9__细菌和病毒的遗传

现代遗传学ModernGenetics长江大学生命科学学院2第九章细菌和病毒的遗传Chapter9HeredityofBacteriumandVirus第一节细菌和病毒遗传研究的意义第二节细菌的遗传分析第三节噬菌体的遗传分析本章要求复习思考题3第一节细菌和病毒遗传研究的意义一、细菌的生物学特征二、病毒的生物学特征三、细菌和病毒在遗传研究中的优越性四、细菌和病毒的拟有性过程4一、细菌的生物学特征5㈠、生长特点细菌是单细胞生物细胞结构包括细胞壁、细胞膜、细胞质和核区部分细菌还有某些特殊结构，如鞭毛、伞毛、荚膜、芽胞、气泡等生活周期短，易培养；易获得其生化突变型；大小不一，形态各异。常见细菌的形状有杆状、球状和螺旋状，其中以杆状最常见。6㈡、遗传特点细菌DNA是一个很长的共价闭合环状双链分子（dsDNA），通常以超螺线体的形式存在于细菌体内。7质粒细菌体内含有的一种染色体外小型环状DNA。质粒能独立于染色体存在和复制，还能在细胞间传递。附加体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（episome）。8㈢、研究细菌遗传的实验方法细胞计数(培养物细胞浓度)纯系建立法选择培养法(鉴定突变型与重组型)突变型与重组型的批量筛选方法91、细胞计数（培养物细胞浓度）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102、建立纯系的方法——纯系培养挑取由单个细胞繁殖而来的菌落进行培养就可以获得由一个细胞繁殖而来的纯系通常采用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”有时采用显微操纵器进行菌丝尖端切割等方法从单个细胞直接培养建立纯系。采用这种方法获得的纯系称为“菌株纯”113、选择培养法鉴定突变型与重组型许多细菌突变都与培养基成分、培养条件有关营养缺陷型的筛选、鉴定：选择培养法是根据原养型(也称为原生营养型)与营养缺陷型在基本培养基和营养培养基上的生长能力差异进行筛选营养突变型的筛选、鉴定方法与红色面包霉生化突变型的鉴定方法基本一致其它突变类型的筛选、鉴定：对于其它的突变类型(如温度敏感型)，也可以通过培养条件的选择培养来筛选与鉴定12营养缺陷型富集法原养型营养缺陷型诱变青霉素134、突变型与重组型的批量筛选方法选择培养法的缺点：效率不高：一次可鉴定、筛选一种突变型影印培养法：黎德伯格夫妇为高效检测、分离混和群体不同突变型设计了影印培养法，该方法原理与选择培养法一致采用影印法将完全培养基上的单菌落，同时接种到不同选择培养基上，同时对所有菌落进行选择，提高鉴定效率144、突变型与重组型的批量筛选方法注意：最初的培养基必须是非选择性的，各种突变型都能够生长模板接种时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15二、病毒的生物学特征1.病毒的一般特性2.病毒的类型161、病毒的一般特性（自学）无细胞结构；为蛋白质外壳包裹核酸而成的颗粒。形体极微小；只有在电子显微镜下才能观察到。化学组成简单；主要是核酸和蛋白质。只含一种核酸（DNA或RNA）；缺乏独立代谢能力；繁殖方式独特；只能依赖宿主活细胞的代谢机器，通过核酸复制和蛋白质合成后再装配成完整的病毒颗粒的方式进行繁殖。具有双重存在方式；或营专性寄生在活细胞内，或在细胞外以大分子颗粒状态进行传播。对干扰素敏感，而对抗生素不敏感。172、病毒的分类（自学）根据宿主来划分：细菌病毒植物病毒无脊椎动物病毒脊椎动物病毒亚病毒类病毒拟病毒朊病毒18作为遗传研究材料具有独特优势世代周期短，繁殖世代所需时间短易于操作管理和进行化学分析(纯培养与代谢产物累积)便于研究基因的突变(表现与选择)便于研究基因的作用机理(突变型生长条件与基因作用)便于研究基因的重组(重组群体大、选择方法简便有效)遗传物质比较简单，可作为研究高等生物的简单模型在研究基因结构、功能与表达调控时更为简便三、细菌和病毒在遗传研究中的优越性19不经过减数分裂和授精作用而导致遗传物质转移与重组的过程叫做拟有性过程。