细菌和病毒的遗传.pptx

第七章第七章 细菌和病毒的遗传细菌和病毒的遗传第一节第一节 细菌和病毒的结构细菌和病毒的结构第二节第二节 细菌的遗传分析细菌的遗传分析第三节第三节 噬菌体的遗传分析噬菌体的遗传分析 第一节第一节 细菌和病毒的结构细菌和病毒的结构 细菌和病毒的结构及其遗传特点，使它们成为遗传学研究的好材料。转化试验、一个基因一种酶假说、基因的精细结构、基因表达的调控、基因工程等遗传学的重大发现和技术发展都与细菌和病毒有关。一、细菌的结构一、细菌的结构单细胞单细胞生物，大小不一，一般长生物，大小不一，一般长1-2m，宽，宽0.5m，为一层或多层膜或，为一层或多层膜或细胞壁所包围。部分细菌还有某些特殊的结构，如鞭毛、伞毛、荚膜等。细胞壁所包围。部分细菌还有某些特殊的结构，如鞭毛、伞毛、荚膜等。细菌的细胞核没有核膜，其中的染色体是一个很长的共价细菌的细胞核没有核膜，其中的染色体是一个很长的共价闭合环状双链闭合环状双链DNA分子分子，长度从，长度从250-3500m不等，一般不与蛋白质结合。不等，一般不与蛋白质结合。多数细菌细胞在细胞核外还有一个或多个能自主复制的小型环状多数细菌细胞在细胞核外还有一个或多个能自主复制的小型环状DNA。这些这些DNA分子对细菌的生长并非必需，但可赋予细菌某些特性，如抗药分子对细菌的生长并非必需，但可赋予细菌某些特性，如抗药性、抗盐性、抗噬菌体侵染等。这些小分子性、抗盐性、抗噬菌体侵染等。这些小分子DNA称为称为质粒质粒（plasmid）。）。细菌能在成分十分简单的培养基上生长，这种培养基叫细菌能在成分十分简单的培养基上生长，这种培养基叫基本培养基基本培养基。细。细菌在这种培养基上能合成生长所必须的各种有机物。单一细胞经过分裂菌在这种培养基上能合成生长所必须的各种有机物。单一细胞经过分裂而增殖，大致而增殖，大致20分钟繁殖一代，逐渐形成肉眼可见的菌落。分钟繁殖一代，逐渐形成肉眼可见的菌落。二、病毒的结构二、病毒的结构病毒为病毒为非细胞结构非细胞结构，没有自身的代谢机能，不能独立地生长和繁殖，必，没有自身的代谢机能，不能独立地生长和繁殖，必须寄生在活细胞中，利用活细胞的营养物质合成新的病毒后代。繁殖迅须寄生在活细胞中，利用活细胞的营养物质合成新的病毒后代。繁殖迅速，每小时可增殖百倍。速，每小时可增殖百倍。病毒个体微小，形态多样，病毒个体微小，形态多样，结构简单结构简单，仅含一种核酸（，仅含一种核酸（DNA或或RNA）和）和一个蛋白质外壳。依其遗传物质的性质，可以分一个蛋白质外壳。依其遗传物质的性质，可以分单链单链DNA、单链、单链RNA、双链双链DNA和双链和双链RNA病毒病毒等四种类型。按照它们所感染的细胞类型可分等四种类型。按照它们所感染的细胞类型可分为为感染细菌、真菌及藻类的菌类病毒感染细菌、真菌及藻类的菌类病毒，以及感染动植物的，以及感染动植物的动物病毒和植动物病毒和植物病毒物病毒。遗传学研究中应用最广泛的是感染细菌的病毒，又称为遗传学研究中应用最广泛的是感染细菌的病毒，又称为噬菌体噬菌体(bacteriophage)。依其与宿主细胞的相互关系，可以分为。依其与宿主细胞的相互关系，可以分为烈性噬菌体烈性噬菌体(virulent phage)和和温和噬菌体温和噬菌体(temperate phage)两大类型。两大类型。1世代周期短：世代周期短：大肠杆菌大肠杆菌(E.Coli)20分钟可繁殖一代分钟可繁殖一代。2 2便于管理和生化分析：便于管理和生化分析：个体小，一般在个体小，一般在1m1m至几至几mm之间之间(1m=1/1000mm)(1m=1/1000mm)，操作，操作管理方便。管理方便。3便于研究基因突变：便于研究基因突变：裸露的裸露的DNA分子分子(有的病毒为有的病毒为RNA分子分子)，易受环境条件，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，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。突变均能表现出来。三、细菌和病毒在遗传学研究的优越性三、细菌和病毒在遗传学研究的优越性 4 4便于研究基因的作用：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。研究基因的作用。5 5便于基因重组研究：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精密的遗传学分析6.6.