細菌與病毒遺傳5

第七章細菌和病毒的遺傳細菌屬于原核生物，不進行典型的有絲分裂和減數(shù)分裂，因此，其染色體傳遞和重組方式與真核生物不盡相同。病毒甚至不進行分裂，它在宿主細胞內以集團形式產生。細菌和病毒的遺傳分析對整個遺傳學，特別是對于分子遺傳學的發(fā)展具有重大作用。第一節(jié)細菌和病毒遺傳研究的意義遺傳學研究從細胞水平推進到分子水平，是由于兩大發(fā)展：（1）對基因的化學和物理結構的了解日益深入（2）研究材料采用了新的生物類型-細菌和病毒一、細菌

所有細菌都是比較小的單細胞，大約12μm長，0.5μm寬大腸桿菌(E.coli)在細菌遺傳學研究中應用十分廣泛,其染色體為一條環(huán)狀的裸露DNA分子。其細胞里通常還具有一個或多個小的染色體-質粒(plasmid)。研究細菌遺傳的方法--平板培養(yǎng)細菌菌落的表現(xiàn)型：原養(yǎng)型（野生型）形態(tài)性狀：菌落形狀、顏色突變型大小生理特性營養(yǎng)缺陷型抗性-抗藥或抗感染

為了測定所發(fā)生的突變，Lederberg設計了影印培養(yǎng)法

細菌的影印培養(yǎng)法二、病毒病毒沒有細胞結構，既不屬于原核生物，也不屬于真核生物。病毒結構十分簡單，僅含DNA或RNA和一個蛋白質外殼，沒有合成蛋白質外殼所必須的核糖體。所以，病毒必須感染活細胞，改變和利用活細胞的代謝合成機器，才能合成新的病毒后代。感染細菌的病毒叫噬菌體，是目前了解比較清楚的病毒，有：單鏈DNA、單鏈RNA、雙鏈DNA和雙鏈RNA等四種類型。

三、細菌和病毒在遺傳研究中的優(yōu)越性(1)世代周期短。大腸桿菌每20分鐘可繁殖一代，病毒每小時可繁殖數(shù)百個后代(2)易于管理和進行化學分析(3)便于研究基因的突變

(4)便于研究基因的作用(5)便于基因重組的研究(6)便于用作研究基因結構、功能及調控機制的材料(7)便于進行遺傳操作

第二節(jié)噬菌體的遺傳分析一、噬菌體的結構遺傳學上應用最廣泛的是大腸桿菌的T噬菌體系列(T1到T7)。其結構大同小異，呈蝌蚪狀。T偶列噬菌體結構如下圖

1、烈性噬菌體2、溫和性噬菌體溫和性噬菌體具有溶源性的生活周期，即在噬菌體侵入后，細菌并不裂解，以兩種形式出現(xiàn)，如λ和P1。二、T2噬菌體的基因重組與作圖

噬菌斑形態(tài)正常r+:小、邊緣模糊噬菌體

突變r-:大、邊緣清楚性狀

宿主范圍：感染和裂正常h+:B株解的菌株突變h-:B株不同或B/2株由于h–和h+均能感染B株，用T2的兩親本h–r+和h+r–同時感染B株，稱為雙重感染

h-r+

×h+r-

↓B株

h-r+h+r-h-r-h+r+

↓接種在同時長有B株及B/2株的培養(yǎng)基上

親型噬菌斑h-r+：透明、小

h+r-：半透明、大重組型噬菌斑h-r-：透明、大h+r+：半透明、小重組型噬菌斑

重組值=×100%

總噬菌斑

h-r-+h+r+=×100%

h-r++h+r-+h-r-+h+r+

ra–h+r+h–

→24%

rb–h+r+h–

→

12.3%

rc–h+×r+h–

→

1.6%

表7－2四種噬菌斑數(shù)及重組值雜交組合每種基因型的%重組值r–h+r+h–r+h+r–h–ra–h+r+h–rb–h+r+h–rc–h+×r+h–34.032.039.042.056.059.012.05.90.712.06.40.924%12.3%1.6%分別作出ra、rb、rc與h的連鎖圖ra24

