第七章细菌和病毒的遗传

普通遗传学长江大学

第七章细菌和病毒的遗传


本章内容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

1 、转化、接合2 、性导、转导


细菌属于原核生物，不进行典型的有丝分裂和减数分裂，因此，其染色体传递和重组方式与真核生物不尽相同。病毒甚至不进行分裂，它在宿主细胞内以集团形式产生。细菌和病毒的遗传分析对整个遗传学，特别是对于分子遗传学的发展具有重大作用。


第一节细菌和病毒遗传研究的意义遗传学研究从细胞水平推进到分子水平，是由于两大发展：（ 1 ）对基因的化学和物理结构的了解日益深入（ 2 ）研究材料采用了新的生物类型 - 细菌和病毒


一、细菌所有细菌都是比较小的单细胞，大约 12μm 长， 0.5μm 宽大肠杆菌 (E.coli) 在细菌遗传学研究中应用十分广泛 , 其染色体为一条环状的裸露 DNA 分子。其细胞里通常还具有一个或多个小的染色体 - 质粒


研究细菌遗传的方法 -- 平板培养

单细胞菌落（克隆）


0.1ML 0.1ML 0.1ML

0.1ML

微生物稀释培养


细菌菌落的表现型：原养型（野生型）形态性状：菌落形状、颜色突变型大小生理特性营养缺陷型抗性 - 抗药或抗感染

普通遗传学长江大学缺赖氨酸缺精氨酸缺亮氨酸

测定突变的方法──影印法


二、病毒病毒没有细胞结构，既不属于原核生物，也不属于真核生物。病毒结构十分简单，仅含 DNA 或 RNA和一个蛋白质外壳，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，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。


三、细菌和病毒在遗传研究中的优越性 (1) 世代周期短。大肠杆菌每 20分钟可繁殖一代，病毒每小时可繁殖数百个后代(2) 易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) 便于基因重组的研究 (6) 便于用作研究基因结构、功能及调控机制的材料(7) 便于进行遗传操作


第二节噬菌体的遗传分析一、噬菌体的结构


细菌染色体

1 、烈性噬菌体侵染细菌的途径


2 、温和性噬菌体温和性噬菌体具有溶源性的生活周期，即在噬菌体侵入后，细菌并不裂解，以两种形式出现，如 λ和 P1

普通遗传学长江大学λ 型裂解途径

普通遗传学长江大学P1 型裂解途径


二、 T2 噬菌体的基因重组与作图噬菌斑形态正常 r+: 小、边缘模糊噬菌体突变 r-: 大、边缘清楚性状宿主范围：感染和裂正常 h+:B株解的菌株突变 h-:B株不同或 B/2株由于 h– 和 h+ 均能感染 B株，用 T2 的两亲本 h–r+ 和 h+r– 同时感染 B株，称为双重感染


h-r+ × h+r- ↓B株 h-r+ h+r- h-r- h+r+ ↓接种在同时长有 B株及 B/2 株的培养基上亲型噬菌斑 h-r+ ：透明、小 h+r- ：半透明、大重组型噬菌斑 h-r- ：透明、大 h+r+ ：半透明、小


重组型噬菌斑重组值 = × 100% 总噬菌斑 h-r- + h+r+ = ×100% h-r+ + h+r- + h-r- + h+r+


表 7－ 2 四种噬菌斑数及重组值

杂交组合

每种基因型的 %

重组值r–h+ r+h– r+h+ r–h–

ra–h+ r+h–

rb–h+ r+h–

rc–h+×r+h–

34.0

32.0

39.0

42.0

56.0

59.0

12.0

5.9

0.7

12.0

6.4

0.9

24%

12.3%

1.6%


分别作出 ra、 rb、 rc与 h的连锁图 ra 24 h

rb 12.3 h

rc 1.6 h

ra rb rc h

ra rb h rc

ra rc h rbra h rc rb

×

√

√

×


为了确定基因排列顺序，可先只考虑 rb、 rc及 h来确定是 rchrb还是 hrcrb。为此作：

rb+rc- × rb-rc+ ↓ 重组值约 14% 可知 h 应位于 rb及 rc之间，又因为 T2 噬菌体的连锁图是环状的

h

rc

ra

rb


第三节细菌的遗传分析一个细菌 DNA 与另一个细菌 DNA 的交换重组可以通过四种方式实现转化、接合、性导、转导一、转化转化：某些细菌 (或其他生物 )通过其细胞膜摄取周围供体的染色体片段，并将此外源 DNA 片段通过重组整合到自己染色体组的过程


转化首先是 Griffith(1928) 在肺炎双球菌中发现的杀死 SⅢ片段 RⅡ SⅢ

Avery(1944) 等研究证实，转化因子是 DNA 。这个极其重要的发现，不仅证实遗传物质是 DNA ，而且表明转化是细菌交换基因的方式之一。


1 、供体 DNA 与受体细胞间的接触与互作影响因素包括：(1) 转化片段大小 :肺炎双球菌的成功转化，转化 DNA 片段至少要有 800bp，枯草杆菌最少需要 16000bp(2) 转化片段形态 :转化片段必须是双链(3) 转化片段浓度：每个细胞摄取的 DNA 分子数不超过 10个 (4) 受体细胞生理状态；感受态