便于研究基因结构、功能及调控机制：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。入的研究。7.7.便于进行遗传操作：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。进行遗传工程的操作。四、细菌和病毒的研究方法四、细菌和病毒的研究方法1 1单细胞分离单细胞分离 菌菌 液液 稀稀 释释 涂涂布布在在固固体体培培基基单单个个细细胞胞分分离离形形成成肉肉眼可见菌落。眼可见菌落。细菌的研究方法：细菌的研究方法：2 2影印法测定变异影印法测定变异 采用影印法测定细菌是否发生变异以及发生何种变异。采用影印法测定细菌是否发生变异以及发生何种变异。细菌变异主要有细菌变异主要有形态特征形态特征变异和变异和生理特性生理特性变异。变异。形态特征变异：形态特征变异：菌落大小、形状、颜色菌落大小、形状、颜色 生理特性变异：生理特性变异：（1）营养缺陷型：丧失合成某种营养物质的能力，在基本培）营养缺陷型：丧失合成某种营养物质的能力，在基本培养基上不能生长。养基上不能生长。原养型（野生型）：能够在基本培养基上生长。原养型（野生型）：能够在基本培养基上生长。（2）抗性突变：抗药性和抗感染型。）抗性突变：抗药性和抗感染型。细菌的影印培养方法（Lederberg,1952）病毒的研究方法：病毒的研究方法：1.获得变异获得变异 亚硝酸、羟胺、乙基黄酸乙酯（亚硝酸、羟胺、乙基黄酸乙酯（EESEES）等化学药剂诱导发）等化学药剂诱导发生变异。生变异。常见变异：常见变异：寄主范围变异：野生型（寄主范围变异：野生型（h h）：感染）：感染B B菌株，产生半透明菌株，产生半透明斑；突变型（斑；突变型（h h）：感染）：感染B B和和B/2B/2菌株，产生透明斑。菌株，产生透明斑。噬菌斑突变：野生型（噬菌斑突变：野生型（r r）：产生正常斑，小而边缘模）：产生正常斑，小而边缘模糊；突变型（糊；突变型（r r）：产生突变斑，大而边缘清晰。）：产生突变斑，大而边缘清晰。所以：所以：h h+r r感染感染B B菌株产生半透明大斑；菌株产生半透明大斑；hrhr+感染感染B B和和B/2B/2菌菌株，产生透明小斑。株，产生透明小斑。2杂交试验杂交试验 双重感染分析子代噬菌体中重组型的频率。双重感染分析子代噬菌体中重组型的频率。1.转化转化（transformation）：裸露的非病毒的）：裸露的非病毒的DNA导入细菌导入细菌细胞的过程。细胞的过程。2.转染转染（transfection）：裸露的病毒（噬菌体）：裸露的病毒（噬菌体）DNA导入导入细菌的过程。是一种特殊的转化形式。细菌的过程。是一种特殊的转化形式。3.转导转导（transduction）：以噬菌体为媒介将细菌的）：以噬菌体为媒介将细菌的DNA从从供体菌转移到受体菌的过程。供体菌转移到受体菌的过程。4.接合接合（conjugation）：细菌通过细胞之间的直接接触的）：细菌通过细胞之间的直接接触的方式传递遗传物质的过程。方式传递遗传物质的过程。一、细菌遗传物质的转移形式一、细菌遗传物质的转移形式第二节第二节 细菌的遗传分析细菌的遗传分析通过接合作用，部分供体基因组DNA转移到受体菌中通过接合作用，质粒转移到受体菌中1.单方向转移单方向转移2.都产生部分二倍体都产生部分二倍体3.转入的基因只有整合到环状染色体上才能稳定遗传转入的基因只有整合到环状染色体上才能稳定遗传二、细菌遗传物质转移的共同特点二、细菌遗传物质转移的共同特点三、细菌的转化（三、细菌的转化（transformation）1.转化的发现转化的发现 1928年年F.Griffith首先发现。首先发现。1944年年O.Avery研究小组证研究小组证实引起转化的因子是细菌的实引起转化的因子是细菌的DNA。转化转化(transformation)：细菌细胞通过其细胞膜摄取周细菌细胞通过其细胞膜摄取周围供体围供体DNA片段，并通过重组整合到自己染色体中的过程。片段，并通过重组整合到自己染色体中的过程。2.转化的类型转化的类型（1）自然转化（）自然转化（natural transformation）细菌可以自由吸收细菌可以自由吸收DNA，并转化。如：枯草杆，并转化。如：枯草杆菌的转化。菌的转化。