hrb12.3

hrc

1.6h×rarb

rc

h√

rarb

hrc√

rarc

hrb×rahrc

rb

為了確定基因排列順序，可先只考慮rb、rc及h來確定是rchrb還是hrcrb。為此作：

rb+rc-×rb-rc+↓重組值約14%

可知h應位于rb及rc之間，又因為T2噬菌體的連鎖圖是環(huán)狀的

三、噬菌體的基因重組與作圖sco1mi×+++

相當于前面介紹的三點測驗（自學）

第三節(jié)細菌的遺傳分析一個細菌DNA與另一個細菌DNA的交換重組可以通過四種方式實現(xiàn)

轉化、接合、性導、轉導一、轉化

轉化：某些細菌(或其他生物)通過其細胞膜攝取周圍供體的染色體片段，并將此外源DNA片段通過重組整合到自己染色體組的過程。

轉化首先是Griffith(1928)在肺炎雙球菌中發(fā)現(xiàn)的殺死SⅢ片段RⅡSⅢ

Avery(1944)等研究證實，轉化因子是DNA。這個極其重要的發(fā)現(xiàn)，不僅證實遺傳物質是DNA，而且表明轉化是細菌交換基因的方式之一。

1.供體DNA與受體細胞間的接觸與互作

影響因素包括：(1)轉化片段大小:肺炎雙球菌的成功轉化，轉化DNA片段至少要有800bp，

枯草桿菌最少需要16000bp(2)轉化片段形態(tài):轉化片段必須是雙鏈(3)轉化片段濃度：每個細胞攝取的DNA分子數(shù)不超過10個

(4)受體細胞生理狀態(tài)；感受態(tài)（指細菌能夠從周圍環(huán)境中吸收DNA分子進行轉化的生理狀態(tài)。）2、轉化DNA的攝取和整合(1)結合與穿入

(2)聯(lián)會

(3)整合，整合或DNA重組對同源DNA具有特異性

3、轉化和基因重組作圖當兩個基因緊密連鎖時，它們就有較多的機會包括在同一個DNA片段中，并同時整合到受體染色體中。因此，緊密連鎖的基因可以通過轉化進行作圖。如：

trp2+his2+tyr1+×trp2

his2tyr1↓重組型數(shù)Trp2-his2重組值=×100%

親型數(shù)+重組型數(shù)Trp2-his2→0.34Trp2-tyr1→0.40His2-tyr1→0.13

trp2his2tyr1

∣←──34─→∣←───13──∣

∣←─────40──────→∣

繪制細菌連鎖遺傳圖譜的基本原理：1.相鄰基因發(fā)生共同轉化的概率與兩者的距離間成正向關系，基因間距離越近，發(fā)生共同轉化的頻率越高；反之，基因間距離越遠，發(fā)生共同轉化的頻率越低。因此，可以通過測定兩基因共同轉化的頻率來指示基因間的相對距離。二、接合

接合：在原核生物中，是指遺傳物質從供體-“雄性”轉移到受體-“雌性”的過程1946年，Lederberg和Tatum發(fā)現(xiàn)E.coli細胞之間通過接合可以交換遺傳物質。他們選擇了兩個不同營養(yǎng)缺陷型的E.coli菌株圖7－10黎德伯格和塔特姆的接合(雜交)試驗證明大腸桿菌發(fā)生遺傳重組發(fā)現(xiàn)長出了一些原養(yǎng)型的菌落。這種原養(yǎng)型細胞的出現(xiàn)是由于轉化還是由于細胞與細胞直接接觸而發(fā)生的遺傳物質交換和重組？為了解答這個問題，Davis(1950)設計了U型管實驗在任何一臂內都沒有出現(xiàn)原養(yǎng)型細菌。這說明兩個菌株間的直接接觸--接合，是原養(yǎng)型細胞出現(xiàn)的必要條件。Hayes（1952)試驗證明，在接合過程中遺傳物質的交換是一種單向的轉移：

