遺傳學-第五章-細菌和病毒的遺傳PPT課件

1、2021/6/71前前 言言 遺傳學的研究從細胞水平推進到分子水平，一是由于基因物理、化學結(jié)構(gòu)的了解日益深入，二是由于采用了新的研究材料細菌和病毒，顯然細菌和病毒的遺傳研究對分子遺傳學的發(fā)展具有十分重要的作用。第五章第五章 細菌和病毒的遺傳細菌和病毒的遺傳2021/6/72 根據(jù)寄主的不同把病毒分為植物病毒、動物病毒和細菌病毒。細菌病毒又叫噬菌體（bacteriophage），它是目前研究比較清楚的一種病毒。 真核生物的基因重組是通過減數(shù)分裂實現(xiàn)的，而原核生物的細菌和既不是原核生物又不是真核生物的病毒，它們不進行減數(shù)分裂，但也能進行基因重組。2021/6/73第五章第五章 細菌和病毒的遺傳細菌

2、和病毒的遺傳 2021/6/74第一節(jié)第一節(jié) 細菌和病毒遺傳研究的意義細菌和病毒遺傳研究的意義2021/6/75第二節(jié)第二節(jié) 噬菌體的遺傳分析噬菌體的遺傳分析 2021/6/76一、噬菌體的結(jié)構(gòu)與繁殖一、噬菌體的結(jié)構(gòu)與繁殖 形態(tài)：蝌蚪形、微球形、細線形等。 結(jié)構(gòu)：E. coli T系列如T1、T2、T3、T4-T7等 為蝌蚪形，它們的結(jié)構(gòu)相似。 分類：烈性噬菌體烈性噬菌體（virulent phage）， 如E. coli 的 T偶數(shù)列噬菌體 溫和型噬菌體溫和型噬菌體（temperate phage），如、P1 和80噬菌體2021/6/771、烈性噬菌體的繁殖、烈性噬菌體的繁殖圖圖75 烈性

3、噬菌體（烈性噬菌體（T4）的繁殖）的繁殖2021/6/78概念：概念： 噬菌斑噬菌斑：把對噬菌體敏感的細菌和噬菌體混合培養(yǎng)在瓊脂培養(yǎng)基上，未受侵染的細菌迅速生長，形成菌落（colony），而受侵染的細菌裂解（lysis），再侵染鄰近細菌使之再裂解，在長滿菌落的不透明培養(yǎng)基上，會出現(xiàn)肉眼可見的透明的斑點，叫噬菌斑。 基因型不同的噬菌體，產(chǎn)生的噬菌斑大小和形態(tài)不同，寄主范圍（host range）也可能不同，根據(jù)這些性狀可以加以區(qū)別。 2021/6/792、溫和型噬菌體的繁殖、溫和型噬菌體的繁殖 圖圖76 噬菌體的溶源性周期和裂解周期噬菌體的溶源性周期和裂解周期 概念：概念：溶源性（lysogen

4、y）周期：原噬菌體（prophage）：溶源性細菌：溶源性細菌對同一種噬菌體的侵染是免疫的。噬菌體感染細菌后，通過交換整合到細菌染色體上，而P1噬菌體并不整合到細菌染色體上，但它們都是溶原性細菌，屬溫和型噬菌體。溫和型噬菌體多數(shù)情況下，進行溶源性周期，但在外界因素影響下，也能進入裂解周期2021/6/710二、二、T2噬菌體的基因重組噬菌體的基因重組 赫爾歇（Hershey）對T2噬菌體的基因重組作了研究。研究的性狀是噬菌斑的大小和寄主范圍（host range）。 野生型r-小噬菌斑； 突變型r-大噬菌斑； 野生型h-只能感染E. coli的B品系； 突變型h-既能感染B品系，又能感染B2品