（2）工程转化（）工程转化（engineered transformation）人工转化人工转化(artificial transformation)细菌发生改变细菌发生改变(感受态细胞的制备感受态细胞的制备)，使其能摄入，使其能摄入外源外源DNA，并转化。如：大肠杆菌的转化。，并转化。如：大肠杆菌的转化。3.转化的过程转化的过程（1）外源）外源DNA与受体细菌细胞的结合与受体细菌细胞的结合 影响因素：影响因素：供体供体DNA片段大小：片段大小：不同细菌要求转化的片段大小不同。肺炎双球菌要求不同细菌要求转化的片段大小不同。肺炎双球菌要求800核苷酸对以上；枯草杆菌要求核苷酸对以上；枯草杆菌要求1600核苷酸对以上；大肠杆菌转化核苷酸对以上；大肠杆菌转化DNA片段片段长度为长度为10000-20000bp（占（占E.coli染色体的染色体的1/200）。）。供体供体DNA片段形态：片段形态：供体供体DNA必需是双链。必需是双链。供体供体DNA片段浓度：片段浓度：供体供体DNA片段数目越多越容易发生转化，但不同细菌只片段数目越多越容易发生转化，但不同细菌只能与特定数量能与特定数量DNA片段结合。取决于细胞上接受座位数。片段结合。取决于细胞上接受座位数。一个一个细菌表面大约有细菌表面大约有50个吸附位点。个吸附位点。受体细胞生理状态：受体细胞生理状态：感受状态细胞（感受状态细胞（DNA合成刚结束，蛋白质合成仍在进行合成刚结束，蛋白质合成仍在进行时的细胞）才能发生转化。感受态的出现主要受一类小分子蛋白质（感受态因时的细胞）才能发生转化。感受态的出现主要受一类小分子蛋白质（感受态因子）影响，感受态因子可以使细胞出现感受态，并能从感受态细菌传递到非感子）影响，感受态因子可以使细胞出现感受态，并能从感受态细菌传递到非感受态细菌，使其出现感受态。一般认为感受态出现在细菌对数生长后期。高受态细菌，使其出现感受态。一般认为感受态出现在细菌对数生长后期。高Ca2+、温度以及电激处理等，也能够改变膜对、温度以及电激处理等，也能够改变膜对DNA的通透性，从而诱导或加强的通透性，从而诱导或加强感受态。感受态。b）DNA通过细胞壁和细胞膜是一个通过细胞壁和细胞膜是一个主动运输主动运输过程，过程，需要膜上的转运分子，并消耗能量。需要膜上的转运分子，并消耗能量。（2）DNA的穿入的穿入a）在细胞膜上核酸外切酶的作用下，将吸附双链）在细胞膜上核酸外切酶的作用下，将吸附双链DNADNA中的一条链降解，另一条单链则利用降解后释中的一条链降解，另一条单链则利用降解后释放的能量，穿入受体细胞内。放的能量，穿入受体细胞内。外源DNA穿入受体细胞示意图单链DNA细胞膜供体DNADNA结合复合蛋白体能量核酸外切酶细胞壁（3）联会）联会(synapsis)，与外源，与外源DNA片段的整合片段的整合 联会联会：外源单链：外源单链DNA与与受体细菌染色体受体细菌染色体DNA的同源区段发生联会的同源区段发生联会，形成部，形成部分二倍体。分二倍体。部分二倍体部分二倍体：细菌拟有性生殖过程中，外源：细菌拟有性生殖过程中，外源DNA与受体与受体DNA同源区段联同源区段联会，使受体细胞部分会，使受体细胞部分DNA形成二倍体。形成二倍体。供体外基因子供体外基因子：部分二倍体中的外源：部分二倍体中的外源DNA。受体内基因子受体内基因子：部分二倍体中受体细胞的：部分二倍体中受体细胞的DNA。整合（重组）整合（重组）：部分二倍体发生交换，将外源：部分二倍体发生交换，将外源DNA置换到受体染色体中。置换到受体染色体中。部分二倍体发生交换只部分二倍体发生交换只有偶数（双交换、四交有偶数（双交换、四交换）交换才有意义，既换）交换才有意义，既不破坏受体不破坏受体DNADNA的环状结的环状结构，又将外源构，又将外源DNADNA置换到置换到受体染色体中。而奇数受体染色体中。而奇数交换将受体环状交换将受体环状DNADNA打开打开成线性成线性DNADNA，重组转化子，重组转化子不能成活。不能成活。经过一次染色体复制和细胞分裂，形成一个转化了的经过一次染色体复制和细胞分裂，形成一个转化了的细胞和一个未被转化的细胞。细胞和一个未被转化的细胞。（4）转化细胞的形成）转化细胞的形成细菌转化的过程细菌转化的过程整合整合外源外源DNA结结合在受体位点合在受体位点DNA穿入穿入感受态细胞感受态细胞联会联会形成转形成转化细胞化细胞4.4.