1、第十章第十章 細菌及病毒的遺傳分析細菌及病毒的遺傳分析(2h)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第二節(jié)第二節(jié) 噬菌體的基因重組噬菌體的基因重組第三節(jié)第三節(jié) 細菌基因重組細菌基因重組本章要求本章要求思考題思考題第一節(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一、細菌和病毒在遺傳研究中的優(yōu)越性一、細菌和病毒在遺傳研究中的優(yōu)越性繁殖世代所需時間短；繁殖世代所需時間短；易于管理和進行化學分析；易于管理和進行化學分析；遺傳物質較簡單，便于用作研究基因結構、功能遺傳物質較簡單，便于用作研究基因結構、功能及調控機制的材料。及調控機制的材料。 便于研究基因的突變；便于

2、研究基因的突變；便于研究基因的作用；便于研究基因的作用；可作為研究高等生物的簡單模型；可作為研究高等生物的簡單模型；二、細菌和病毒的擬有性過程二、細菌和病毒的擬有性過程細菌和病毒均屬于原核生物不存在嚴格意義上的有細菌和病毒均屬于原核生物不存在嚴格意義上的有性過程。性過程。細菌細胞內除了染色體外還有一些寄生性復制因子細菌細胞內除了染色體外還有一些寄生性復制因子(如噬菌體和質粒，也被稱為核外或染色體外因子如噬菌體和質粒，也被稱為核外或染色體外因子)，它們可以在細胞間傳遞，并且它們可以在細胞間傳遞，并且形成細菌染色體間以形成細菌染色體間以及細菌染色體與核外遺傳因子間的重組體及細菌染色體與核外遺傳因子

3、間的重組體，類似于，類似于真核生物減數分裂過程中形成的重組體結構。真核生物減數分裂過程中形成的重組體結構。擬有性過程擬有性過程引起細菌、病毒間遺傳物質轉移與重組的過程。引起細菌、病毒間遺傳物質轉移與重組的過程。擬有性過程的存在是細菌、病毒作為真核生物的模型研擬有性過程的存在是細菌、病毒作為真核生物的模型研究遺傳重組和基因結構的重要究遺傳重組和基因結構的重要前提前提。三、病毒的種類三、病毒的種類根據宿主劃分：根據宿主劃分：微生物病毒微生物病毒植物病毒植物病毒無脊椎動物病毒無脊椎動物病毒脊椎動物病毒脊椎動物病毒 亞病毒亞病毒v 類病毒類病毒v 擬病毒擬病毒v 朊病毒朊病毒細菌病毒一般稱為細菌病毒一

4、般稱為噬菌體（噬菌體（phage）噬菌體的類型噬菌體的類型根據噬菌體的生活周期可分為：根據噬菌體的生活周期可分為：（一）烈性噬菌體（一）烈性噬菌體（virulent phage）侵入宿主細胞后，利用宿主細胞內的物質進行自侵入宿主細胞后，利用宿主細胞內的物質進行自身遺傳物質和蛋白質的合成，組裝出子噬菌體，身遺傳物質和蛋白質的合成，組裝出子噬菌體，使宿主細胞裂解而釋放子噬菌體使宿主細胞裂解而釋放子噬菌體，這類噬菌體稱，這類噬菌體稱為烈性噬菌體。為烈性噬菌體。（二）溫和性噬菌體（二）溫和性噬菌體侵入后并不使細菌裂解，而是以原噬菌體或質粒侵入后并不使細菌裂解，而是以原噬菌體或質粒的形式存在的一類噬菌體

5、稱為溫和性噬菌體。的形式存在的一類噬菌體稱為溫和性噬菌體。某些噬菌體侵染細菌后，其某些噬菌體侵染細菌后，其dna整合到宿主染色整合到宿主染色體中，這種處于整合狀態(tài)的噬菌體稱為原噬菌體體中，這種處于整合狀態(tài)的噬菌體稱為原噬菌體四、細菌細胞結構的特點四、細菌細胞結構的特點無真正的細胞核。無真正的細胞核。只在菌體中央有一個遺傳物質集中區(qū)只在菌體中央有一個遺傳物質集中區(qū)核區(qū)，核區(qū)，無核膜和核仁，其功能與細胞核相當，由一個環(huán)無核膜和核仁，其功能與細胞核相當，由一個環(huán)狀狀dna分子高度纏繞而成，其中央部分是分子高度纏繞而成，其中央部分是rna與支架蛋白與支架蛋白，這樣的細胞核稱為，這樣的細胞核稱為擬核擬核