5、系。 噬菌體雜交：兩種不同基因型的噬菌體在同一細菌體內(nèi)的基因重組。 2021/6/711 hr+ h+ r 即同時感染B品系，DNA復制后可能配 對，h r之間可能發(fā) 生交換 h r+ h+ r h r+ h+ r裂解后接種在同時 含有B和B/2系的培養(yǎng)基上 h r+ h+ r h r h+ r+透明、小斑 半透明、大斑 透明、大斑 半透明、小斑 親 型 重 組 型2021/6/712 重組型噬菌斑數(shù)交換值= 100 總噬菌斑數(shù) 去掉即為兩基因（h、r）之間的遺傳距離 2021/6/713第三節(jié)第三節(jié) 細菌的遺傳分析細菌的遺傳分析 2021/6/714一、轉(zhuǎn)化一、轉(zhuǎn)化 轉(zhuǎn)化（transform

6、ation）：指一種細菌或細胞通過細胞膜吸收外源DNA（供體DNA），并通過重組將外源DNA整合（參入）到自己的基因組中，從而表現(xiàn)出供體（donor）遺傳性狀的現(xiàn)象。 接受供體遺傳物質(zhì)的細胞稱為受體（receptor）。 只有當整合的DNA片段產(chǎn)生新的表現(xiàn)型時，才能測知轉(zhuǎn)化的發(fā)生。2021/6/715 轉(zhuǎn)化現(xiàn)象最初是由格里費斯（Griffith，F(xiàn).）在1928年研究肺炎雙球菌時發(fā)現(xiàn)的。 肺炎雙球菌有兩種類型： （1）光滑型（S型）：被一層多糖類的莢膜所保護，有毒性，在培養(yǎng)基上形成光滑的菌落。 （2）粗糙型（R型）：沒有莢膜，沒有毒性，形成粗糙型菌落.2021/6/716 根據(jù)血清學反應，分成

7、許多抗原型：S、S、S、R、R.轉(zhuǎn)化試驗：轉(zhuǎn)化試驗：無毒的R型 有毒的S型 R型 S型（加熱殺死） 注入 加熱（65）殺死再注入 混合后注入一個體內(nèi) 老鼠 老鼠 老鼠 不死亡 不死亡 死亡RR型細菌重現(xiàn)型細菌重現(xiàn) 無無SS型菌重現(xiàn)型菌重現(xiàn) 有少數(shù)有少數(shù)SS型菌重現(xiàn)型菌重現(xiàn)2021/6/7172021/6/718 1944年阿委瑞（Avery，O. T.）不僅重復了上述實驗，而且將S型菌的DNA提取物與R型混合在一起，在離體培養(yǎng)條件下，使少數(shù)R型轉(zhuǎn)化成了S型，并能穩(wěn)定遺傳，因為該提取物不受蛋白酶、多糖酶、核糖核酸酶（RNA酶）的影響，而只能為DNA酶所破壞，所以認為促成轉(zhuǎn)化的物質(zhì)是DNA。說明R

8、型通過吸收了S型的DNA片段，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)化過程。 這個轉(zhuǎn)化實驗直接證明了遺傳物質(zhì)是DNA，而不是蛋白質(zhì)，也說明細菌的遺傳物質(zhì)可以通過轉(zhuǎn)化進行重組。2021/6/719轉(zhuǎn)化的過程： 1、供體、供體DNA的結(jié)合和穿入的結(jié)合和穿入 （1）供體DNA片段必須是雙鏈，且至少具有一定的長度和一定的濃度（2）受體細胞必須處于感受態(tài) （3）受體細胞利用DNA外切酶或移位酶（translocase）降解其中 一 條鏈，利用降解產(chǎn)生的能量，將另一條鏈縱向拉進細胞。2021/6/7202、聯(lián)會（、聯(lián)會（synapsis） 供體單鏈DNA與受體DNA根據(jù)親緣關(guān)系進行聯(lián)會，親緣關(guān)系遠， 聯(lián)會的可能性就小，轉(zhuǎn)化的成功率就低

9、，反之，則大。 3、整合（、整合（integration） 配對后通過置換作用，使供體DNA片段參入到受體DNA中。 2021/6/721二、接合二、接合 接合(conjugation)：指原核生物的遺傳物質(zhì)通過細胞接觸從供體（雄性）轉(zhuǎn)移到受體（雌性）的過程。（一）接合與轉(zhuǎn)化的區(qū)別（一）接合與轉(zhuǎn)化的區(qū)別 1946年黎德伯格（Lederberg，J.）和塔特姆（Tatum，E.）用E. coli K12品系做的實驗：met：甲硫氨酸缺陷型bio：生物素（biotin）缺陷型thr：蘇氨酸（threonine）缺陷型leu：亮氨酸（leucine）缺陷型 2021/6/722 圖圖711 戴維斯的

