/05 16草履虫2022/7/20W.Hayes的实验（1952）n该实验说明细菌接合过程中该实验说明细菌接合过程中遗传物质的转移是单向的遗传物质的转移是单向的，即遗，即遗传物质从传物质从A A株转移到了株转移到了B B株。
株A:met-bio-thr+thi+B:met+bio+thr-thi-2022/7/20大肠杆菌的两种类型大肠杆菌的两种类型nHayes(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供体菌称为供体菌称为雄性菌雄性菌，受体菌称为，受体菌称为雌性菌雌性菌n有学者认为，具有性菌毛的细胞可以叫做雄性，这种细丝状的菌毛像一种分子阴茎，与缺乏性菌毛的雌性细胞交合（德迪夫1999）n威廉斯（2001）的观点：“在细菌和病毒以及在所有高等生命体的主要类型中，遗传重组现象的存在表明，性别的分子基础是来自远古的进化演变的产物”2022/7/202022/7/202.F2.F质粒的发现质粒的发现n证明了细菌的接合是遗传物质的单向转移后，证明了细菌的接合是遗传物质的单向转移后，HayesHayes偶然发现了作为原始供体的偶然发现了作为原始供体的A A菌在冰箱里存菌在冰箱里存放了一年后出现一种变种，变种和正常的放了一年后出现一种变种，变种和正常的B B菌杂交菌杂交时缺乏将遗传物质传给时缺乏将遗传物质传给B B菌株的能力。
菌株的能力n他把这个不育变种的一个他把这个不育变种的一个StrStrr r 突变型分离出来，突变型分离出来，并把它和可育的并把它和可育的StrStrs s A A菌株一起繁殖，将其涂布菌株一起繁殖，将其涂布在含有链霉素的平板上，分离后再和在含有链霉素的平板上，分离后再和B B菌株杂交，菌株杂交，结果使不育的菌株回复了可育性（大约结果使不育的菌株回复了可育性（大约1/31/3恢复）2022/7/20大肠杆菌的可育性解释大肠杆菌的可育性解释u A A菌株之所以能成为供体，是因为它含有菌株之所以能成为供体，是因为它含有一个性因子（一个性因子（sex factorsex factor），又称致育因），又称致育因子（子（fertility factorfertility factor），简称），简称F F因子2022/7/20F F因子的特点因子的特点大肠杆菌的供体或雄性细胞记为大肠杆菌的供体或雄性细胞记为F F，带有一个，带有一个性因子或致育因子性因子或致育因子F F，而另一个不带性因子，而另一个不带性因子F F的的受体细胞或雌性细胞记为受体细胞或雌性细胞记为F-F-杂交杂交F+F+F F是可育的，杂交是可育的，杂交F-F-F-F-是不育的是不育的F F因子可以转移，从因子可以转移，从F+F+到到F-F-，但必须通过细胞接，但必须通过细胞接触触F F因子能自发丧失，一旦丧失就不能再恢复，除因子能自发丧失，一旦丧失就不能再恢复，除非从一个非从一个F+F+再把它传递过来。
再把它传递过来2022/7/20 F F+是一种遗传性状，是一种遗传性状，F F因子的存在使细菌称为因子的存在使细菌称为F F+，F F因子因子的丧失使细菌成为的丧失使细菌成为F F-，F F+分裂仍得到分裂仍得到F F+细胞其特性类似于染色体，但染色体基因转移的频率不超过其特性类似于染色体，但染色体基因转移的频率不超过1010-6-6，F F因子转移的频率高达因子转移的频率高达7070以上n因此，因此，F F因子就是质粒因子就是质粒Lederberg,J.,Cavalli,L.L.,and Lederberg,E.M.,Nov.1952,Sex compatibility in Escherichia coli,Genetics 37(6):720-7302022/7/203.F3.F质粒的结构质粒的结构n已经对已经对F F质粒的基因组进行了全序列测定质粒的基因组进行了全序列测定F F质质粒为双链环状粒为双链环状DNADNA分子，分子，DNADNA长度为长度为99159bp99159bp（约（约100kb100kb），约是大肠杆菌基因组的），约是大肠杆菌基因组的2 2，其，其中中1/31/3的基因与接合作用有关。
的基因与接合作用有关n整个基因组由整个基因组由3 3个主要区段组成：个主要区段组成：转移区、复转移区、复制区、插入区制区、插入区2022/7/202022/7/20转移区转移区n转移区的长度为转移区的长度为33kb33kb，由，由2323个基因组成，构个基因组成，构成一个成一个tratra操纵子n与性菌毛的形成有关与性菌毛的形成有关n控制基因转移控制基因转移n该区最后进入受体细胞该区最后进入受体细胞2022/7/20复制区复制区n复制区负责复制区负责F F质粒的自我复制，质粒的自我复制，F F质粒的自主复制质粒的自主复制区为区为oriVoriV，在，在oriVoriV中包含复制起点中包含复制起点nF F质粒的复制是按质粒的复制是按型方式进行双向复制型方式进行双向复制，是一种，是一种严紧型质粒，严紧型质粒，1-21-2拷贝拷贝/细胞nIncInc基因产物使细胞具有基因产物使细胞具有不相容性不相容性2022/7/20插入区插入区n包含包含4 4个插入顺序：个插入顺序：2 2个个IS3IS3，一个，一个IS2IS2，1 1个个Tn1000Tn1000，它们与，它们与F F质粒的整合、切除和易位有关。
质粒的整合、切除和易位有关2022/7/20F F因子为附加体质粒，既可以脱离染色体在细胞因子为附加体质粒，既可以脱离染色体在细胞内独立存在，也可插入（整合）到染色体上内独立存在，也可插入（整合）到染色体上2022/7/20高频重组高频重组(High frequence(High frequence recombination,Hfr)recombination,Hfr)1951年 Cavalli发现用氮芥处理F 然后将处理后的FF 104 1954年 Hayes 也分离了Hfr品系，发现：(1)Hfr使重组能力增加，但无传递F因子的能力，Hfr F F (2)Hfr只能将供体基因组的一部分传给受体，Hayes的解释是Hfr的F因子发生了永久性改变FF Hfr2022/7/204.F质粒在细胞内的存在状态质粒在细胞内的存在状态n根据细胞中是否存在因子以及其存在方式的不同，根据细胞中是否存在因子以及其存在方式的不同，可把可把E.coli分以下四种相互有联系的接合型的菌株。