6、。缺乏線粒體、葉綠體等細胞器。缺乏線粒體、葉綠體等細胞器。五、細菌五、細菌dna與質粒與質粒細菌細菌dna一個很長的共價閉合環(huán)狀雙鏈分子（一個很長的共價閉合環(huán)狀雙鏈分子（dsdna），），通常以通常以超螺線體的形式存在于細菌體內。超螺線體的形式存在于細菌體內。dna分子無組蛋白與之結合，僅與一些分子無組蛋白與之結合，僅與一些堿性蛋白堿性蛋白結合。結合。細菌細菌dna中有一定比例（約中有一定比例（約1%）的堿基甲基化。）的堿基甲基化。質粒質粒細菌體內含有的一種染色體外小型環(huán)狀細菌體內含有的一種染色體外小型環(huán)狀dna。攜帶著決定細菌某些遺傳特性的基因，如抗藥、產毒、攜帶著決定細菌某些遺傳特性的基因

7、，如抗藥、產毒、致病、形成芽胞、產生色素或抗生素等的基因。致病、形成芽胞、產生色素或抗生素等的基因。能獨立于染色體存在和復制，還能在細胞間傳遞。能獨立于染色體存在和復制，還能在細胞間傳遞。附加體附加體有些質粒能整合到細菌染色體中，在染色體的控制下隨有些質粒能整合到細菌染色體中，在染色體的控制下隨染色體一起復制，這類質粒稱為附加體（染色體一起復制，這類質粒稱為附加體（episome）。）。 第二節(jié)第二節(jié) 噬菌體噬菌體(t2)的基因重組的基因重組噬菌體的突變：噬菌體的突變： 噬菌斑的形態(tài)噬菌斑的形態(tài) 宿主范圍宿主范圍（1）噬菌斑突變：）噬菌斑突變：t噬菌體的噬菌體的r-突變體（速溶）突變體（速溶）

8、 正常噬菌體，正常噬菌體，r+，產生的菌斑小而邊緣模糊產生的菌斑小而邊緣模糊 突變噬菌體，突變噬菌體，r-，產生的菌斑大兩倍而邊緣清晰產生的菌斑大兩倍而邊緣清晰（2）宿主范圍突變：）宿主范圍突變： t2噬菌體的噬菌體的h-突變體突變體 正常噬菌體，正常噬菌體，h+，只能以大腸桿菌只能以大腸桿菌b株株(ttor)為宿主為宿主 突變噬菌體，突變噬菌體，h-，能以能以b株和株和b/2株株(ttos)為宿主為宿主t2噬菌體的基因重組噬菌體的基因重組將兩種不同的將兩種不同的t2突變體進行雜交，對其雜交子代進突變體進行雜交，對其雜交子代進行重組分析行重組分析雜交方法：雜交方法：將將ttor和和ttos兩種

9、大腸桿菌細胞混合兩種大腸桿菌細胞混合同時接種高濃度的同時接種高濃度的t2噬菌體的噬菌體的h-r+和和h+r-兩種突變體，兩種突變體，保證絕大多數細菌都被一個以上噬菌體感染保證絕大多數細菌都被一個以上噬菌體感染兩種不同的噬菌體兩種不同的噬菌體dna可能在宿主細胞內進行重組，從可能在宿主細胞內進行重組，從而產生而產生非親本型子代非親本型子代h+r+和和h-r-。 親本型親本型 重組型重組型t2噬菌體的基因重組 h+r-h-r+ 接種在同時長有接種在同時長有b和和b/2 株的培養(yǎng)基上株的培養(yǎng)基上 h+r- h-r+ h+r+ h-r- 混濁，大混濁，大 透明，小透明，小 混濁，小混濁，小 透明，大透

