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1、第八章细菌和病毒的遗传学分析一、细菌和病毒在遗传研究中的优越性 1.世代周期短，繁殖世代所需时间短；2.便于管理和进行化学分析3.便于研究基因的突变4.便于研究基因的作用5.便于重组基因的研究6.便于研究基因的结构、功能及调控机制7.便于进行遗传操作 一、接合 二、转化 三、性导 四、转导一、细菌的接合现象(一)、接合现象的发现和证实(二)、F因子及其在杂交中的行为(三)、中断杂交试验作图在原核生物中，接合是指遗传物质从供体“雄性”转移到受体“雌性”的过程。(一)、接合现象的发现和证实1946年，黎德伯格和塔特姆大肠杆菌杂交试验：材料：大肠杆菌(Escherichia coli)K12菌株的两
2、个营养缺陷型品系：A甲硫氨酸缺陷型met-和生物素缺陷型bio-；B苏氨酸缺陷型thr-和亮氨酸缺陷型leu-。方法：将A、B混和，在基本培养基(固体)上涂布培养。结果：平板上长出原养型菌落(+)。黎德伯格和塔特姆接合试验转化作用及其排除把品系A的培养液经加热灭菌，加入到B品系的培养物中，未得到原养型菌落；表明原养型菌落可能不是由转化作用产生。1950年，戴维斯的U型管试验(结果没有得到原养型细菌)；实验结论：细胞直接接触是原养型细菌产生的必要条件。接合现象的发现和证实 经过上述分析可以认为：在黎德伯格和塔特姆的试验中，发生了一种不同于转化的遗传重组方式，称之为接合。1953年，海斯研究表明：
3、大肠杆菌两种不同菌株(品系)接合过程中遗传物质的转移是单向的；从而认为大肠杆菌存在两种类型品系：雌性与雄性分别作为接合过程中遗传物质的供体与受体。接合：遗传物质从供体(donor)转移到受体(receptor)的重组过程。杂交时的贡献 海斯发现，两个菌株在杂交时贡献不一样 A(strr)与B(strs)A(strs)与B(strr)在不含str的基本培养基上都能得到菌落 但在含str的基本培养基上，只有A(strs)与B(strr)能得到菌落，说明遗传物质是单向转移的过程(二)、F因子及其在杂交中的行为1.F因子：海斯等进一步研究发现，大肠杆菌在接合中作供体的能力受细胞内一种致育因子(fert
4、ility factor,F因子;sex factor,性因子)控制。F因子的化学本质是DNA，可以自主状态存在于细胞质中或整合到细菌的染色体上。F因子可以在细菌细胞间进行转移并传递遗传物质。F 因子：又称致育因子，由共价环状闭合双链DNA构成，全长94.5Kb，约为大肠杆菌环状染色体的2%，以游离状态存在与细胞质中。携带携带F F因子的菌株称为供体菌或雄性，因子的菌株称为供体菌或雄性，用用F F表示表示。未携带未携带F F因子的菌株为受体菌或雌性，因子的菌株为受体菌或雌性，用用F F表示表示。F因子的结构 F与与F菌菌（1）有）有F因子的细菌称为因子的细菌称为F，细菌增殖时可把，细菌增殖时可
5、把F 因子传递给后代细胞（通过自主复制）。因子传递给后代细胞（通过自主复制）。（2）没有）没有F因子的细菌称为因子的细菌称为F，F细菌经吖啶细菌经吖啶 橙处理而丢失，成为橙处理而丢失，成为F。F因子一经丢失，因子一经丢失，细胞中便不再出现；细胞中便不再出现；（3）F可以和可以和F杂交，而不能和杂交，而不能和F杂交；杂交；（4）F菌与菌与F菌混合（即菌混合（即FF）1小时后，约小时后，约95%的的F菌转变为菌转变为F菌，而原来的菌，而原来的F仍然保留有仍然保留有F因子。而且，可以因子。而且，可以107频率获得重组体后代。频率获得重组体后代。（1）滚环复制；（）滚环复制；（2）随机中断；（）随机中