供體（雄性）→

受體（雌性）

大腸桿菌Ｋ12中有兩個這樣的菌株：

A菌株：met-bio-thr+leu+thi+B菌株：met+bio+thr-leu-thi-Astrs菌株×Bstrr菌株Astrr菌株×Bstrs菌株基本培養(yǎng)基基本培養(yǎng)基產生原養(yǎng)型產生原養(yǎng)型Astrs菌株×Bstrr菌株Astrr菌株×Bstrs菌株

鏈霉素培養(yǎng)基鏈霉素培養(yǎng)基產生原養(yǎng)型不產生原養(yǎng)型原因解釋：菌株A相當于雄性，是遺傳物質的供體（donor)，而菌株B相當于雌性，是遺傳物質的受體。1.在含有鏈霉素的培養(yǎng)基中，Astrs菌株×Bstrr菌株這一雜交組合可以得到原養(yǎng)型。原因是供體雖然對鏈霉素敏感，細胞不能分裂，但并不影響供體的基因轉移；受體對鏈霉素有抗性，所以不影響細胞分裂，也不影響接受外源遺傳物質發(fā)生重組，從而出現(xiàn)原養(yǎng)型菌落。2.而反交（A

strr菌株×B

strs菌株）就不能得到原養(yǎng)型，因為受體對鏈霉素敏感，雖然供體轉移遺傳物質，但受體細胞不能分裂，所以不能重組成原養(yǎng)型菌落。1、F因子及F+/Hfr向F–的轉移Hayes和Cavalli-Sforza（1953)發(fā)現(xiàn)，供體有一個性因子即致育因子--F因子，由DNA組成，是染色體外的遺傳物質。其組成：供體含有F因子，此菌株就稱為F+，受體不含F(xiàn)因子，此菌株就稱為F-

。原點致育基因配對區(qū)域使它具有感染性，其中一些編碼F纖毛（性馓毛）轉移起始點與受體染色體上同源序列配對，交換整合到受體菌中，成為受體染色體的一部分E.coliF因子存在狀態(tài)有三種類型：①沒有F因子，即F–②游離狀態(tài)的F因子，即F+③整合的F因子，即Hfr

低頻重組與高頻重組F+品系稱為低頻重組（lowfrequencyrecombination，Lfr)：F因子轉移頻率很高，但兩者染色體之間重組頻率很低，大約是每百萬個細胞發(fā)生一次重組。Hfr品系稱為高頻重組（highfrequencyrecombination，Hfr）：因為Hfr細胞與F-細胞接合后可以將供體染色體的一部分或全部傳遞給受體F-，當供體和受體的等位基因帶有不同標記時，在她們之間就可以發(fā)生重組，重組頻率可達到0.01以上。F+×F-↓

F+→F+

F-→F+

這種F因子的傳遞與細菌染色體無關。但是F因子偶然地(10000個F+細胞中有一個)能整合到細菌染色體中去，就可能引起染色體的轉移

5’圖7－13兩個E.Coli細胞雜交的電子顯微鏡照片(X34,300)