转化作图转化作图 DNA DNA是以小片段的形式进入受体的，所以距离很远的两个基是以小片段的形式进入受体的，所以距离很远的两个基因很难同时存在于一个片段中同时转化，除非分别包括这两个基因很难同时存在于一个片段中同时转化，除非分别包括这两个基因的两个片段同时进入受体。两个片段同时转化的概率应为它们因的两个片段同时进入受体。两个片段同时转化的概率应为它们单独转化的概率的乘积。但是当两个基因紧密连锁时，它们就有单独转化的概率的乘积。但是当两个基因紧密连锁时，它们就有较多的机会包括在同一个较多的机会包括在同一个DNADNA片段中，并同时整合到受体染色体片段中，并同时整合到受体染色体中，因此，紧密连锁的基因可以通过转化进行作图。中，因此，紧密连锁的基因可以通过转化进行作图。通过转化实通过转化实验，利用转化发生的重组计算它们之间的重组率，将细菌的不同验，利用转化发生的重组计算它们之间的重组率，将细菌的不同基因定位在它的染色体基因定位在它的染色体DNADNA上，构成它的遗传图谱。上，构成它的遗传图谱。用用一一野野生生型型细细菌菌菌菌株株提提取取出出来来的的DNADNA转转化化一一个个不不能能合合成成丙丙氨氨酸酸（alaala）、脯脯氨氨酸酸（propro）、精精氨氨酸酸（argarg）的的突突变菌株，获得下列结果：变菌株，获得下列结果：alaala+pro pro+arg arg+8400 8400 ala ala+pro pro argarg+2100 2100 ala ala+pro pro argarg 840840 ala ala+pro pro+argarg 420420 ala ala propro+arg arg+14001400 ala ala propro argarg+840840 ala ala propro+argarg 840840 任意两基因发生共同转化的前提下：任意两基因发生共同转化的前提下：alaala-propro：亲型转化子：亲型转化子：alaala+propro+重组型转化子：重组型转化子：alaala+propro-ala ala-propro+ala-argala-arg：亲型转化子：亲型转化子：alaala+argarg+重组型转化子：重组型转化子：alaala+argarg-ala ala-argarg+pro-argpro-arg：亲型转化子：亲型转化子：propro+argarg+重组型转化子：重组型转化子：propro+argarg-pro pro-argarg+arg+arg-arg+arg-arg+arg-arg+arg-arg+arg-arg+arg-arg+arg-arg+arg-arg+arg-重组率重组型转化子重组率重组型转化子/转化子总数转化子总数100100 alaalapropro间的重组率间的重组率(2100+840+1400+840)/(2100+840+1400+840+8400+420)(2100+840+1400+840)/(2100+840+1400+840+8400+420)3737 alaalaargarg间的重组率间的重组率(840+420+1400+840)/(840+420+1400+840+8400+2100)(840+420+1400+840)/(840+420+1400+840+8400+2100)2525 proproargarg间的重组率间的重组率(2100+420+840+840)/(2100+420+840+840+8400+1400)(2100+420+840+840)/(2100+420+840+840+8400+1400)30%30%所以，三基因间的距离和顺序为：所以，三基因间的距离和顺序为：ala25arg30proala25arg30pro 四、细菌的接合四、细菌的接合（conjugation）E.coli接合的发现接合的发现 1946年年Joshua Lederberg（黎德（黎德伯格）和伯格）和Edward Tatum发现了细菌之发现了细菌之间通过直接接触传递遗传信息。间通过直接接触传递遗传信息。Lederberg由于研究细菌的重组而获得由于研究细菌的重组而获得1958年年Nobel Medicine or physiology Prize。Tatum和和G.W.Beable提出的提出的“一个基因一个酶一个基因一个酶”也在也在此奖中。此奖中。