第一节第一节 细菌和病毒遗传研究的意义细菌和病毒遗传研究的意义一、细菌和病毒在遗传研究中的优越性一、细菌和病毒在遗传研究中的优越性①①繁殖世代所需时间短；繁殖世代所需时间短；②②易于管理和进行化学分析；易于管理和进行化学分析；③③遗传物质较简单，便于用作研究基因结构、功能遗传物质较简单，便于用作研究基因结构、功能及调控机制的材料及调控机制的材料 ④④便于研究基因的突变；便于研究基因的突变；⑤⑤便于研究基因的作用；便于研究基因的作用；⑥⑥可作为研究高等生物的简单模型；可作为研究高等生物的简单模型； 二、细菌和病毒的拟有性过程二、细菌和病毒的拟有性过程细菌和病毒均属于原核生物不存在严格意义上的有细菌和病毒均属于原核生物不存在严格意义上的有性过程细菌细胞内除了染色体外还有一些寄生性复制因子细菌细胞内除了染色体外还有一些寄生性复制因子(如噬菌体和质粒，也被称为核外或染色体外因子如噬菌体和质粒，也被称为核外或染色体外因子)，它们可以在细胞间传递，并且，它们可以在细胞间传递，并且形成细菌染色体间形成细菌染色体间以及细菌染色体与核外遗传因子间的重组体以及细菌染色体与核外遗传因子间的重组体，类似，类似于真核生物减数分裂过程中形成的重组体结构。
于真核生物减数分裂过程中形成的重组体结构拟有性过程拟有性过程Ø引起细菌、病毒间遗传物质转移与重组的过程引起细菌、病毒间遗传物质转移与重组的过程Ø拟有性过程的存在是细菌、病毒作为真核生物的模型研拟有性过程的存在是细菌、病毒作为真核生物的模型研究遗传重组和基因结构的重要究遗传重组和基因结构的重要前提前提 三、病毒的种类三、病毒的种类根据宿主划分：根据宿主划分：Ø微生物病毒微生物病毒Ø植物病毒植物病毒Ø无脊椎动物病毒无脊椎动物病毒Ø脊椎动物病毒脊椎动物病毒 Ø 亚病毒亚病毒v 类病毒类病毒v 拟病毒拟病毒v 朊病毒朊病毒细菌病毒一般称为细菌病毒一般称为噬菌体（噬菌体（phage）） 噬菌体的类型噬菌体的类型根据噬菌体的生活周期可分为：根据噬菌体的生活周期可分为：（一）烈性噬菌体（（一）烈性噬菌体（virulent phage））Ø侵入宿主细胞后，利用宿主细胞内的物质进行自侵入宿主细胞后，利用宿主细胞内的物质进行自身遗传物质和蛋白质的合成，组装出子噬菌体，身遗传物质和蛋白质的合成，组装出子噬菌体，使宿主细胞裂解而释放子噬菌体使宿主细胞裂解而释放子噬菌体，这类噬菌体称，这类噬菌体称为烈性噬菌体为烈性噬菌体。
二）温和性噬菌体（二）温和性噬菌体Ø侵入后并不使细菌裂解，而是以原噬菌体或质粒侵入后并不使细菌裂解，而是以原噬菌体或质粒的形式存在的一类噬菌体称为温和性噬菌体的形式存在的一类噬菌体称为温和性噬菌体Ø某些噬菌体侵染细菌后，其某些噬菌体侵染细菌后，其DNA整合到宿主染色整合到宿主染色体中，这种处于整合状态的噬菌体称为原噬菌体体中，这种处于整合状态的噬菌体称为原噬菌体 四、细菌细胞结构的特点四、细菌细胞结构的特点①①无真正的细胞核无真正的细胞核Ø只在菌体中央有一个遗传物质集中区只在菌体中央有一个遗传物质集中区——核区，核区，无核膜和核仁，其功能与细胞核相当，由一个环无核膜和核仁，其功能与细胞核相当，由一个环状状DNA分子高度缠绕而成，其中央部分是分子高度缠绕而成，其中央部分是RNA与与支架蛋白支架蛋白，这样的细胞核称为，这样的细胞核称为拟核拟核②②缺乏线粒体、叶绿体等细胞器缺乏线粒体、叶绿体等细胞器 五、细菌五、细菌DNA与质粒与质粒①①细菌细菌DNAØ一个很长的共价闭合环状双链分子（一个很长的共价闭合环状双链分子（dsDNA），），通常以通常以超螺线体的形式存在于细菌体内超螺线体的形式存在于细菌体内。