2 、转化 DNA 的摄取和整合 (1) 结合与穿入 (2) 联会 (3) 整合，整合或 DNA 重组对同源 DNA具有特异性


3 、转化和基因重组作图当两个基因紧密连锁时，它们就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。因此，紧密连锁的基因可以通过转化进行作图。如： trp2

+ his2+ tyr1

+×trp2 his2

tyr1

↓ 重组型数Trp2-his2 重组值 = ×100% 亲型数 +重组型数


座位转化子类型

trp2 ＋－－－＋＋＋

his2 ＋＋－＋－－＋

tyr1 ＋＋＋－－＋－

数目 11940 3660 685 418 2600 107 1180


亲本类型重组类型重组值

Trp2-his2

Trp2-tyr1

His2-tyr1


Trp2-his2 → 0.34 Trp2-tyr1 → 0.40 His2-tyr1 → 0.13

trp2 his2 tyr1

←──∣ 34─→ ←───∣ 13──∣ ∣←─────40──────→∣


二、接合接合：在原核生物中，是指遗传物质从供体 -“雄性”转移到受体 -“雌性”的过程1946年， Lederberg和 Tatum发现 E.coli细胞之间通过接合可以交换遗传物质。他们选择了两个不同营养缺陷型的 E.coli菌株

普通遗传学长江大学黎德伯格和塔特姆的接合 ( 杂交)


发现长出了一些原养型的菌落。这种原养型细胞的出现是由于转化还是由于细胞与细胞直接接触而发生的遗传物质交换和重组？为了解答这个问题， Davi(1950)设计了 U型管实验。


DNA 大分子能通过

没有出现

A 菌株Met-bio-thr+leu+

B 菌株Met+bio+thr-leu-

说明什么 ?

Met+bio+thr+leu+


在任何一臂内都没有出现原养型细菌。这说明两个菌株间的直接接触 -- 接合，是原养型细胞出现的必要条件。Hayes（ 1952)试验证明，在接合过程中遗传物质的交换是一种单向的转移：供体（雄性）→ 受体（雌性）


两个 E.Coli 细胞杂交的电子显微镜照片 (X 34,300)

性伞毛 / 接合管


1 、 F因子及 F+/Hfr向 F– 的转移

Hayes和 Cavalli-Sforza（ 1953) 发现，供体有一个性因子即致育因子 --F因子，由 DNA组成，是染色体外的遗传物质。其组成：


E.coliF因子存在状态有三种类型：①没有 F因子，即 F–②游离状态的 F因子，即 F+③整合的 F因子，即 Hfr


F+×F-F+ → F+

F- → F+


Hfr×F-

↓ Hfr → Hfr F- → F- 接合开始， F因子仅有一部分进入 F– 细胞，剩下部分基因只有等到细菌染色体全部进入到 F– 细胞之后才能进入，然而转移过程常常中断


受体细胞常常只接受部分的供体染色体，这些染色体称为供体外基因子，而受体的完整染色体则称为受体内基因子，这样的细菌称为部分二倍体或部分合子、半合子


2 、中断杂交试验及染色体连锁图

为了证明接合时遗传物质从供体到受体细胞的转移是直线式进行的， Jacob和 Wollman在五十年代设计了一个著名的中断杂交试验


Hfr:thr+leu+lac+gal+azistonsstrs

F- : thr-leu-lac-gal-aziRtonRstrR 每隔一定时间取样，放在食物搅拌器内搅拌培养在含 str 的完全培养基上， Hfr 被杀死

用影印培养法测试形成的 F- 菌落的基因型，确定每个基因转入 F- 的顺序（时间）

根据基因转入 F- 的时间，进行细菌染色体作图

混合培养

普通遗传学长江大学图 7－ 17 中断杂交后，重组体中 Hfr 遗传性状出现的频率

Thr+

Leu+


thr leu azi ton lac ga FO 8 8.5 9 11 18 25

根据中断杂交实验作出的大肠杆菌连锁图

用不同的 Hfr 菌株进行中断杂交实验，基因转移的原点 (O) 和转移的方向不同，说明 F因子和细菌染色体都是环状的


Hfr 的类型

基因转移顺序

HfrH1

23

AB312

0 thr pro lac pur gal his gly thi

0 thr thi gly his gal pur lac pro

0 pro thr thi gly his gal pur lac

0 pur lac pro thr thi gly his gal

0 thi thr pro lac pur gal his gly

表 7－ 5 用中断杂交法确定的几个 Hfr 菌株的基因顺序


起点方向

最后转移


如果两个基因间的转移时间小于 2分钟，用中断杂交法所得的图距不太可靠，应采用传统的重组作图法。有两个紧密连锁的基因乳糖发酵 lac+ 和腺嘌呤缺陷型 ade-


Lac- ade+

ade+ lac+ +Lac- ade+ = 22%

可见１分钟单位大约 20 ％


三、性导性导：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，当发生环出时偶然不够准确，携带有染色体的一些基因，称这种 F因子为 F´因子