1.Lederberg-Tatum实验实验 Lederberg发明的用基本培养基（发明的用基本培养基（minimal medium）筛选原养型）筛选原养型（prototroph）方法。）方法。对照（对照（control）实验解释实验解释：基因突变；基因突变；营养物质互补；营养物质互补；遗遗传物质重组？传物质重组？u对实验结果的解释对实验结果的解释Lederberg和和Tatum从概率上和对照实验上排除从概率上和对照实验上排除了细菌发生恢复突变的可能性：了细菌发生恢复突变的可能性：a）单一性状恢复突变率是）单一性状恢复突变率是10-7，双性状恢复突变的概，双性状恢复突变的概率是率是10-14。结论：结论：在在A菌株与菌株与B菌株之间发生了菌株之间发生了遗传物质的交换遗传物质的交换。营养物质互补：营养物质互补：营养缺陷型细菌通过培养交换营养物质，营养缺陷型细菌通过培养交换营养物质，相互补充了对方的不足而得以在基本培养基上生长。相互补充了对方的不足而得以在基本培养基上生长。b）对照培养的）对照培养的A、B菌株都没有生长出菌落。菌株都没有生长出菌落。u对对Lederberg-Tatum实验解释的质疑实验解释的质疑 （1）实验获得的原养型重组菌可能是转化的结果。）实验获得的原养型重组菌可能是转化的结果。（2）营养物质的互补：培养基中含有某些代谢产物，）营养物质的互补：培养基中含有某些代谢产物，混合后互相补充了对方的缺陷而得以生长。混合后互相补充了对方的缺陷而得以生长。uLederberg和和Tatum的补充试验的补充试验A（或（或B）菌株菌株基本培养基中培养基本培养基中培养细菌滤器过滤细菌滤器过滤滤液滤液B（或（或A）菌株菌株基本培养基中培养基本培养基中培养不能生长不能生长Bernard DavisBernard Davis实验的支持实验的支持实验的支持实验的支持:是遗传重组，而不是营养是遗传重组，而不是营养物质互补，但需要亲本细物质互补，但需要亲本细胞的接触胞的接触。uHayes（海斯）实验（海斯）实验strain A链霉素处理链霉素处理strain Bstrain A在基本培养基中有菌落在基本培养基中有菌落接合接合：指两菌体细胞的直接接触，遗传物质从一个菌体转移：指两菌体细胞的直接接触，遗传物质从一个菌体转移到另外一个菌体，并导致遗传重组的过程。到另外一个菌体，并导致遗传重组的过程。2.接合接合 1952年年Hayes用链霉素处理菌株用链霉素处理菌株A，然后和菌株，然后和菌株B杂交，有杂交，有遗传重组发生，反之，则无重组的产生，说明遗传重组发生，反之，则无重组的产生，说明细菌遗传物质细菌遗传物质的交换不是交互的，而是单向的的交换不是交互的，而是单向的-F因子因子u实验推论实验推论strain B链霉素处理链霉素处理strain Astrain B在基本培养基中没有菌落在基本培养基中没有菌落链霉素只阻止细菌分裂，但允许接触杂交。链霉素只阻止细菌分裂，但允许接触杂交。供体：供体：strain A虽然被阻止分裂，但仍然能完成虽然被阻止分裂，但仍然能完成杂交（给出杂交（给出DNA），结果产生分裂形成的），结果产生分裂形成的原养型菌落。原养型菌落。结论结论:strain B 被阻止分裂，也能完成杂交（接收被阻止分裂，也能完成杂交（接收DNA），），但不能分裂形成原养型菌落。但不能分裂形成原养型菌落。受体：受体：两个菌株在杂交过程中的作用不是交互的，而是单向的，两个菌株在杂交过程中的作用不是交互的，而是单向的，DNA只能从供体转移到受体。只能从供体转移到受体。uHayes等对等对“雄性雄性”细菌和细菌和“雌性雌性”细菌的细菌的解释解释（1）供体（）供体（donor）菌株：）菌株：（2）受体（）受体（recipient）菌株：）菌株：“雄性雄性”菌株：细胞内含有一种致育因子（菌株：细胞内含有一种致育因子（fertility factor），表示为），表示为F+。“雌性雌性”菌株：缺乏菌株：缺乏F因子，表示为因子，表示为F-。从逻辑上预言了从逻辑上预言了F因子（因子（F factor）的存在。）的存在。uF因子的实质因子的实质F factor：是一种是一种质粒质粒，有独立自主复制和能够转移到其，有独立自主复制和能够转移到其它细胞中去的能力。是一种共价闭合环状它细胞中去的能力。是一种共价闭合环状DNA，全长，全长94.5kb。质粒质粒（plasmidplasmid）：存在于细菌染色体以外的）：存在于细菌染色体以外的DNADNA。对细菌。