ØDNA分子无组蛋白与之结合，仅与一些分子无组蛋白与之结合，仅与一些碱性蛋白碱性蛋白结合Ø细菌细菌DNA中有一定比例（约中有一定比例（约1%）的碱基甲基化的碱基甲基化②②质粒质粒Ø细菌体内含有的一种染色体外小型环状细菌体内含有的一种染色体外小型环状DNAØ携带着决定细菌某些遗传特性的基因，如抗药、产毒、携带着决定细菌某些遗传特性的基因，如抗药、产毒、致病、形成芽胞、产生色素或抗生素等的基因致病、形成芽胞、产生色素或抗生素等的基因Ø能独立于染色体存在和复制，还能在细胞间传递能独立于染色体存在和复制，还能在细胞间传递③③附加体附加体Ø有些质粒能整合到细菌染色体中，在染色体的控制下随有些质粒能整合到细菌染色体中，在染色体的控制下随染色体一起复制，这类质粒称为附加体（染色体一起复制，这类质粒称为附加体（episome） 第二节第二节 噬菌体噬菌体(T2)的基因重组的基因重组噬菌体的突变：噬菌体的突变： 噬菌斑的形态噬菌斑的形态 宿主范围宿主范围（（1）噬菌斑突变：）噬菌斑突变：T噬菌体的噬菌体的r-突变体（速溶）突变体（速溶） 正常噬菌体，正常噬菌体，r+，，产生的菌斑小而边缘模糊产生的菌斑小而边缘模糊 突变噬菌体，突变噬菌体，r-，，产生的菌斑大两倍而边缘清晰产生的菌斑大两倍而边缘清晰（（2）宿主范围突变：）宿主范围突变： T2噬菌体的噬菌体的h-突变体突变体 正常噬菌体，正常噬菌体，h+，，只能以大肠杆菌只能以大肠杆菌B株株(Ttor)为宿主为宿主 突变噬菌体，突变噬菌体，h-，，能以能以B株和株和B/2株株(Ttos)为宿主为宿主 T2噬菌体的基因重组噬菌体的基因重组将两种不同的将两种不同的T2突变体进行杂交，对其杂交子代进突变体进行杂交，对其杂交子代进行重组分析行重组分析杂交方法：杂交方法：Ø将将Ttor和和Ttos两种大肠杆菌细胞混合两种大肠杆菌细胞混合Ø同时接种高浓度的同时接种高浓度的T2噬菌体的噬菌体的h-r+和和h+r-两种突变体，两种突变体，保证绝大多数细菌都被一个以上噬菌体感染保证绝大多数细菌都被一个以上噬菌体感染Ø两种不同的噬菌体两种不同的噬菌体DNA可能在宿主细胞内进行重组，从可能在宿主细胞内进行重组，从而产生而产生非亲本型子代非亲本型子代h+r+和和h-r-。
亲本型亲本型 重组型重组型× T2噬菌体的基因重组 h+r-×h-r+ 接种在同时长有接种在同时长有B和和B/2 株的培养基上株的培养基上 h+r- h-r+ h+r+ h-r- 混浊，大混浊，大 透明，小透明，小 混浊，小混浊，小 透明，大透明，大见教材见教材P199~201 h+r-×h-r+培养所产生的四种噬菌斑培养所产生的四种噬菌斑 h+r- h-r- h+r+ h-r+ 第三节第三节 细菌的染色体作图细菌的染色体作图一、一、接合接合二、二、转化转化三、三、性导性导四、四、转导转导一个细菌细胞的DNA与另一个细菌细胞的DNADNA的交换重组的交换重组可以通过4种方式进行 一、接合一、接合（一）接合现象的发现（一）接合现象的发现1946年，年，J.Lederberg的大肠杆菌的大肠杆菌杂交试验杂交试验：：Ø材料：大肠杆菌材料：大肠杆菌(Escherichia coli)K12菌株的两个营养菌株的两个营养缺陷型品系：缺陷型品系：v菌株菌株A—甲硫氨酸缺陷型甲硫氨酸缺陷型met-和生物素缺陷型和生物素缺陷型bio-；；v菌株菌株B—苏氨酸缺陷型苏氨酸缺陷型thr-和亮氨酸缺陷型和亮氨酸缺陷型leu-。
