微生物遗传学.ppt

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1、第七章 细菌和病毒的遗传,细菌和蓝绿藻属于原核生物：一个线条状或环状染色体(单倍体结构)；无典型的有丝分裂和减数分裂；染色体传递和重组方式与真核生物不同。,病毒：比细菌更简单；在寄主细胞内以集团形式产生；属于只有一条染色体的单倍体。,第一节 细菌和病毒遗传研究的意义,1.大小：细胞较小、长约1.2um、宽约0.5um；,2.结构：鞭毛、细胞壁、质膜、间体、核质体、核糖体,3.遗传物质：单个主染色体、一个或多个小染色体（质粒）,一、细菌：,研究细菌遗传的方法：主要是对细菌菌落形态的遗传研究(如图，霉菌菌落),原则上说，培养皿中每个细菌长成的菌落应具有共同的遗传组成，但是由于偶然发生的突变：形态性

2、状的突变，生理特性的突变或抗性的突变，而使这些突变后的细菌所形成的菌落与其他的菌落有所不同。,菌落形态性状的突变包括：菌落的形状、颜色和大小等。(如图，菌落形态性状),4.涂布和繁殖：每个细胞在较短时间内(如一夜)能裂殖到107个子细胞 成为肉眼可见的菌落或克隆(Clone)。,5.生理特性突变：,.营养缺陷型：,丧失合成某种营养物质能力，不能在基本培养基上生长；,原养型：野生菌株则可在基本培养基上生长。,用不同的选择性培养基 测知突变的特性。,.抗性突变型：,如抗药性或抗感染性。,例如：青霉素(penr，r代表resistance)抗性突变的菌落。,测定突变的方法影印法：,培养基中加有青霉素

3、,抗青霉素的菌生长,没有细胞结构，是单倍体，只有一条染色体。,病毒 蛋白质外壳+包被在内的核酸。,烟草花叶病毒腺病毒T4 噬菌体爱滋病病毒RNA DNA DANRNA,病毒分类：寄主：动物、植物、细菌；遗传物质：DNA 或RNA。,二、病毒：,病毒中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。,感染细菌的病毒又叫噬菌体(bacteriophage),是目前了解比较清楚的病毒。,噬菌体对于分子生物学的研究具有非常重要的贡献。,常见几个主要噬菌体的特性质见表71。,1世代周期短：,大肠杆菌(E.Coli)20分钟可繁殖一代。,2

4、便于管理和生化分析：,个体小，一般在1u至几u之间，因一支试管可以储存数以百万计的细菌和病毒，操作管理方便。,三、细菌和病毒在遗传研究中的优越性：,3便于研究基因突变：,裸露的DNA分子(有的病毒为RNA分子)，易受环境条件的影响而发生突变；单倍体生物，不存在显性掩盖隐性问题，突变均能表现出来。,4便于研究基因的作用：,影印培养，易检出营养缺陷型突变，有利于从生化角度来研究基因的作用。,5便于基因重组研究：,细菌具有转化、转导和接合作用，利用这些特性可以进行精密的遗传学分析。,6.便于研究基因结构、功能及调控机制：,细菌和病毒的遗传物质简单，基因定位、结构分析及其分离易于进行，基因的表达调控也

5、适于用生理生化的方法进行深入的研究。,7.便于进行遗传操作：,染色体结构简单，没有组蛋白和其它蛋白的结合，更宜于进行遗传工程的操作。,第二节 噬菌体的遗传分析,1.结构简单：,蛋白质外壳、核酸、某些碳水化合物、脂肪等。,2.多样性的原因：,外壳的蛋白质种类、染色体类型和结构的不同。,3.两大类(据噬菌体DNA在宿主细菌内的特点)：,烈性噬菌体：能引起寄主细胞裂解的噬菌体。例：T噬菌体系列(T1-T7)；,温和性噬菌体:侵入寄主细胞后，不使寄主细胞裂解的噬菌体。具容源性的P1和噬菌体。,一、噬菌体的结构：,、烈性噬菌体：,1.结构大同小异，外貌一般呈蝌蚪状：,2T偶列噬菌体的侵染过程（如T4噬菌

6、体）：,尾丝固定大肠杆菌，遗传物质注入 破坏寄主细胞原有的遗传物质 合成大量的噬菌体遗传物质和蛋白质 组装成许多新的子噬菌体 溶菌酶裂解细菌 释放出数百个噬菌体。,T4噬菌体从大肠杆菌中释放,、温和性噬菌体：,例如和P1噬菌体和P1各代表一种略有不同的溶源性类型。,.噬菌体：,噬菌体侵入后，细菌不裂解 附在E.coli染色体上的gal和bio位点间的att座位上 通过交换整合到细菌染色体，并能阻止其它噬菌体的超数感染。,1.溶源性的生活周期：,.P1噬菌体：,它并不整合到细菌的染色体上，而是独立地存在于细胞质内。,只有少数基因活动，表达出阻碍物关闭其它基因。,原噬菌体经诱导可转变为烈性噬菌体