对细菌的生存并非必须，但能给细菌带来一些额外的功能（如抗菌素的生存并非必须，但能给细菌带来一些额外的功能（如抗菌素抗性等）。抗性等）。F因子的结构因子的结构大肠杆菌的接合大肠杆菌的接合过程（过程（F+F-）：）：F因子的转移频因子的转移频率高，而细菌率高，而细菌DNA转移频率转移频率极低。极低。F+F-(1)F+与F-混合培养相互接触，F+供体菌上的性伞毛形成两细胞之间的接合管(2)核酸内切酶在F因子的转移起点（oriT）的一条链上产生一个缺口，然后5末端单链通过接合管进入受体细胞(3)F因子上的单链DNA和正在转移的单链DNA，各自为模板，在DNA聚合酶的作用下合成双链DNA(4)完成F因子向受体细胞转移以及DNA的合成(5)在DNA连接酶的作用下完成接合，形成两个F+细胞3.高频重组菌株（高频重组菌株（Hfr）1950年年Luca Cavalli-Sforza（卡瓦里斯弗所）用氮芥（卡瓦里斯弗所）用氮芥（nitrogen mustard）处理）处理A菌株，从存活下来的菌中分离到一菌株，从存活下来的菌中分离到一株能与株能与B菌株以菌株以10-4频率杂交的菌株，称之为频率杂交的菌株，称之为Hfr（high frequency recombination）。）。F+F-F+Hfr F-F-低频率重组，低频率重组，10-7高频率重组，高频率重组，10-4l高频重组与高频重组与F因子的关系因子的关系（1）Hfr与与F factor的异同处：的异同处：都能与都能与F F-杂交杂交 杂交时都要通过接合的形式杂交时都要通过接合的形式 高剂量的链霉素处理不影响杂交高剂量的链霉素处理不影响杂交 产生的重组菌落的频率不同产生的重组菌落的频率不同 F+F-的后代是的后代是F+；Hfr F-的后代是的后代是F-F+经吖啶橙处理变成经吖啶橙处理变成F-；而；而Hfr经丫经丫啶橙处理仍为啶橙处理仍为Hfr，能与能与 F-杂交杂交相相同同点点不不同同点点部分二倍体F因子整合到染色体上，形成因子整合到染色体上，形成Hfr，由于，由于F因子整合在细菌染色体的位置因子整合在细菌染色体的位置和方向是随机的，所以存在许多不同的和方向是随机的，所以存在许多不同的Hfr菌株。菌株。Hfr F-：细菌细菌DNA转移率很高，转移率很高，F因子转移率很低。因子转移率很低。Hfr染色体上F因子的转移起点被核算内切酶切开，以一小段FDNA首先进入受体细胞，然后是染色体DNA1.两细胞接触，供体性伞毛形成接合管，整合的两细胞接触，供体性伞毛形成接合管，整合的F因子产生缺口。单链通过接合因子产生缺口。单链通过接合管转移到受体细胞（管转移到受体细胞（F因子的转移原点及附近的供体基因）；因子的转移原点及附近的供体基因）；2.转移的部分转移的部分Hfr染色体与完整的染色体与完整的F-染色体，形成染色体，形成部分二倍体部分二倍体；3.通过双交换，供体基因整合在受体基因组上。如果部分二倍体中发生单交换或通过双交换，供体基因整合在受体基因组上。如果部分二倍体中发生单交换或奇数的交换，则受体内基因子由环状变为线状，导致细菌死亡。奇数的交换，则受体内基因子由环状变为线状，导致细菌死亡。Hfr F-部分二倍体部分二倍体：转移的供体染色体：转移的供体染色体称为称为供体外基因子供体外基因子，而受体的完，而受体的完整染色体称为整染色体称为受体内基因子受体内基因子。转。转移染色体的长度一般限制在供体移染色体的长度一般限制在供体染色体总长的染色体总长的1/2以内以内。线性DNA片段被降解4.F因子和性导因子和性导(sexduction)F因子的形成因子的形成在在Hfr细胞中，染色体上的细胞中，染色体上的F因因子是相当稳定的，但子是相当稳定的，但F因子也因子也能够低频率地从细菌染色体上能够低频率地从细菌染色体上切除，偶尔会形成携带部分细切除，偶尔会形成携带部分细菌染色体基因的菌染色体基因的F因子，阿代因子，阿代尔伯格和伯恩斯（尔伯格和伯恩斯（Adelberg和和Burns，1959年）称该因子为年）称该因子为F因子因子。性导性导(sexduction)：指指F因子所携带的细菌染色体因子所携带的细菌染色体DNA，通过接合作，通过接合作用转移到受体细菌染色体中，从而改变受体遗传用转移到受体细菌染色体中，从而改变受体遗传性状的过程。性状的过程。性导在受体细菌中可形成部分二倍体。性导在受体细菌中可形成部分二倍体。