10、明，大見教材見教材p199201。%100)(總噬菌斑數重組噬菌斑數重組值 rfh+r-h-r+培養(yǎng)所產生的四種噬菌斑培養(yǎng)所產生的四種噬菌斑 h+r- h-r- h+r+ h-r+第三節(jié)第三節(jié) 細菌的染色體作圖細菌的染色體作圖一、一、接合接合二、二、轉化轉化三、三、性導性導四、四、轉導轉導一個細菌細胞的dna與另一個細菌細胞的dnadna的交換重組的交換重組可以通過4種方式進行一、接合一、接合（一）接合現象的發(fā)現（一）接合現象的發(fā)現1946年，年，j.lederberg的大腸桿菌的大腸桿菌雜交試驗雜交試驗：材料：大腸桿菌材料：大腸桿菌(escherichia coli)k12菌株的兩個營養(yǎng)菌株

11、的兩個營養(yǎng)缺陷型品系：缺陷型品系：v菌株菌株a甲硫氨酸缺陷型甲硫氨酸缺陷型met-和生物素缺陷型和生物素缺陷型bio-；v菌株菌株b蘇氨酸缺陷型蘇氨酸缺陷型thr-和亮氨酸缺陷型和亮氨酸缺陷型leu-。方法：將方法：將a、b兩菌株混和，在基本培養(yǎng)基兩菌株混和，在基本培養(yǎng)基(固體固體)上涂布上涂布培養(yǎng)。培養(yǎng)。結果：平板上長出原養(yǎng)型菌落結果：平板上長出原養(yǎng)型菌落(+)。（二）接合的概念（二）接合的概念通過一系列的實驗，排除了該實驗結果是由通過一系列的實驗，排除了該實驗結果是由當時已知原因（回復突變、互養(yǎng)作用、轉化當時已知原因（回復突變、互養(yǎng)作用、轉化作用、雜合二倍體）所產生。作用、雜合二倍體）所產

12、生。接合接合(conjugation)：兩種菌株的細胞直接接觸后，遺傳物質從供體兩種菌株的細胞直接接觸后，遺傳物質從供體(donor)轉移到受體轉移到受體(receptor)的重組過程。的重組過程。 w.hayes的實驗（的實驗（1952）鏈霉素處理鏈霉素處理a菌菌 完全培養(yǎng)基培養(yǎng)一段時間完全培養(yǎng)基培養(yǎng)一段時間 洗滌離心洗滌離心 b菌菌 重組體未減少重組體未減少 基本培養(yǎng)基基本培養(yǎng)基鏈霉素處理鏈霉素處理b菌菌 完全培養(yǎng)基培養(yǎng)一段時間完全培養(yǎng)基培養(yǎng)一段時間 洗滌離心洗滌離心 a菌菌 無重組體產生無重組體產生 基本培養(yǎng)基基本培養(yǎng)基該實驗說明細菌接合過程中遺傳物質的轉移是單向的，即遺傳物質從a株轉移

13、到了b株。大腸桿菌的兩種類型大腸桿菌的兩種類型hayes(1952)研究表明：研究表明：大腸桿菌兩種不同菌株大腸桿菌兩種不同菌株(品系品系)接合過程中遺傳物接合過程中遺傳物質的轉移是單向的；質的轉移是單向的；從而認為大腸桿菌存在兩種類型：從而認為大腸桿菌存在兩種類型：雌性與雄性雌性與雄性，分別作為接合過程中遺傳物質的受體與供體。分別作為接合過程中遺傳物質的受體與供體。（二）二）f因子及其在雜交中的行為因子及其在雜交中的行為致育因子致育因子細菌染色體外的一個決定細菌細菌染色體外的一個決定細菌雄性雄性性別的共價環(huán)狀性別的共價環(huán)狀dna分子，稱為致育因子分子，稱為致育因子 (fertility fa

