细菌和病毒遗传.pptx

第一节细菌和病毒遗传研究的意义 遗传学的研究从细胞水平推进到分子水平的时代，是由于两项重大的发展：一是化学家和物理学家对基因的化学和物理结构的了解日益深入；二是研究材料采用了新的生物类型细菌和病毒它们繁殖迅速，而且每个世代繁殖数量庞大，最容易使遗传学家获得有意义的资料，因此，它们已经成为遗传学研究中必要的试验生物。一、细菌1.细菌DNA是一个环状双链分子，通常也称细菌染色体。2.质粒是一种细菌染色体外小型环状DNA。携带着决定细菌某些遗传特性的基因，如抗药、产毒、致病、形成芽胞、产生色素或抗生素等的基因。能独立于染色体存在和复制，还能在细胞间传递。能独立于染色体存在和复制，还能在细胞间传递。细菌一般进行无性繁殖，通过简单的裂殖呈几何级数增长，完成每个世代只需20分钟。单个细胞在很短的时间内产生107个子细胞并聚集一起形成菌落菌落。一个菌落的全部细胞是由一个细胞产生 理论上应具有相同的遗传组成，又称克隆克隆。即无性繁殖系。细菌可产生多种突变，如：形态性状的突变，生理特性的突变或抗性的突变 菌落形态性状的突变包括：菌落的形状、透明度、颜色和大小等。生化突变包括：丧失合成某种营养物质能力的营养缺陷型。抗性突变包括：抗药性或抗感染性。二、病毒病毒是比细菌更为简单的生物，它们也只有一条染色体，即单倍体。有些病毒的染色体是DNA，还有一些病毒是RNA。病毒主要是由蛋白质外壳及其包被的核酸所组成的颗粒。病毒可根据宿主(动物、植物、细菌、真菌)或遗传物质(DNA或RNA)来分类。细菌病毒称为细菌病毒称为噬菌体噬菌体(phage)(phage)(如图如图)，是目前经过是目前经过广泛研究，了广泛研究，了解比较清楚的解比较清楚的一种病毒。一种病毒。三、细菌和病毒在遗传研究中的优越性细菌和病毒在遗传研究中的优越性可以归为：（1）繁殖世代所需时间短（2）易于管理和进行化学分析（3）遗传物质比较简单 （4）存在着拟有性过程 （5）便于研究基因的突变（6）便于研究基因的作用（7）便于研究基因的微细结构 （8）可用作研究高等生物的简单模型 第二节噬菌体的遗传分析噬菌体存在一个拟有性过程。通过这个过程，可以噬菌体存在一个拟有性过程。通过这个过程，可以发生遗传物质的交换。通过对噬菌体遗传学的大发生遗传物质的交换。通过对噬菌体遗传学的大量研究，获得了关于基因结构，重组机理和基因量研究，获得了关于基因结构，重组机理和基因功能的大量知识功能的大量知识。一、噬菌体的生活周期也称噬菌体的感染周期。是指噬菌体从吸附细菌到也称噬菌体的感染周期。是指噬菌体从吸附细菌到后代噬菌体由寄主细菌中释放出来。后代噬菌体由寄主细菌中释放出来。根据生活周期的特点，噬菌体可分为根据生活周期的特点，噬菌体可分为烈性噬菌体烈性噬菌体烈性噬菌体烈性噬菌体和和温和性噬菌体温和性噬菌体温和性噬菌体温和性噬菌体。(一一)T4噬菌体的裂解性生活周期噬菌体的裂解性生活周期T4烈性噬菌体在感染细菌细胞后，随即在宿主细胞内繁殖并裂解裂解宿主细胞。感染细菌时，T4噬菌体的尾丝附着在大肠杆菌表面时，通过尾鞘的收缩将噬菌体DNA经中空尾部注入寄主细胞，破坏寄主细胞的遗传物质，并合成大量的噬菌体DNA和蛋白质，组成许多新的子噬菌体，最后使细菌裂解，释放出无数个子噬菌体。