基因AE形成部分二倍体通过接合作用转移到受体细菌染色体F因子携带细菌染色体DNA形成的部分二倍体可发生一下几种情况：形成的部分二倍体可发生一下几种情况：2、若发生重组，即、若发生重组，即F因子所携带的供体细菌染色体同因子所携带的供体细菌染色体同受体细菌染色体之间发生了同源重组，受体细菌染色体之间发生了同源重组，1、这种部分二倍体若不发生重组，那么、这种部分二倍体若不发生重组，那么F因子可在细因子可在细菌细胞中自主的延续下去；菌细胞中自主的延续下去；1）如果发生单交换，会导致）如果发生单交换，会导致F因子整合到受体染因子整合到受体染色体上而形成色体上而形成Hfr品系，同时品系，同时F因子上所携带的供体因子上所携带的供体基因也发生重组；基因也发生重组；2）如果发生双交换，使）如果发生双交换，使F因子上的细菌基因与受因子上的细菌基因与受体染色体上等位基因之间发生互换，形成的体染色体上等位基因之间发生互换，形成的F品系品系和重组的细菌染色体。和重组的细菌染色体。5.F F 因子与因子与F F-、F F+、HfrHfr、FF的关系的关系 1 1）F F+与与F F-关系：当关系：当F F+和和 F F-接合过程接合过程中，它们之间形成接合管，使受体获中，它们之间形成接合管，使受体获得了得了F F因子而成为因子而成为F F+菌。菌。F F因子以高频率从因子以高频率从F F+菌向菌向F F-菌转移，而染色体基因的转菌转移，而染色体基因的转移则很少发现，重组频率大约只有移则很少发现，重组频率大约只有1010-7-7，因此，因此F F+菌称为菌称为低频重组型低频重组型(low (low frequency recombinationfrequency recombination，Lfr)Lfr)。2 2）Hfr Hfr与与F F-关系：当关系：当HfrHfr与与F F-的接合过程的接合过程中，首先形成接合管，使供体染中，首先形成接合管，使供体染色体转移给受体，形成高重组频率（色体转移给受体，形成高重组频率（1010-4-4），因此），因此 Hfr Hfr菌称为菌称为高频重组型高频重组型 (high frequency recombination strain(high frequency recombination strain，Hfr)Hfr)。3 3）Hfr Hfr 与与F F+、FF关系：关系：HfrHfr与与F F+菌株可以相互转变，菌株可以相互转变，F F因子既可以插入到因子既可以插入到染色体中去（染色体中去（HfrHfr），又可以通过规则的交换和剪切，从染色体上完整地游离），又可以通过规则的交换和剪切，从染色体上完整地游离下来（下来（F F+）。）。F F因子在从染色体上剪切时偶尔也会出现不规则分离的结果，使因子在从染色体上剪切时偶尔也会出现不规则分离的结果，使F F因子携带一段相邻的细菌染色体，这种带有插入细菌基因的环状因子携带一段相邻的细菌染色体，这种带有插入细菌基因的环状F F因子称为因子称为FF因子因子。FF因子即能高频地转移质粒因子即能高频地转移质粒DNADNA，也能高频地转移细菌，也能高频地转移细菌DNADNA。1.中断杂交法作图中断杂交法作图 中断杂交中断杂交（interrupted mating technique)：1957年，年，Ellie Wollman（沃尔曼）和（沃尔曼）和Francois Jacob（雅各布）建立了一种绘（雅各布）建立了一种绘制制E.coli遗传图的方法：遗传图的方法：1）Hfr与与F-杂交杂交，在混合后的不同时间进行搅拌，使接合管断裂，终止，在混合后的不同时间进行搅拌，使接合管断裂，终止染色体向染色体向F-细胞移动细胞移动；2）稀释后接种到含有链霉素培养基上，杀死）稀释后接种到含有链霉素培养基上，杀死Hfr；3）影印到各种选择性培养基（）影印到各种选择性培养基（selective media）上，以某供体基因作为）上，以某供体基因作为选择标记选择标记，测定其进入受体后其他，测定其进入受体后其他非选择性标记非选择性标记基因进入基因进入F-细菌的顺序细菌的顺序和时间。和时间。五、细菌的重组频率和遗传作图五、细菌的重组频率和遗传作图u作图原理作图原理 越是靠近转移起越是靠近转移起点（原点）的基因点（原点）的基因越早发生转移，混越早发生转移，混合培养时间越少。合培养时间越少。在不同的时间中断在不同的时间中断杂交，根据不同基杂交，根据不同基因的转移时间就能因的转移时间就能推断出基因的顺序。推断出基因的顺序。