Ø方法：将方法：将A、、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)上涂布上涂布培养Ø结果：平板上长出原养型菌落结果：平板上长出原养型菌落(++++) （二）接合的概念（二）接合的概念通过一系列的实验，排除了该实验结果是由当通过一系列的实验，排除了该实验结果是由当时已知原因（回复突变、互养作用、转化作用、时已知原因（回复突变、互养作用、转化作用、杂合二倍体）所产生杂合二倍体）所产生接合接合(conjugation)：：Ø两种菌株的细胞直接接触后，遗传物质从供体两种菌株的细胞直接接触后，遗传物质从供体(donor)转移到受体转移到受体(receptor)的重组过程的重组过程 W.Hayes的实验（的实验（1952））链霉素处理链霉素处理A菌菌 完全培养基培养一段时间完全培养基培养一段时间 洗涤离心洗涤离心 B菌菌 重组体未减少重组体未减少 基本培养基基本培养基链霉素处理链霉素处理B菌菌 完全培养基培养一段时间完全培养基培养一段时间 洗涤离心洗涤离心 A菌菌 无重组体产生无重组体产生 基本培养基基本培养基该实验说明细菌接合过程中遗传物质的转移是单向的，即遗传物质从A株转移到了B株。
大肠杆菌的两种类型大肠杆菌的两种类型Hayes(1952)研究表明：研究表明：Ø大肠杆菌两种不同菌株大肠杆菌两种不同菌株(品系品系)接合过程中遗传物接合过程中遗传物质的转移是单向的；质的转移是单向的；Ø从而认为大肠杆菌存在两种类型：从而认为大肠杆菌存在两种类型：雌性与雄性雌性与雄性，，分别作为接合过程中遗传物质的受体与供体分别作为接合过程中遗传物质的受体与供体 （（二）二）F因子及其在杂交中的行为因子及其在杂交中的行为①①致育因子致育因子Ø细菌染色体外的一个决定细菌细菌染色体外的一个决定细菌雄性雄性性别的共价环状性别的共价环状DNA分子，称为致育因子分子，称为致育因子 (fertility factor)，，又称为又称为F因子因子或或F质粒②②供体菌（雄性菌）供体菌（雄性菌）Ø含有含有F因子的细菌，因子的细菌，F因子游离于宿主染色体外，记为因子游离于宿主染色体外，记为F+③③受体菌（雌性菌）受体菌（雌性菌）Ø不含有不含有F因子的细菌，记为因子的细菌，记为F－－④④Hfr菌株菌株（（高频重组菌株）高频重组菌株）Ø指指F因子整合到宿主染色体中的菌株，其重组频率比因子整合到宿主染色体中的菌株，其重组频率比F+高高1000多倍。
多倍 F因子在杂交中的行为因子在杂交中的行为F因子在宿主染色体上有许多特定的插入位点和方因子在宿主染色体上有许多特定的插入位点和方向向，，整合频率为每代整合频率为每代10-5～～10-7性伞毛形成结合桥，进而诱导性伞毛形成结合桥，进而诱导F因子上因子上traYz基表达，基表达，产生核酸内切酶，该酶在产生核酸内切酶，该酶在oriT转移起始点处一条单转移起始点处一条单链上切开一个口，供体链上切开一个口，供体DNA从从5′末端开始向受体转末端开始向受体转移接合过程接合过程Ø（（F+ → F-）：）：细菌间接触细菌间接触→接合管形成接合管形成→单链断裂单链断裂→单单链链DNA从供体向受体转移从供体向受体转移→环化环化Ø（（Hfr → F-）：）：细菌间接触细菌间接触→接合管形成接合管形成→单链断裂单链断裂→单链单链DNA从供体向受体转移从供体向受体转移→DNA双链的形成（部分二双链的形成（部分二倍体）倍体） →重组交换（奇偶次交换）重组交换（奇偶次交换） F因子在杂交中的行为因子在杂交中的行为——接合过程接合过程 （三）中断杂交实验作图（三）中断杂交实验作图中断杂交实验中断杂交实验Ø1957年年E.Wollman和和E.Jacob设计完成设计完成Ø将对链霉素敏感的将对链霉素敏感的Hfr菌株与对链霉素有抗性的菌株与对链霉素有抗性的F-菌株混合培养，每隔一段时间间隔取样，然后菌株混合培养，每隔一段时间间隔取样，然后剧烈震荡以中断杂交，分开已经紧密接合的供体剧烈震荡以中断杂交，分开已经紧密接合的供体和受体杂交对。
然后将震荡后的培养物接种到含和受体杂交对然后将震荡后的培养物接种到含链霉素的完全培养基，杀死所有链霉素的完全培养基，杀死所有Hfr细菌，以选细菌，以选择含有供体基因的抗链霉素受体细菌对形成菌择含有供体基因的抗链霉素受体细菌对形成菌落的落的F-细胞用影印培养法测定基因型细胞用影印培养法测定基因型Ø该方法主要根据基因转移的先后次序，该方法主要根据基因转移的先后次序，以时间为以时间为单位单位，求基因间的遗传距离求基因间的遗传距离 中断杂交实验作图中断杂交实验作图1分钟分钟≈20%的重组值的重组值 二、转化二、转化转化转化(transformation)：：指某些细菌指某些细菌(或其它生物或其它生物)能通过其细胞膜能通过其细胞膜摄取周围介质中的摄取周围介质中的DNA片段片段，并将，并将此外源此外源DNA片段整合到自己染色体组中的过程片段整合到自己染色体组中的过程 （一）转化的过程（一）转化的过程 非感受态细胞非感受态细胞 外源外源DNA被洗掉了被洗掉了转化因子转化因子 感受态细胞感受态细胞 外源外源DNA仍与细胞结合仍与细胞结合 整合整合 吸收吸收整合整合Ø供体单链供体单链DNA进入受体细胞后与受体染色体的某一部分进入受体细胞后与受体染色体的某一部分联会联会，并进一步置换受体的对应染色体区段的过程。
并进一步置换受体的对应染色体区段的过程吸附洗涤两种核酸酶：两种核酸酶：切为约切为约1414kbkb的片段的片段使外源使外源DNADNA片段变为单链片段变为单链 （二）转化在细菌遗传分析中的应用（二）转化在细菌遗传分析中的应用双转化双转化Ø供体一条供体一条DNA片段上的两个基因同时转化的现象称为双片段上的两个基因同时转化的现象称为双转化应用：应用：Ø①①两个基因同时转化的效率（连锁或不连锁）两个基因同时转化的效率（连锁或不连锁）Ø②②基因定位（遗传作图）（枯草杆菌）基因定位（遗传作图）（枯草杆菌）杂交实验：杂交实验：trp2+his2+tyr1+ × trp2- his2-tyr1-结果结果(转化子类型转化子类型): 基因座位基因座位 trp2 + - - - + + + his2 + + - + - - + tyr1 + + + - - + - 数目数目 11940 3660 685 418 2600 107 1180 trp2+ his2+ tyr1+转化转化trp2- his2- tyr1- 实验实验 trp2 34 his2 13 tyr1 三、性导三、性导——概念概念（一）（一） F΄因子因子ØHfr菌株在切除菌株在切除F因子时发生错误切除，分离出一个携带因子时发生错误切除，分离出一个携带F因子和部分宿主染色体基因的遗传因子，这种因子和部分宿主染色体基因的遗传因子，这种带有宿主带有宿主染色体基因的染色体基因的F因子因子称为称为F΄因子因子。