(二二)噬菌体的生活周期噬菌体的生活周期侵入后并不使细菌裂解，而是以原噬菌体或质粒的形式存在的一类噬菌体称为温和性温和性噬菌体噬菌体。如噬菌体。温和性噬菌体侵入细菌后，具有一个溶源性的生活周期。在溶原周期中染色体并不单独复制，而是插入宿主染色体特定区域，随着宿主染色体一道复制整合的噬菌体称为原噬菌体原噬菌体，带有原噬菌体的细菌叫做溶原性细菌溶原性细菌。通常有105频率的原噬菌体从溶原性细菌中释放出来，进入裂解周期。二、噬菌体的基因重组噬菌体有两种性状可作为遗传标志，噬菌体有两种性状可作为遗传标志，噬菌斑的形态噬菌斑的形态 宿主范围宿主范围噬菌体的突变可从其噬菌斑的形态和宿主范围来判断。噬菌体的突变可从其噬菌斑的形态和宿主范围来判断。1.1.噬菌斑突变：噬菌斑突变：T T噬菌体的噬菌体的r r-突变体（速溶性）突变体（速溶性）正常噬菌体，正常噬菌体，r r+，产生的菌斑小而边缘模糊，产生的菌斑小而边缘模糊 突变噬菌体，突变噬菌体，r r-，产生的菌斑大两倍而边缘清晰，产生的菌斑大两倍而边缘清晰2.2.宿主范围突变：宿主范围突变：T2T2噬菌体的噬菌体的h h-突变体突变体 正常噬菌体，正常噬菌体，h h+，只能以大肠杆菌，只能以大肠杆菌B B株株(Tto(Ttor r)为宿主为宿主 突变噬菌体，突变噬菌体，h h-，能以，能以B B株和株和B/2B/2株株(Tto(Ttos s)为宿主为宿主h+r-h-r+培养所产生的四种噬菌斑 h+r-h-r-h+r+h-r+h h+r r-hh-r r+接种在同时长有接种在同时长有B B和和B/2B/2 株的培养基上株的培养基上 h h+r r-h h-r r+h h+r r+h h-r r-混浊，大混浊，大 透明小透明，小 混浊，小混浊，小 透明，大透明，大。T2噬菌体的基因重组噬菌体的基因重组亲本型亲本型重组型重组型第三节第三节细菌的遗传分析细菌的遗传分析一、转化一、转化 转化是指指某些细菌(或其它生物)能通过其细胞膜摄取周围介质中的摄取周围介质中的DNADNA片段片段，并将此外源DNA片段整合到自己染色体组中的过程。（一）格里费斯的肺炎链球菌转化实验（一）格里费斯的肺炎链球菌转化实验肺炎链球菌有两种类型：肺炎链球菌有两种类型：S S型（光滑型）型（光滑型）R R型（粗糙型）型（粗糙型）19281928年年,格里费斯发现一种非致病性的格里费斯发现一种非致病性的R R 变种可以通变种可以通过以下途径转化为致病性的过以下途径转化为致病性的S S型。型。1928年Griffith 的实验 他将活的R型和经加热杀死的S 型肺炎球菌混合液注入小鼠。惊人的发现:这种混合液使小鼠致死,而单独活R型或经加热杀死的S 型都不能使小鼠死亡。在致死的小鼠血液中发现了活的S型肺炎链球菌。因此,加热杀死的S型肺炎球菌以某种方式将活的R型转化成了活S型肺炎球菌。这一转变是永久性的:转化的细菌还能产生致病性的S型后代。（二）转化过程（可分3阶段）1.自然转化（1）感受态的出现这是转化的第一步。是使转化DNA与受体细菌间的成功地相互作用，这包括：转化片段的大小、形态、浓度和受体细胞的生理状态。除此之外，受体细胞必须在生理上处于感受态。感受态感受态是指细菌在某一特定阶段所呈现的能从周围环境中吸收DNA分子的状态。