7、裂解途径。,原噬菌体：整合在宿主基因组中的噬菌体。,2.P1和噬菌体的特性：,P1和各代表不同的溶原性类型：,溶源性细菌分裂 两个子细胞：,共同特点：核酸既不大量复制，也不大量转录和翻译。,第三节 细菌的遗传分析,一、转化（transformation）：,概念：指某些细菌能通过其细胞膜摄取周围供体的染色体片段，将此外源DNA片段通过重组加入自己染色体组的过程。,细菌中的大部分的转化工作是用下面三种细菌完成的：肺炎双球菌，枯草杆菌和流感嗜血杆菌。,转化主要分为二个步骤进行:,(一)供体DNA与受体细胞间的接触与互作,转化的第一步是使转化DNA与受体细菌间的成功地相互作用，这包括：转化片段的大小

8、、形态、浓度和受体细胞的生理状态。,.转化片断的大小：,.供体DNA分子存在的数目：,对特定基因来说，供体DNA分子数目与成功转化有关。,链霉素抗性基因转化：在每个细胞含有10个DNA分子之前，抗性转化体数目一直与DNA分子存在数目成正比。,原因：在细菌的细胞壁或细胞膜上有固定数量的DNA接受座位，故一般细菌摄取的DNA分子数小于10个。,受体的生理状态：,受体细胞必须在生理上处于感受态。这种感受态只能发生在细菌生长周期的某一时间范围内，在感受态内，活跃合成的蛋白质的细菌细胞壁多少发生改变而易于接受转化DNA。,、转化DNA的摄取和整合过程：,细菌中的转化，包括供体DNA的结合与穿入，联会和整

9、合。,当细菌处于感受态时，外源双链DNA分子可结合在受体细胞表面的接受座位上。细菌在摄取外源DNA时，由DNA移位酶降解其中一条链，并利用降解这条链产生的能量，将另一条链拉进细胞中。,.结合与穿入：,供体单链DNA片段一旦进入细胞，按各个不同的位点与其相应的受体DNA片段联会。,.联会：,单链的转化DNA通过与受体DNA对应位点的置换从而稳定地参入到受体DNA中。,整合(重组)：,转化动化,(三)转化和基因重组作图,例如：黎德伯格等用枯草杆菌进行转化和重组试验,DNA 片段进入受体细胞之后，可与受体染色体发生重组。紧密连锁的两个基因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

10、。,三者并发转化的频率最高，故这3个基因是连锁的，其中his2和tyr1连锁紧密：,单交换时，染色体开环易降解，故不存在单交换类型；只有双交换和偶数的多交换才有效的。,二、接合（conjugation）：,1.概念：是指原核生物的遗传物质从供体(donor)转移到受体(receptor)内的过程。,特点：需通过细胞的直接接触。,B菌株：Met+bio+thr-leu-，需加苏氨酸和亮氨酸。,不同营养缺陷型的大肠杆菌：A菌株：Met-bio-thr+leu+，需加甲硫氨酸和生物素。,2实例：黎德伯格和塔特姆（1946年）：,A菌株和B菌株营养缺陷型，不能在基本培养上生长。,A+B菌株混合培养，在

11、完全培养基上，几小时后离心，涂布基本培养,长出原养型(Met+bio+thr+leu+)菌落。,这种原养型细胞如何出现？转化？细胞间直接接触而发生遗传物质交换和重组?,A、B菌株分别培养在基本培养基上 一边加压和吸引使培养液充分混合 结果任何一臂的培养基上均未长出原养型细菌。,直接接触(接合)是原养型细胞出现的必要条件。,大分子可通过，细菌不能通过,Hayes(1952)试验证明：接合过程是一种单向转移，A菌株遗传物质 B菌株，从供体“donor”到受体“receptor”。,F 因子：致育因子(性因子)，是一种附加体。,携带F因子的菌株称为供体菌或雄性，用F表示。,未携带F因子的菌株为受体菌