6、断；（3）F因子的致因子的致育区（转移区）在最末端，因而很难转移到育区（转移区）在最末端，因而很难转移到F。1951年年Cavalli发现：用氮芥处理发现：用氮芥处理F,然后将处理然后将处理后的后的F与与F杂交，产生高频率的重组子（杂交，产生高频率的重组子（104）。）。1954年年，海斯海斯 也分离了也分离了Hfr品系，发现：品系，发现：u(1)Hfr使重组能力增强，但无传递使重组能力增强，但无传递F因子的能力，因子的能力，Hfr F 时，时，F 菌很少变成菌很少变成F菌。菌。u(2)Hfr只能将供体基因组的一部分传给受体。只能将供体基因组的一部分传给受体。海斯的解释：海斯的解释：HfrHf
7、r的的F F因子发生了永久性改变。因子发生了永久性改变。F与与Hfr比较比较相同点相同点1、都能和、都能和F 产生杂交后代产生杂交后代2、杂交时都是通过接合管与受体相连、杂交时都是通过接合管与受体相连3、用高剂量链霉素处理后不影响杂交，说明他们、用高剂量链霉素处理后不影响杂交，说明他们都是作为供体都是作为供体不同点不同点1、重组率不同，、重组率不同，F（107），），Hfr（10 2）2、Hfr F F ，F F F 细菌遗传重组的特点 1、只有偶数次的交换才能保持细菌染色体的完整性，产生有活性的重组子 2、偶数次的交换的得到的重组子只有一种类型，相反重组子是一个线状片段，不能复制，随着细胞分
8、裂而丢失50年代，年代，Jacob F.和和Wollman E.设计了中断杂交设计了中断杂交试验，证明试验，证明接合时遗传物质从供体细胞向受体细胞接合时遗传物质从供体细胞向受体细胞的转移是直线式进行的的转移是直线式进行的。他们把他们把Hfr菌株与菌株与F-菌株混合在一起进行杂交菌株混合在一起进行杂交:Hfr菌株菌株：thr+leu+strs azir tonr lac+gal+F-菌株菌株：thr-leu-strr azis tons lac-gal-str代表链霉素，代表链霉素，s代表敏感性，代表敏感性，r代表抗性，代表抗性，+代表代表原养型，原养型，-代表缺陷型。代表缺陷型。每隔一定时间取
9、样，把菌液每隔一定时间取样，把菌液放在食物搅拌器内搅拌，以放在食物搅拌器内搅拌，以中断杂交中断杂交 经过稀释，经过稀释，接种到含有链霉素的完全培接种到含有链霉素的完全培养基上，这样将杀死所有养基上，这样将杀死所有Hfr细胞细胞 对形成菌落的对形成菌落的F-细胞用影印培养法测试其细胞用影印培养法测试其基因型，以确定每个基因转基因型，以确定每个基因转移到移到F-细胞的时间。细胞的时间。重组体中各标志基因进入重组体中各标志基因进入F-细胞中时间不同，达到细胞中时间不同，达到最高水平的时间也不同；最高水平的时间也不同；随时间的推迟，某个基因随时间的推迟，某个基因的重组率增加；到一定程的重组率增加；到一
10、定程度后，重组率不再增加。度后，重组率不再增加。某一基因出现得越早，它某一基因出现得越早，它所达到的百分数也越高。所达到的百分数也越高。例如，例如，azir出现最早，在出现最早，在24分钟时就达到了约分钟时就达到了约90%的的频率；频率；gal+出现最迟，即出现最迟，即使在混合使在混合60分钟时取样，分钟时取样，也只有也只有30%的菌落属于半的菌落属于半乳糖利用型。乳糖利用型。可用基因出现的时间为指标可用基因出现的时间为指标，作出作出E.coli的遗传连锁图，距离的遗传连锁图，距离的单位为的单位为分钟分钟。用时间单位法测得这两个基因间的距离是用时间单位法测得这两个基因间的距离是1分钟。大致上，
11、分钟。大致上，1个个时间单位（时间单位（1分钟）相当于分钟）相当于20重组值。重组值。大肠杆菌染色体全长约大肠杆菌染色体全长约100 min，含，含4 106 核苷酸对，所以总核苷酸对，所以总图距相当于图距相当于2 000 cM，故，故1 cM 2 000 bp。这种接合重组作图在短距离内是有效的，如相距这种接合重组作图在短距离内是有效的，如相距2 min以上的以上的就有可能表现不连锁。同时这种接合重组不产生交互重组类型，就有可能表现不连锁。同时这种接合重组不产生交互重组类型，所以用这种方法得出的图距和减数分裂生物中所确定的图距不所以用这种方法得出的图距和减数分裂生物中所确定的图距不同。同。转
