第七章微生物遗传（2）-PowerPointPres

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：①.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。②.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：黎德伯格等(Lederberg和Lederberg,1952)设计。LederbergJ.,1958Nobel奖获得者，发现细菌转导和接合培养基中加有青霉素抗青霉素的菌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RNADNADANRNA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7－1。1．世代周期短：大肠杆菌(E.Coli)20分钟可繁殖一代。2．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)：①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)；②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λ噬菌体。一、噬菌体的结构：㈠、烈性噬菌体：1.结构大同小异，外貌一般呈蝌蚪状：头部：双链DNA分子的染色体；颈部：中空的针状结构及外鞘；末端：由基板、尾针和尾丝组成。T偶列噬菌体2．T偶列噬菌体的侵染过程（如T4噬菌体）：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㈡、温和性噬菌体：例如λ和P1噬菌体．λ和P1各代表一种略有不同的溶源性类型。①.λ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attλ座位上通过交换整合到细菌染色体，并能阻止其它λ噬菌体的超数感染。1.溶源性的生活周期：②.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裂解途径。原噬菌体：整合在宿主基因组中的噬菌体。2.P1和λ噬菌体的特性：①．P1和λ各代表不同的溶原性类型：P1噬菌体：侵入后并不整合到细菌的染色体上，独立存在于细胞质内；λ噬菌体：通过交换整合到细菌染色体上。②．溶源性细菌分裂两个子细胞：P1噬菌体复制则使每个子细胞中至少含有一个拷贝；λ噬菌体随细胞染色体复制而复制，细胞中有一个拷贝。③．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。1928年，格里费斯(GriffithF.)在肺炎双球菌中发现转化现象。1944年，阿委瑞(AveryO.T.)成功地进行了肺炎双球菌转化试验；证实遗传物质是DNA；转化是细菌交换基因的方法之一。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肺炎双球菌转化：DNA片断至少有800个碱基对；枯草杆菌的转化：DNA片断至少有16000个碱基对。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、形态、浓度和受体细胞的生理状态。①.转化片断的大小：②.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。③．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。㈡、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。①.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。②.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。③．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。Trp2his2tyr1-----------34---------------13---------------------------40---------------------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”。⑴．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或雌性，用F－表示。㈠、F因子及F＋向F－的转移：⑵．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)。⑶．F因子的三种状态：以大肠杆菌为例：②．一个自主状态F因子，即F＋；③．带有一个整合的F因子的细胞叫高频重组细胞，Hfr细胞。①．没有F因子，即F－；⑷．自主状态时F因子独立进行分裂。F＋×F－：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。㈡、Hfr细胞的形成及染色体的转移：细菌染色体由一小段单链的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。Adelberg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：⑴．F’因子转移基因比率极高，如同F+因子转移比率；⑵．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Flac-受体之中。∵①．lac基因位于远端，中断杂交实验中只有1/1000重组率；②．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-。性导在大肠杆菌遗传研究中的作用：①．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；②．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；③.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）：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。⑴.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