10、戴維斯的U型管試驗型管試驗 為了解釋上述原養(yǎng)型形成的原因，1950年戴維斯（Davis, B.）設計了U型管試驗（圖711）。 A菌株和B菌株混合一段時間后，從任何一個臂內(nèi)取樣，分別涂布在基本培養(yǎng)基上，都沒有出現(xiàn)原養(yǎng)形細菌。說明細胞接觸是上述實驗出現(xiàn)原養(yǎng)型的必要條件。所以這是接合而不是轉(zhuǎn)化，二者的區(qū)別就在于細胞是否接觸。 2021/6/723（二）接合的過程（二）接合的過程 1952年，海斯（Hayes, W.）證明，接合中遺傳物質(zhì)的交流是單方向的：A（雄性，供體）B（雌性，受體） 后來研究發(fā)現(xiàn)，之所以AB，是因為A中有一個性因子（sex factor），稱F因子，它是DNA，它可以自主存在于

11、細胞質(zhì)中，也可整合到細菌的染色體組內(nèi)，這類遺傳顆粒叫附加體（episome）。根據(jù)F因子在細胞中存在的狀態(tài)，將細菌（以E. coli為例）分為三類： F+：F因子自主狀態(tài)存在于細胞質(zhì)中 F：細胞質(zhì)中無F因子 Hfr：F因子整合在細菌的染色體組內(nèi) 2021/6/724接合有兩種情況： 部分二倍體（部分合子）內(nèi)基因子 外基因子 單交換時，E. coli的染色體被打開，呈鏈狀，細菌死亡，無意義。雙交換時，產(chǎn)生遺傳的重組體，實現(xiàn)了遺傳物質(zhì)的交換。需要說明的是F很少轉(zhuǎn)為Hfr（與F可轉(zhuǎn)化為F區(qū)別），因為Hfr中的DNA在轉(zhuǎn)移的過程中，接合常常中斷。 2021/6/725分分 別別 影影 印印 培培 養(yǎng)養(yǎng)

12、 到到 各各 培培 養(yǎng)養(yǎng) 皿皿 中中（三）中斷雜交試驗和染色體作圖（三）中斷雜交試驗和染色體作圖在接合過程中，根據(jù)F細胞中發(fā)現(xiàn)Hfr細胞基因的時間早晚來確定其順序，從而進行基因定位。原理：把Hfr菌株與F菌株混合培養(yǎng)設Hfr菌株的基因型為：strs a+ b+ c+ d+ F菌株的基因型為：strr a b c d（strs-鏈霉素敏感基因，strr-鏈霉素抗性基因，a b c d代表不同的基因，-為原養(yǎng)型或抗性， -為缺陷型或敏感型）含含str的完全培養(yǎng)基的完全培養(yǎng)基以殺死以殺死Hfr細胞細胞 缺少缺少A物質(zhì)的物質(zhì)的 缺少缺少B物質(zhì)的物質(zhì)的 缺少缺少C物質(zhì)的物質(zhì)的 缺少缺少D物質(zhì)的物質(zhì)的 完

13、全培養(yǎng)基完全培養(yǎng)基 完全培養(yǎng)基完全培養(yǎng)基 完全培養(yǎng)基完全培養(yǎng)基 完全培養(yǎng)基完全培養(yǎng)基Hfr F混合培養(yǎng)混合培養(yǎng)隔一定時間取樣攪 拌2021/6/726 1950年雅科（Jacob，F(xiàn).）和沃爾曼（Wollman，E.）的中斷雜交試驗（interrupted mating experiment）:Hfr的基因型的基因型 F的基因型的基因型thr-蘇氨酸野生型 thrleu-亮氨酸野生型 leuaziR-抗疊氮化鈉 aziStonR-抗T1噬菌體 tonSlac-能發(fā)酵乳糖 lacgal-能發(fā)酵半乳糖 galstrS-對鏈霉素敏感 strR實驗發(fā)現(xiàn)：混合8分鐘后取樣，開始出現(xiàn)少量thr的F菌落；混