性傘毛/接合管

Hfr×F-↓

Hfr

→HfrF-

→F-

接合開始，F(xiàn)因子僅有一部分進入F–細胞，剩下部分基因只有等到細菌染色體全部進入到F–細胞之后才能進入，然而轉移過程常常中斷

5’受體細胞常常只接受部分的供體染色體，這些染色體稱為供體外基因子，而受體的完整染色體則稱為受體內基因子，這樣的細菌稱為部分二倍體或部分合子、半合子供體與受體的重組是內基因子（F-染色體DNA）與外基因子（Hfr部分染色體DNA）的同源部分配對、交換，產生重組子。其中單交換產生的是不平衡的部分二倍體線性染色體，而雙交換產生的是有活性的環(huán)狀重組子和片段。細菌重組的特點（a）：接合后形成的部分二倍體，包括外基因子和內基因子；（b）：內基因子和外基因子之間單交換形成一個線性染色體；（c）：雙交換形成一個完整的重組染色體和一個游離片段，這一片段隨以后的分裂而丟失。--可見：原核類中的交換并不像真核生物那樣在兩整套基因組間進行，而是在一完整的基因組（F-內基因子）與一不完整的基因組（Hfr外基因子）間進行，即在部分二倍體間進行。因此，在細菌的重組中有下列兩個特點：1、只有偶數(shù)次交換才能產生平衡的重組子2、不出現(xiàn)相反的重組子，所以在選擇培養(yǎng)基上只出現(xiàn)一種重組子。2、中斷雜交試驗及染色體連鎖圖

為了證明接合時遺傳物質從供體到受體細胞的轉移是直線式進行的，Jacob和Wollman在50年代設計了一個著名的中斷雜交試驗

Hfr:thr+leu+lac+gal+azistonsstrsF-:thr-leu-lac-gal-aziRtonRstrR

每隔一定時間取樣，放在食物攪拌器內攪拌培養(yǎng)在含str的完全培養(yǎng)基上，

Hfr被殺死用影印培養(yǎng)法測試形成的F-菌落的基因型，確定每個基因轉入F-的順序（時間）根據(jù)基因轉入F-的時間，進行細菌染色體作圖

圖7－17中斷雜交后，重組體中Hfr遺傳性狀出現(xiàn)的頻率

thrleuazitonlacgaFO88.59111825根據(jù)中斷雜交實驗作出的大腸桿菌連鎖圖

用不同的Hfr菌株進行中斷雜交實驗，基因轉移的原點(O)和轉移的方向不同，說明F因子和細菌染色體都是環(huán)狀的Hfr的類型基因轉移順序HfrH123AB3120thrprolacpurgalhisglythi0thrthiglyhisgalpurlacpro0prothrthiglyhisgalpurlac0purlacprothrthiglyhisgal0thithrprolacpurgalhisgly表7－5用中斷雜交法確定的幾個Hfr菌株的基因順序如果兩個基因間的轉移時間小于2分鐘，用中斷雜交法所得的圖距不太可靠，應采用傳統(tǒng)的重組作圖法。

lac+ade+基本培養(yǎng)基lac+ade–lac–ade–lac-ade+完全培養(yǎng)基ade

-

lac-ade+

重組頻率=×100%=22%lac+ade++lac-ade+這兩個位點間的時間單位約為1分鐘→20%重組值

如果2個基因間的轉移時間<2min則用中斷雜交作圖不可靠，應采用傳統(tǒng)的重組作圖法?！耠s交Hfrlac+ade+×F-lac-ade-

lac+乳糖不發(fā)酵ade-胸嘌呤缺陷型用完全培養(yǎng)基但不加腺嘌呤，可選出F-ade+的菌落●由于lac+ade-近，兩者相繼進入時間相距很短，難以準確界定，所以只能根據(jù)產物確定。●如果選出ade+同時也選出lac+，說明lac-ade-間沒有發(fā)生過交換；如果是lac-ade+說明發(fā)生交換。

Hfr

lac+ade+F-lac-ade-

F-lac-ade-Hfr

lac+ade+F-lac+ade+

F-lac-ade-Hfr

lac+ade+F-lac-ade+F-lac-ade-

A：外基因子與內基因子之間未發(fā)生重組；B：lac-ade兩基因之外發(fā)生雙交換；C：lac-ade兩基因間發(fā)生交換產生重組子。A:B:C:三、性導

性導：指接合時由F′因子所攜帶的外源DNA轉移到細菌染色體的過程F因子整合到宿主細菌染色體的過程是可逆的，當發(fā)生環(huán)出時偶然不夠準確，攜帶有染色體的一些基因，稱這種F因子為F′因子