12、化：转化：指细菌细胞膜摄取周围游离的外援指细菌细胞膜摄取周围游离的外援DNA片段，片段，通过同源区段的交换而实现基因重组的过程。通过同源区段的交换而实现基因重组的过程。是是细菌细胞之间遗传物质转移和重组的重要方式之细菌细胞之间遗传物质转移和重组的重要方式之一。一。条件：条件：1、受体细胞的生理状态、受体细胞的生理状态2、外源、外源DNA大小形态大小形态3、外源、外源DNA片段与受体片段与受体DNA的重组程度的重组程度二、转化二、转化（二）、转化的过程（二）、转化的过程1 1、供体、供体DNADNA与受体与受体DNADNA结合结合2 2、DNADNA的穿入和摄取的穿入和摄取3 3、通源重组、通源
13、重组4 4、重组子的类型（两种）、重组子的类型（两种）（重组型和亲本型）（重组型和亲本型）（三）、共转化（三）、共转化 例：例：Lederberg J.等用枯草杆菌进行转化和重组试验等用枯草杆菌进行转化和重组试验紧密连锁的两个基因紧密连锁的两个基因有较多的机会包括在同一个有较多的机会包括在同一个DNADNA片段中，片段中，并同时整合到受体染色体中（即并同时整合到受体染色体中（即共转化共转化）。trp2 his2 tyr1 三者并发转化的频率最高，故这三个基因是连锁的，其中三者并发转化的频率最高，故这三个基因是连锁的，其中his2his2和和tyr1tyr1连锁紧密：连锁紧密：转化的供体片段与受
14、体染色体转化的供体片段与受体染色体形成形成部分二倍体部分二倍体，单，单交换时，染色体开环易降解，故不存在单交换类型；交换时，染色体开环易降解，故不存在单交换类型；只只有双交换和偶数的多交换才有效。有双交换和偶数的多交换才有效。三、性导 性导：是指接合时由F因子所携带的外源DNA转移到细菌染色体的过程。F因子整合到宿主细菌染色体的过程是可逆的，当发生环出时，F因子又重新离开染色体。然而F因子偶然在环出时不够准确，它携带有染色体的一些基因。阿代尔伯格和伯恩斯)称这种F因子为F因子。性导与F因子 性导在大肠杆菌的遗传学研究中十分有用。第一，不同的F因子带有不同的细菌DNA 片段，利用不同的F的性导可
15、以测定不同基因在一起转移的频率。其次，观察由性导形成的杂合部分二倍体中某一性状的表现，可以确定这一性状的等位基因的显隐关系。第三，性导形成的部分二倍体也可用作互补测验，确定两个突变型是同属于一个基因还是不同基因。噬菌体的遗传分析 1、增殖（1）烈性噬菌体：这种噬菌体感染宿主细胞后就会进入裂解反应，使宿主细胞裂解（2）温和噬菌体：这种噬菌体感染宿主细胞后具有裂解和溶源两种发育途径（3）原噬菌体：整合状态的噬菌体（4）溶源菌：含有原噬菌体 2、基因重组（1）双重感染：两个基因型不同的噬菌体，同时感染一个宿主细胞的现象转导：转导：是以噬菌体为媒介进行细菌遗传物质重组的是以噬菌体为媒介进行细菌遗传物质
16、重组的过程过程，是细菌遗传物质传递和交换方式之一。，是细菌遗传物质传递和交换方式之一。特点：特点：以噬菌体为媒介以噬菌体为媒介 细菌的一段染色体被错误地包装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在噬菌体的蛋白质外壳内 通过感染转移到另一个通过感染转移到另一个受体细胞内。受体细胞内。感染细菌的能力决定于噬菌体的蛋白质感染细菌的能力决定于噬菌体的蛋白质外壳。外壳。四、转导四、转导1、普通性转导、普通性转导）可以转导细菌基因组的任何部分的转导。可以转导细菌基因组的任何部分的转导。转导颗粒（转导噬菌体）：转导颗粒（转导噬菌体）：把细菌染色体片段包装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。不包含噬菌体的遗传物质。其产生的频率非常低，其产生的频率非常低，为为0.3%左右，任一基因的转导频率约为左右，任一基因的转导频率约为310-5。由。由于噬菌体外壳蛋白决定噬菌体附着细胞表面的能力，于噬菌体外壳蛋白决定噬菌体附着细胞表面的能力，因此，这种噬菌体颗粒仍然具有侵染性。因此，这种噬菌体颗粒仍然具有侵染