14、合8.5分鐘后取樣，開始出現(xiàn)少量leu的F菌落；混合9分鐘后取樣，開始出現(xiàn)少量抗azi的F菌落；混合11分鐘后取樣，開始出現(xiàn)少量抗T1噬菌體的F菌落；混合18分鐘后取樣，開始出現(xiàn)乳糖發(fā)酵基因的F菌落；混合25分鐘后取樣，開始出現(xiàn)半乳糖發(fā)酵基因的F菌落；在18分鐘之前F均屬不發(fā)酵型。 隨著時間的推移，從Hfr得到的某個等位基因重組體的百分率增加，百分率增加到一定程度，就維持在一定的水平，很少出現(xiàn)100，這是因為在人為攪拌之前，有些接合已經(jīng)中斷，這種情況在重組體中就不會出現(xiàn)某個基因 。2021/6/727 根據(jù)上述實驗可知，Hfr菌中的基因是按一定的線性順序依次進入F的，據(jù)開始進入時間的早晚，可作

15、出基因的直線連鎖圖（圖718），以始點為原點（origin） , 寫作Othr leu azi ton lac gal F 8 8.5 9 11 18 25O 圖圖718 根據(jù)中斷雜交試驗作出的大腸桿菌直線連鎖圖（數(shù)字單位：根據(jù)中斷雜交試驗作出的大腸桿菌直線連鎖圖（數(shù)字單位：min） 2021/6/728 注意注意：對于同一種細菌來說，不同的菌株F因子整合到細菌染色體的位置可能不同，這就形成不同的Hfr類型，在接合時，轉(zhuǎn)移的原點和方向可能不同，就會出現(xiàn)多種基因轉(zhuǎn)移順序（如表76）。Hfr的類型基因轉(zhuǎn)移順序HfrH123AB312O thr pro lac pur gal his gly thi

16、O thr thi gly his gal pur lac proO pro thr thi gly his gal pur lac O pur lac pro thr thi gly his galO thi thr pro lac pur gal his gly 從表76看出，盡管Hfr類型不同，基因轉(zhuǎn)移的起點和順序不同，但基因的相鄰關(guān)系并沒有改變，說明細菌染色體是環(huán)狀的，據(jù)表76作連鎖圖（圖719），但當兩基因的距離小于2分鐘時，中斷雜交法作出的圖距不太準確 。表表76 用中斷雜交法確定的幾個用中斷雜交法確定的幾個Hfr菌株的基因順序菌株的基因順序2021/6/729三、性導三、性導（s

17、exduction） F因子整合在細菌染色體（形成Hfr）的過程是可逆的，即可以整合上去，也可以通過環(huán)出（looping out）又離開染色體，但偶爾在離開時不夠準確，攜帶了一段細菌染色體，這種F因子稱F因子，在接合時，含有F因子的細菌（供體）以高頻率地轉(zhuǎn)移它的基因，并且整合在一定的座位上，因為它有與細菌染色體的同源區(qū)段（與正常F因子可整合在不同的座位相區(qū)別）形成部分二倍體，F(xiàn)因子可能消失，也可能通過交換使等位基因發(fā)生重組，產(chǎn)生重組體，實現(xiàn)了遺傳物質(zhì)的交換。 2021/6/730四、轉(zhuǎn)導四、轉(zhuǎn)導 轉(zhuǎn)導（transduction）：指以噬菌體為媒介，將一個細菌的遺傳物質(zhì)轉(zhuǎn)移給另一個細菌的過程。 在轉(zhuǎn)導過程中，細菌的一段染色體被錯誤地包裝在噬菌體的蛋白質(zhì)外殼內(nèi)，通過再次感染而轉(zhuǎn)移到另一個受體細菌內(nèi)，形成的部分二倍體可以發(fā)生交換，從而實現(xiàn)遺傳物質(zhì)的重組。有些噬菌體包裝細菌染色體的片段是隨機的，這叫普遍性轉(zhuǎn)導（generalized transduction）（下圖），如P1、P22等。