12、或雌性，用F表示。,、F因子及F向F的转移：,F 因子的组成：,染色体外遗传物质，环状DNA；,40-60个蛋白质基因；2-4个/细胞(雄性内)。,F 因子的三种状态：,以大肠杆菌为例：,一个自主状态F因子，即F；,带有一个整合的F因子的细胞叫高频重组细胞，Hfr细胞。,没有F因子，即F；,自主状态时,F 因子独立进行分裂。,FF：先形成接合管，F因子的DNA边转移边复制，F细胞 F细胞。,F因子整合到细菌染色体上(F Hfr细胞)，其繁殖与细菌染色体同步进行。,此时，细菌基因的重组频率增加4倍以上，因此染色体上整合有F因子的菌株，称为Hfr菌株。,、Hfr细胞的形成及染色体的转移：,细菌染色

13、体由一小段单链的F因子为前导而转移到F-受体 边进入边合成。一般情况下仅小部分细菌染色体能够转入，接合中断 受体细胞仍为F，F因子仍留在供体内。,当F因子复制完成后，F-变成F+(动画)。,部分二倍体中发生交换:,单数交换：打开环状染色体，产生一个线性染色体，这种细胞是不能成活的。,偶数交换：产生可遗传的重组体和片段。,部分二倍体：当F或Hfr的细菌染色体进入F后，在一个短时期内，F细胞内的某些位点就会成为二倍体的DNA。,三、性导（sexduction）:,性导：指接合时由F因子所携带的外源DNA整合到细菌染色体的过程。,F 因子整合过程：可逆，发生环出时，F因子又可重新离开染色体。,Ade

14、lberg和Burns(1959)：,F因子偶尔在环出时不够准确，会携带出染色体上的一些基因，这种因子称为F因子。,F因子携带染色体的节段大小：从一个标准基因到半个细菌染色体。,F因子使细菌带有某些突出的特点：,F因子转移基因比率极高，如同F+因子转移比率；,F因子的自然整合率极高，并且整合在一定的座位上。,携带有与细菌染色体一样的同源区段；而正常F因子可在不同座位整合。,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F lac-受体之中。,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Fla

15、c+/lac-。,性导在大肠杆菌遗传研究中的作用：,每个F因子携带有不同大肠杆菌基因，包括全部染色体基因，可以分离出大量的F因子，利用不同基因在一起的并发性导的频率来作图；,通过性导产生部分二倍体，确定等位基因位置、显隐性关系提供了重要方法；,.性导形成的部分二倍体可用作互补测验，确定两个突变类型是否属于同一个基因。,1.概念：是指以噬菌体为媒介进行细菌遗传物质重组的过程，是细菌遗传物质传递和交换方式之一。,2.特点：以噬菌体为媒介 细菌的一段染色体被错误地包装在噬菌体的蛋白质外壳内 通过感染转移到另一个受体细胞内。,感染细菌的能力决定于噬菌体的蛋白质外壳。,四、转导（transduction

16、）：,3.例如：,黎德伯格与津德（1951）发现鼠伤寒沙门氏菌中转导现象。,.将两个沙门氏菌的营养缺陷型进行杂交：,phe-try-tyr-met+his+phe+try+tyr+met-his-,混合培养,在基本培养基发现原养型的菌落频率为1/105,不能合成苯丙氨酸、色氨酸和酪氨酸,不能合成甲硫氨酸和组氨酸,.产生上述结果的原因:,.是否属于恢复突变?,高频率的出现不可能是回复突变。,.是否属于接合、性导?,戴维斯U型管试验(防止细胞直接接触)结果也获得野生型重组体，排除由于接合或性导而产生基因重组可能性。,.是否属于转化?,结果表现为不受DNA酶的影响，排除了由于DNA片断通过滤片经转化

17、实现基因重组可能性。,.唯一可能的结论是：这种重组通过一种过滤性因子实现。,这种过滤性因子称为FA，不受DNA酶的影响。FA是一种噬菌体，称为P22，溶源性的。,转导可分为普遍性转导和特殊性转导两大类。（自学）,、普通性转导：,转导颗粒：把细菌染色体片段包装在噬菌体蛋白质外壳内 而产生的假噬菌体，其中并不包含噬菌体的遗传物质。,.作用：可以转导细菌染色体组的任何不同部分。,溶源起始：在染色体的特定位点整合。,、特殊性转导：由温和噬菌体进行的转导。,2噬菌体的类型；,烈性噬菌体：能破坏寄主细胞原有的遗传物质 组装成许多子噬菌体 使细菌裂解 释放出子噬菌体。,温和性噬菌体：,本章小结,1细菌研究的影印培养法：,.噬菌体的基因重组与作图:(不要求),通过双重感染 两种噬菌体进行杂交 重组的噬菌斑 两基因之间的遗传距离。,