雅科和阿代尔伯格发现：特殊的Hfr 菌株能把 lac+ 等位基因高频率地转移到 Flac- 受体中

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 F'lac+ / lac- 。


F´因子特点有极高的自然整合率，而且整合在一定的座位上，因为它有与细菌染色体的同源区段性导作用（ 1）确定等位基因的显隐性关系（ 2）利用并发性导进行细菌染色体作图（ 3）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


四、转导转导：指以噬菌体为媒介所进行的细菌遗传物质重组的过程 Lederberg和 Zinder （ 1951)首先在鼠伤寒沙门氏菌中发现转导现象 phetrptryr × methis ↓ 在基本培养基上发现原养型的菌落可能性：（ 1）接合（ 2）转化（ 3）？


U型管试验将上述两种菌株分别放在戴维斯 U型管的两臂内，中间用玻璃滤板隔开，以防止细胞直接接触，但允许比细菌小的物质通过，获得了野生型重组体，说明不是接合


这种重组是通过一种过滤性因子 (FA)而实现的。 FA不受 DNA 酶的影响，说明不是转化进一步研究证明， FA是一种噬菌体，称为 P22,（用抗 P22血清处理后失活 )


转导分为普遍性转导和特殊性转导1 、普遍性转导可以转导细菌染色体组的任何不同部分


两个基因同在一起转导就是合转导或叫并发转导。合转导的频率愈高，表明两个基因在染色体上的距离愈近，连锁愈密切；相反，如果两个基因的合转导频率很低，就说明它们之间距离较远 . 因此，测定两基因的合转导频率就可以确定基因之间的次序和距离


（ 1）两因子转导：通过观察两个基因的转导，计算并比较每两个基因之间的合转导频率，就可以确定三个或三个以上基因在染色体上的排列顺序例如： a基因和 b基因的合转导频率很高， a和 c基因的合转导频率也很高，而 b和 c 很少或完全不在一起转导，这三个基因的次序就应为： bac


（ 2）三因子转导：只需分析一个实验的结果就可以推出三个基因的次序

例如：供体大肠杆菌具有基因型 a+b+c+ ，受体的基因型为 abc 。最少的一类转导体应代表最难于转导的情况，这种转导体是同时发生交换次数最多的一类。这种转导体的两边应为供体基因，而中间为受体基因，如正确次序为 abc，就应为 a+bc+。


图 7－ 23 转导颗粒与受体染色体之间，通过四交换形成转导体，这种转导体的频率最低


如果把三个基因中每两个基因的合转导频率算出来，还可根据这一频率推算出三个基因之间的物理距离： d =L(1- 3 X ) d= 同一染色体上两基因之间的物理距离L=转导 DNA的平均长度 X= 两个基因合转导的频率


P1 侵染带 leu+ thr+aziR E.coli 用转导颗粒 P1再侵染带 leu- thr- azis E.coli 将受体细菌特定培养：培养在一种可选择 1-2个标记基因而不选择其余标记基因的培养基上例如： 0azi+thr 培养基， leu 为标记基因因为：只有 leu+ 才生长， leu- 不生长 thr 可能为 thr+/thr-

azi 可能为 aziR/aziS


表 7-7 用 P1 噬菌体普遍性转导测定大肠杆菌基因间的连锁关系

实验选择的标记基因未选择的标记基因 1 leu+ 50%aziR2%thr+

2 thr+ 3%leu+0%aziR

3 leu+ thr+ 0%aziR


实验 1 说明 leu和 azi相近 leu和 thr则远 leu azi thr ──┴───┴───┴─ azi leu thr 或 ──┴──┴───┴─ 实验 2 说明 leu比 azi 更接近 thr azi leu thr ──┴───┴────┴── 实验 3 说明这个顺序是正确的，因为 leu+thr+片段从未携带有 aziR 这也说明了转导片段的大小。在 thr 和 leu 之间的 DNA长度已接近于这个片段大小的极限


2 、特殊性转导由温和噬菌体进行的转导叫做特殊性转导多数噬菌体当整合在细菌染色体中时都占有一个特定的位置形成特殊性转导颗粒，这种颗粒能把细菌的基因由一个细胞转移到另一个细胞

普通遗传学长江大学λdgal 特殊性转导噬菌体的形成模式

普通遗传学长江大学图 7－ 25λdgal+ 转导颗粒转导 gal 细菌的过程


应用中断杂交技术、重组作图、转化和转导相结合的方法已经得到细菌的非常详细的染色体

第七章 细菌和病毒的遗传

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