14、ctor)，又稱為又稱為f因子或因子或f質粒。質粒。供體菌（雄性菌）供體菌（雄性菌）含有含有f因子的細菌，因子的細菌，f因子游離于宿主染色體外，記為因子游離于宿主染色體外，記為f+。受體菌（雌性菌）受體菌（雌性菌）不含有不含有f因子的細菌，記為因子的細菌，記為f。hfr菌株菌株（高頻重組菌株）高頻重組菌株）指指f因子整合到宿主染色體中的菌株，其重組頻率比因子整合到宿主染色體中的菌株，其重組頻率比f+高高1000多倍。多倍。f因子在雜交中的行為因子在雜交中的行為f因子在宿主染色體上有許多特定的插入位點和方因子在宿主染色體上有許多特定的插入位點和方向向，整合頻率為每代整合頻率為每代10-510-7

15、。性傘毛形成結合橋，進而誘導性傘毛形成結合橋，進而誘導f因子上因子上trayz基表達，基表達，產生核酸內切酶，該酶在產生核酸內切酶，該酶在orit轉移起始點處一條單轉移起始點處一條單鏈上切開一個口，供體鏈上切開一個口，供體dna從從5末端開始向受體轉末端開始向受體轉移。移。接合過程接合過程（f+ f-）：）：細菌間接觸細菌間接觸接合管形成接合管形成單鏈斷裂單鏈斷裂單單鏈鏈dna從供體向受體轉移從供體向受體轉移環(huán)化環(huán)化（hfr f-）：）：細菌間接觸細菌間接觸接合管形成接合管形成單鏈斷裂單鏈斷裂單鏈單鏈dna從供體向受體轉移從供體向受體轉移dna雙鏈的形成（部分二雙鏈的形成（部分二倍體）倍體）

16、重組交換（奇偶次交換）。重組交換（奇偶次交換）。f因子在雜交中的行為因子在雜交中的行為接合過程接合過程（三）中斷雜交實驗作圖（三）中斷雜交實驗作圖中斷雜交實驗中斷雜交實驗1957年年e.wollman和和e.jacob設計完成設計完成將對鏈霉素敏感的將對鏈霉素敏感的hfr菌株與對鏈霉素有抗性的菌株與對鏈霉素有抗性的f-菌株混合培養(yǎng)，每隔一段時間間隔取樣，然后菌株混合培養(yǎng)，每隔一段時間間隔取樣，然后劇烈震蕩以中斷雜交，分開已經緊密接合的供體劇烈震蕩以中斷雜交，分開已經緊密接合的供體和受體雜交對。然后將震蕩后的培養(yǎng)物接種到含和受體雜交對。然后將震蕩后的培養(yǎng)物接種到含鏈霉素的完全培養(yǎng)基，殺死所有鏈霉

17、素的完全培養(yǎng)基，殺死所有hfr細菌，以選細菌，以選擇含有供體基因的抗鏈霉素受體細菌。對形成菌擇含有供體基因的抗鏈霉素受體細菌。對形成菌落的落的f-細胞用影印培養(yǎng)法測定基因型。細胞用影印培養(yǎng)法測定基因型。該方法主要根據基因轉移的先后次序，該方法主要根據基因轉移的先后次序，以時間為以時間為單位單位，求基因間的遺傳距離。，求基因間的遺傳距離。中斷雜交實驗作圖中斷雜交實驗作圖1分鐘分鐘20%的重組值的重組值二、轉化二、轉化轉化轉化(transformation)：指某些細菌指某些細菌(或其它生物或其它生物)能通過其細胞膜能通過其細胞膜攝取周圍介質中的攝取周圍介質中的dna片段片段，并將，并將此外源此外

18、源dna片段整合到自己染色體組中的過程。片段整合到自己染色體組中的過程。 （一）轉化的過程（一）轉化的過程 非感受態(tài)細胞非感受態(tài)細胞 外源外源dna被洗掉了被洗掉了轉化因子轉化因子 感受態(tài)細胞感受態(tài)細胞 外源外源dna仍與細胞結合仍與細胞結合 整合整合 吸收吸收整合整合供體單鏈供體單鏈dna進入受體細胞后與受體染色體的某一部分進入受體細胞后與受體染色體的某一部分聯會聯會，并進一步置換受體的對應染色體區(qū)段的過程。，并進一步置換受體的對應染色體區(qū)段的過程。吸附洗滌兩種核酸酶：兩種核酸酶：切為約切為約1414kbkb的片段的片段使外源使外源dnadna片段變?yōu)閱捂溒巫優(yōu)閱捂湥ǘ┺D化在細菌遺傳分析