细菌和病毒可以通过四种不同的方式，即转化、接合、转导和性导获得外源遗传物质。拟有性过程在细菌和病毒中的研究，为研究真核生物的遗传重组和基因结构，提供了重要的模型。四、细菌和病毒的拟有性过程20第二节细菌的遗传分析一个细菌细胞的DNA与另一个细菌细胞的DNA的交换与重组可以通过四种方式进行：一、转化（transformation）二、接合（conjugation）三、性导（sexduction）四、转导（transduction）21一、转化（transformation）转化（transformation）指某些细菌（或其它生物）能通过其细胞膜摄取周围介质中的DNA片段，并将此外源DNA片段整合到自己染色体组中的过程。22㈠、转化的过程转化的过程转化因子的吸附单链DNA的吸收联会与整合231、双链DNA分子和细胞表面感受位点结合(具可逆性)2、供体DNA片段进入受体细胞，并要防止受体DNase的破坏243、供体DNA由双链转变为单链，进入受体4、部分联会和重组，形成杂合DNA分子5、形成转化子：杂合DNA分子经复制、分离、组合形成不同转化子25㈡、转化的条件1、感受态的受体细胞;2、转化因子DNA的大小、形态和浓度;3、受体和供体染色体的同源性。26感受态因子(Competentfactor)促进转化作用的酶或蛋白质分子。受体部位(Receptorsite)外源DNA片段进入受体细菌形成临时性通道的特定区域。感受态细胞(Competentcell)能接受外源DNA分子并被转化的细菌细胞。27㈢、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。如枯草杆菌共转化遗传作图：trp2+his2+tyr1+×trp2his2tyr1重组型数Trp2-his2重组值=────────×100%亲型数+重组型数2390/17990=0.13418+1180+685+107=239011940+3660=15600his2-tyr18125/20172=0.402600+1180+3660+685=812511940+107=12047trp2-tyr16785/19905=0.342600+107+3660+418=678511940+1180=13120trp2-his2重组体数/总数(+-)或(-+)(++)重组值重组型亲本型11801072600418685366011940总数－＋－－＋＋＋tyr1＋－－＋－＋＋his2＋＋＋－－－＋trp2转化子类型座位(供体)trp2+his2+tyr1+×trp2-his2-tyr1-(受体)293个基因的次序为：trp2his2tyr1trp2his2tyr13413Trp2-his20.34Trp2-tyr10.40His2-tyr10.1330二、接合（conjugation）接合（conjugation）是指遗传物质从供体(donor）──“雄性”转移到受体(receptor)──“雌性”的过程。31㈠、接合现象的发现和证实黎德伯格和塔特姆大肠杆菌杂交试验材料：大肠杆菌(Escherichiacoli)K12菌株的两个营养缺陷型品系A：甲硫氨酸缺陷型met-生物素缺陷型bio-B：苏氨酸缺陷型thr-亮氨酸缺陷型leu-方法：将A、B混和，在基本培养基(固体)上涂布培养结果：平板上长出原养型菌落(++++)32几种可能解释及其分析对上述试验结果原养型菌落可能产生于：亲本细菌A或B发生了回复突变两品系细胞通过培养基交换养料——互养作用两品系间发生了转化作用发生细胞融合，形成了异核体或杂合二倍体为了验证这些原养型菌落产生的可能而进行的研究最终表明：这些解释均不成立331、回复突变可能的排除Lederbery和Tatum利用的双营养缺陷型菌株进行试验，已基本排除A或B品系发生回复突变产生原养型细菌的可能。