HfrHfr与与F F混合培养不同时间取样混合培养不同时间取样 搅拌中断杂交搅拌中断杂交 稀释稀释 含链霉素含链霉素完全培养基完全培养基 杀死杀死Hfr Hfr 抗抗strstr菌落菌落 影印培养鉴定影印培养鉴定aziazi+tontongalgallaclac各基因转移时间。各基因转移时间。混合培养混合培养9 9分钟，出现分钟，出现aziazi；混合培养混合培养1111分钟，出现分钟，出现aziazi和和tonton；混合培养混合培养1818分钟，出现分钟，出现aziazi、tonton和和laclac；混合培养混合培养2424分钟，分钟，4 4种原养型都出现。种原养型都出现。o azi ton lac gal F 9 11 18 24Hfr：strs（抗链霉素）、（抗链霉素）、azi+（抗叠（抗叠N化合物）化合物）、ton+（抗（抗T1噬菌体）噬菌体）、gal+（半乳糖原养型）（半乳糖原养型）、lac+（乳糖原养型）（乳糖原养型）F：strr（链霉素敏感型）（链霉素敏感型）、azi-（叠（叠N化合物敏感型）化合物敏感型）、ton-（T1噬菌体噬菌体敏感型）敏感型）、gal-（半乳糖缺陷型）（半乳糖缺陷型）、lac-（乳糖缺陷型）（乳糖缺陷型）uE.coli的染色体是环状的的染色体是环状的 Wollman和和Jacob用用4个不同的个不同的Hfr菌株同菌株同F-进行中断杂交，进行中断杂交，得到的基因排列顺序相同，但是进入的时间早晚（重组率）得到的基因排列顺序相同，但是进入的时间早晚（重组率）不同。不同。解释解释 Hfr染色体上染色体上F因子的整合位点不同，整合因子的整合位点不同，整合方向也不同方向也不同;传递的起始点不同。传递的起始点不同。E.coli的染色体是环状的。的染色体是环状的。2.2.重组作图重组作图部分二倍体，只有偶数交换才部分二倍体，只有偶数交换才能产生平衡重组配子，相反的能产生平衡重组配子，相反的重组子不出现。重组子不出现。部分二倍体部分二倍体 重组作图重组作图（recombination mapping）是根据基因是根据基因间的重组率进行基因定位。间的重组率进行基因定位。下面通过实例来加以说明下面通过实例来加以说明：例如根据中断杂交试验，已知大肠杆菌的甲硫氨酸缺陷例如根据中断杂交试验，已知大肠杆菌的甲硫氨酸缺陷型（型（met-）、精氨酸缺陷型（）、精氨酸缺陷型（arg-）、亮氨酸缺陷型（）、亮氨酸缺陷型（leu-）这三个基因是紧密连锁的，而且就某特定的）这三个基因是紧密连锁的，而且就某特定的Hfr菌株来说，菌株来说，基因的转移的顺序是基因的转移的顺序是met+、arg+、leu+Hfr met+arg+leu+strs F-met-arg-leu-strr 含链霉素并添加精氨酸以及甲硫氨酸的培养基上（在这种含链霉素并添加精氨酸以及甲硫氨酸的培养基上（在这种培养基中，杀死所有的培养基中，杀死所有的Hfr细胞和未杂交的细胞和未杂交的F-细胞）。在这细胞）。在这种培养基中形成菌落的重组子基因型应该是种培养基中形成菌落的重组子基因型应该是leu+strr。已经筛选出的已经筛选出的leu+重组子，用影印法测定其余两个非选择重组子，用影印法测定其余两个非选择标记基因以及他们的菌落数。测定结果如下：标记基因以及他们的菌落数。测定结果如下：基因型基因型 菌落数菌落数 基因型基因型 菌落数菌落数leu+arg-met-16 leu+arg+met-36leu+arg+met+348 leu+arg-met+0 基因型基因型leuleu+arg arg-met met+是四交换的结果，与双交换相是四交换的结果，与双交换相比，其交换频率非常低，在本次实验中未能检测到该重比，其交换频率非常低，在本次实验中未能检测到该重组基因型组基因型 。16363480 根据上述接合结果，基因间的重组率可用下式计算：根据上述接合结果，基因间的重组率可用下式计算：leu-arg 的重组率的重组率=（leu+arg-met-）+（leu+arg-met+）/（leu+arg-met-）+（leu+arg+met-）+（leu+arg+met+）+（leu+arg-met+）100%=16/16+36+348=4%arg-met 的重组率的重组率=（leu+arg+met-）+（leu+arg-met+）/（leu+arg-met-）+（leu+arg+met）+（leu+arg+met+）+（leu