19、中的應用（二）轉化在細菌遺傳分析中的應用雙轉化雙轉化供體一條供體一條dna片段上的兩個基因同時轉化的現象稱為雙片段上的兩個基因同時轉化的現象稱為雙轉化。轉化。應用：應用：兩個基因同時轉化的效率（連鎖或不連鎖）兩個基因同時轉化的效率（連鎖或不連鎖）基因定位（遺傳作圖）（枯草桿菌）基因定位（遺傳作圖）（枯草桿菌）雜交實驗：雜交實驗：trp2+his2+tyr1+ trp2- his2-tyr1-結果結果(轉化子類型轉化子類型): 基因座位基因座位 trp2 + - - - + + + his2 + + - + - - + tyr1 + + + - - + - 數目數目 11940 3660 685

20、 418 2600 107 1180 trp2+ his2+ tyr1+轉化轉化trp2- his2- tyr1- 實驗實驗 trp2 34 his2 13 tyr1三、性導三、性導概念概念（一）（一） f因子因子hfr菌株在切除菌株在切除f因子時發(fā)生錯誤切除，分離出一個攜帶因子時發(fā)生錯誤切除，分離出一個攜帶f因子和部分宿主染色體基因的遺傳因子，這種因子和部分宿主染色體基因的遺傳因子，這種帶有宿主帶有宿主染色體基因的染色體基因的f因子因子稱為稱為f因子因子。（二）性導（二）性導帶有帶有f因子因子的細菌在接合時，的細菌在接合時，由由f因子因子所攜帶的外所攜帶的外源源dna轉移到宿主細菌的染色體的

21、過程稱為性導。轉移到宿主細菌的染色體的過程稱為性導。（三）（三） f因子因子的特點的特點 f因子因子以以極高的比率極高的比率轉移轉移它攜帶的基因；如同它攜帶的基因；如同f+高效高效轉移轉移f因子一樣。因子一樣。 f因子因子有極高的自然整合率，有極高的自然整合率，而且而且整合在一定的基因整合在一定的基因座位上座位上，因有與細菌同源的染色體區(qū)段，不同于，因有與細菌同源的染色體區(qū)段，不同于f因子隨因子隨機插入。機插入。四、轉導四、轉導（一）概念（一）概念以噬菌體為媒介所進行的細菌遺傳物質重組的過程，稱以噬菌體為媒介所進行的細菌遺傳物質重組的過程，稱為轉導。為轉導。（二）轉導現象的發(fā)現（二）轉導現象的

22、發(fā)現lederberg及其研究生及其研究生zinder（1952）首先在鼠傷寒沙首先在鼠傷寒沙門氏菌中發(fā)現轉導現象。門氏菌中發(fā)現轉導現象。 la22 la2 phe- trp- met+his+ phe+trp+met-his-基本培養(yǎng)基培養(yǎng)基本培養(yǎng)基培養(yǎng)是否形成原養(yǎng)型的菌落：是否形成原養(yǎng)型的菌落： 否否 是是 否否單獨培養(yǎng)單獨培養(yǎng)混合培養(yǎng)（三）轉導的類型（三）轉導的類型普遍性轉導普遍性轉導在噬菌體感染的在噬菌體感染的末期末期，細菌染色體被斷裂成許多，細菌染色體被斷裂成許多小片段，在形成噬菌體顆粒時，少數噬菌體將細小片段，在形成噬菌體顆粒時，少數噬菌體將細菌的菌的dna誤認為是它們自己的誤認為是它們自己的dna，并包裹進并包裹進其蛋白質衣殼內，從而形成其蛋白質衣殼內，從而形成轉導噬菌體轉導噬菌體，該噬菌，該噬菌體再去感染其他宿主時，就將所攜帶的細菌染色體再去感染其他宿主時，就將所攜帶的細菌染色體片段帶入受體菌中，形成部