因为：单基因回复突变的频率约为10-6；双基因回复突变的频率则为10-12，频率很低。但试验中产生原养型菌落产生的频率非常高（10-7），因此基本可以排除回复突变的可能。342、互养作用及其排除试验材料A品系：A-B+T1S(met-bio-thr+leu+T1S)；B品系：A+B-T1R(met+bio+thr-leu-T1R)。试验方法：将A、B品系混合接种在基本培养基表面，短时间后喷噬菌体T1杀死A品系，使其不能持续产生thr与leu供B品系持续生长。结果：仍然出现原养型菌落。结论：表明互养并非原养型菌落出现的原因，而可能发生了遗传重组。353、转化作用及其排除Lederbery和Tatum曾把品系A的培养液经加热灭菌，加入到B品系的培养物中，未得到原养型菌落，表明原养型菌落可能不是由转化作用产生。戴维斯(Dawis,1950)的U型管试验结果：没有得到原养型细菌。结论：细胞直接接触是原养型细菌产生的必要条件，从而否定了转化的可能性。U型管实验（Dawis,1950)364、异核体和杂合二倍体的可能性若细菌细胞发生融合，产生异核体或双杂合二倍体。这两种情况类似于二倍体生物的杂合体，将产生原养型菌落。异核体：指由于细胞融合而在细胞内含有遗传组成不同的两个或多个细胞核。双杂合二倍体：是指异核体进一步发生核融合，形成二倍体细胞核，核内含有两种遗传物质。细菌为单倍配子体生物，异核体和二倍体只能暂存。培养繁殖过程中必将发生分离，产生各种缺陷型菌落。对试验中得到的原养型菌落后代研究表明：后代没有出现预期的性状分离现象。37海斯（Hayes，W.，1952）实验经过上述分析可以认为：大肠杆菌AB营养缺陷型，发生了一种不同于转化的遗传重组方式，称之为接合。38㈡、F因子及其在杂交中的行为Hayes等进一步研究发现，大肠杆菌在接合中作供体的能力受细胞内一种致育因子(fertilityfactor/F因子，sexfactor/性因子)控制F因子的化学本质是DNA，可以自主状态存在于细胞质中或整合到细菌的染色体上F因子可在细菌细胞间进行转移39致育因子是染色体外的一个共价环状DNA分子，决定细菌雄性，称为致育因子（fertilityfactor），又称为F因子或F质粒。供体菌（雄性菌）含有F因子的细菌，F因子游离于宿主染色体外，记为F+。受体菌（雌性菌）不含有F因子的细菌，记为F－。Hfr菌株（高频重组菌株）指F因子整合到宿主染色体中去了的菌株，其重组频率比F+高1000多倍。40F因子的存在状态（大肠杆菌）①没有F因子，即F－；②一个自主状态F因子，即F+；③一个整合到自己染色体内的F因子，即Hfr。411、F因子的特点F＋细菌可以把F因子传给后代。F＋细菌经吖啶橙处理F因子丢失，丢失后不再出现。F＋可以和F－杂交，而不能和F＋杂交。F＋和F－杂交后代皆为F＋，而且可以以10－7频率获得重组体后代。F因子独立进行分裂422、F因子在杂交中的行为4344细菌重组的特点:Hfr细胞和F－细胞之间的接合，一般很少有整条Hfr染色体转入F－细胞(pilus容易断裂)，因此：1、F－细胞得到的只是部分F因子，其余部分依赖于整条Hfr染色体的转移。这样在Hfr×F－杂交后代大多数重组子仍为F－;2、F－受体细胞只接受部分的供体染色体，这样的细胞称为部分二倍体(partialdiploid)或半合子(merozygote)。45细菌重组中，有两个特点只有偶数的交换才能产生平衡的重组子相反的重组子(reciprocalrecombinant)不出现，所以在选择培养基上只出现一种重组子46㈢、中断杂交实验作图1957年，E.Wollman和F.Jacob设计了中断杂交试验（interruptedmatingexperiment）：发现接合时遗传物质转移是直线进行。材料：Hfr菌株：strsazirtonA