二）性导（二）性导Ø带有带有F΄因子因子的细菌在接合时，的细菌在接合时，由由F΄因子因子所携带的外所携带的外源源DNA转移到宿主细菌的染色体的过程称为性导转移到宿主细菌的染色体的过程称为性导三）（三） F΄因子因子的特点的特点Ø①① F΄因子因子以以极高的比率极高的比率转移转移它携带的基因；如同它携带的基因；如同F+高效高效转移转移F因子一样因子一样Ø②② F΄因子因子有极高的自然整合率，有极高的自然整合率，而且而且整合在一定的基因整合在一定的基因座位上座位上，因有与细菌同源的染色体区段，不同于，因有与细菌同源的染色体区段，不同于F因子随因子随机插入 四、转导四、转导（一）概念（一）概念Ø以噬菌体为媒介所进行的细菌遗传物质重组的过程，称以噬菌体为媒介所进行的细菌遗传物质重组的过程，称为转导二）转导现象的发现（二）转导现象的发现ØLederberg及其研究生及其研究生Zinder（（1952））首先在鼠伤寒沙首先在鼠伤寒沙门氏菌中发现转导现象门氏菌中发现转导现象 LA22 LA2 phe- trp- met+his+ phe+trp+met-his-基本培养基培养基本培养基培养是否形成原养型的菌落：是否形成原养型的菌落： 否否 是是 否否单独培养单独培养混合培养 （三）转导的类型（三）转导的类型①①普遍性转导普遍性转导Ø在噬菌体感染的在噬菌体感染的末期末期，细菌染色体被断裂成许多，细菌染色体被断裂成许多小片段，在形成噬菌体颗粒时，少数噬菌体将细小片段，在形成噬菌体颗粒时，少数噬菌体将细菌的菌的DNA误认为是它们自己的误认为是它们自己的DNA，，并包裹进并包裹进其蛋白质衣壳内，从而形成其蛋白质衣壳内，从而形成转导噬菌体转导噬菌体，该噬菌，该噬菌体再去感染其他宿主时，就将所携带的细菌染色体再去感染其他宿主时，就将所携带的细菌染色体片段带入受体菌中，形成部分二倍体，进而重体片段带入受体菌中，形成部分二倍体，进而重组整合。
这种转导类型称为普遍性转导这种转导类型称为普遍性转导 （三）转导的类型（三）转导的类型②②流产转导流产转导Ø转导转导DNA分子进入受体细胞后，既不与受体基因组发生分子进入受体细胞后，既不与受体基因组发生交换，又不随宿主交换，又不随宿主DNA复制而复制，而是稳定地存在于复制而复制，而是稳定地存在于细胞之中由于细菌不断增殖，故该转导类型的细菌所细胞之中由于细菌不断增殖，故该转导类型的细菌所占比例越来越少，以至最终消失，故称为流产转导占比例越来越少，以至最终消失，故称为流产转导 ③③局限转导局限转导Ø由温和噬菌体（如由温和噬菌体（如λ）介导的转导类型原噬菌体离开细）介导的转导类型原噬菌体离开细菌染色体时，菌染色体时，偶尔可将噬菌体插入位点两边的细菌基因偶尔可将噬菌体插入位点两边的细菌基因一起环落下来而形成混杂的一起环落下来而形成混杂的DNA片段片段，该，该DNA片段由噬片段由噬菌体蛋白质衣壳包裹，再去菌体蛋白质衣壳包裹，再去侵染侵染其他宿主细菌，可将特其他宿主细菌，可将特定的细菌基因带入新的受体菌，进而重组整合，这种转定的细菌基因带入新的受体菌，进而重组整合，这种转导称为局限转导导称为局限转导。
本章要求本章要求理解细菌和病毒在遗传研究中的优越性和意义；理解细菌和病毒在遗传研究中的优越性和意义；掌握掌握F-菌株、菌株、F+菌株、菌株、Hfr菌株的概念、区别和用菌株的概念、区别和用途；途；区别区别F因子、因子、F´因子的异同；因子的异同；掌握转化、接合、性导与转导的概念与基本原理；掌握转化、接合、性导与转导的概念与基本原理；了解细菌和病毒遗传作图的原理和基本过程了解细菌和病毒遗传作图的原理和基本过程。