F′因子特點（1）以極高的比率轉移它的基因（2）有極高的自然整合率，而且整合在

一定的座位上，因為它有與細菌染色體的同源區(qū)段

性導作用（1）確定等位基因的顯隱性關系（2）利用并發(fā)性導進行細菌染色體作圖（3）性導形成的部分二倍體也可用作互補測驗，確定兩個突變型是同屬于一個基因還是不同基因四、轉導

轉導：指以噬菌體為媒介所進行的細菌遺傳物質重組的過程

Lederberg和Zinder（1951)首先在鼠傷寒沙門氏菌中發(fā)現(xiàn)轉導現(xiàn)象

phetrptyr

×

methis

↓在基本培養(yǎng)基上發(fā)現(xiàn)原養(yǎng)型的菌落

可能性：（1）接合（2）轉化（3）

？

U型管試驗→將上述兩種菌株分別放在戴維斯U型管的兩臂內，中間用玻璃濾板隔開，以防止細胞直接接觸，但允許比細菌小的物質通過，獲得了野生型重組體，

說明不是接合

→這種重組是通過一種過濾性因子(FA)而實現(xiàn)的。FA不受DNA酶的影響，說明不是轉化

→進一步研究證明，F(xiàn)A是一種噬菌體，稱為P22（用抗P22血清處理后失活）轉導分為普遍性轉導和特殊性轉導1、普遍性轉導

可以轉導細菌染色體組的任何不同部分

轉導顆?！鷥蓚€基因同在一起轉導就是合轉導

或叫并發(fā)轉導→合轉導的頻率愈高，表明兩個基因在染色體上的距離愈近，連鎖愈密切；相反，如果兩個基因的合轉導頻率很低，就說明它們之間距離較遠→因此，測定兩基因的合轉導頻率就

可以確定基因之間的次序和距離（1）兩因子轉導：通過觀察兩個基因的轉導，計算并比較每兩個基因之間的合轉導頻率，就可以確定三個或三個以上基因在染色體上的排列順序例如：a基因和b基因的合轉導頻率很高，a和c基因的合轉導頻率也很高，而b和c很少或完全不在一起轉導，這三個基因的次序就應為：bac（2）三因子轉導：只需分析一個實驗的結果就可以推出三個基因的次序例如：供體大腸桿菌具有基因型a+b+c+，受體的基因型為abc。最少的一類轉導體應代表最難于轉導的情況，這種轉導體是同時發(fā)生交換次數(shù)最多的一類。這種轉導體的兩邊應為供體基因，而中間為受體基因，如正確次序為abc，就應為a+bc+。假定由實驗得到的最少的轉導體類別為a+b+c，那么就可以確定，這三個基因的正確次序應當是acb或bca。

圖7－23轉導顆粒與受體染色體之間，通過四交換形成轉導體，這種轉導體的頻率最低

如果把三個基因中每兩個基因的合轉導頻率算出來，還可根據(jù)這一頻率推算出三個基因之間的物理距離：

d=L(1-3

X)

d=同一染色體上兩基因之間的物理距離

L=轉導DNA的平均長度

X=兩個基因合轉導的頻率

P1侵染帶leu+thr+aziRE.coli用轉導顆粒P1再侵染帶leu-thr-azisE.coli

將受體細菌特定培養(yǎng)：培養(yǎng)在一種可選擇1-2個標記基因而不選擇其余標記基因的培養(yǎng)基上

例如：0azi+thr培養(yǎng)基，leu為標記基因因為：只有l(wèi)eu+才生長，leu-不生長

thr可能為thr+/thr-azi可能為aziR/aziS

表7-7用P1噬菌體普遍性轉導測定大腸桿菌基因間的連鎖關系實驗選擇的標記基因未選擇的標記基因

1

leu+50%aziR2%thr+

2thr+3%leu+0%aziR