（2）双链DNA的结合与进入 革兰氏阳性菌（G+）转化 非感受态细胞非感受态细胞外源外源DNADNA被洗掉了被洗掉了转化因子转化因子感受态细胞感受态细胞外源外源DNADNA仍与细胞结合仍与细胞结合进入进入两种核酸酶：两种核酸酶：切为约切为约14kb的片段的片段使外源使外源DNA片段变为单链片段变为单链后与特异蛋白质结合。后与特异蛋白质结合。核酸内切酶核酸内切酶核酸外切酶核酸外切酶吸附吸附洗涤革兰氏阴性菌（G-）的转化转化因子转化因子吸附吸附感受态细胞感受态细胞转化小体（内含双链DNA）进入进入DNA进入细胞质进入细胞质前，双链前，双链DNA被被降解为单链。降解为单链。（3）DNA整合进入细胞后的单链DNA不经复制便以单链的形式与受体DNA的同源部分联会，并进一步置换受体的对应染色体区段的过程。联会可能性的大小取决于供体与受体DNA片段之间的亲缘关系的远近。2.2.人工转化人工转化可用人工的方法诱导细菌形成感受态。（1 1）大肠杆菌的转化）大肠杆菌的转化）大肠杆菌的转化）大肠杆菌的转化目前已经建立起了用目前已经建立起了用CaCa2+2+、MgMg2+2+等诱导转化的标等诱导转化的标准程序，能对多种大肠杆菌菌株进行有效的转化。准程序，能对多种大肠杆菌菌株进行有效的转化。（2 2）PEGPEG介导的转化介导的转化（3 3）电穿孔法和基因枪转化）电穿孔法和基因枪转化二、接合二、接合 结合结合结合结合是指细菌细胞之间产是指细菌细胞之间产生接合管或称胞质桥，一方生接合管或称胞质桥，一方（供体）的（供体）的DNADNA（质粒）（质粒）通过接合管向另一方（受体）通过接合管向另一方（受体）转移。转移。是细菌传递DNA实现基因重组的主要方式。特点：需要供体细胞与受体细胞之间的直接接触；自主转移质粒除自质粒除自身能从供体细胞向受体细胞转移身能从供体细胞向受体细胞转移外，还能带动供体染色体向受体外，还能带动供体染色体向受体转移。转移。(一)E.coli的杂交试验 1946年黎德伯格等选取了两个不同营养缺陷性的大肠杆菌菌株进行实验。材料：大肠杆菌材料：大肠杆菌(Escherichia coli)K12(Escherichia coli)K12菌株的两菌株的两个营养缺陷型品系：个营养缺陷型品系：菌株菌株A A甲硫氨酸缺陷型甲硫氨酸缺陷型met-met-和生物素缺陷型和生物素缺陷型bio-bio-；菌株菌株B B苏氨酸缺陷型苏氨酸缺陷型thr-thr-和亮氨酸缺陷型和亮氨酸缺陷型leu-leu-。A A菌株是菌株是metmet-biobio-需要在需要在基本培养基上补充甲硫氨酸基本培养基上补充甲硫氨酸和生物素。和生物素。B B菌株是菌株是thrthr-leuleu-需要在基本培需要在基本培养基上补充苏氨酸和亮氨酸。养基上补充苏氨酸和亮氨酸。A A菌株和菌株和B B菌株在基本培养基菌株在基本培养基上都不能生长。上都不能生长。但是如果将但是如果将A A和和B B混合培混合培养在完全的液体培养基养在完全的液体培养基上几个小时后，把培养上几个小时后，把培养物离心，并且把洗涤的物离心，并且把洗涤的沉淀细胞涂在基本培养沉淀细胞涂在基本培养基上，发现长出了一些基上，发现长出了一些原养型，原养型，metmet+、biobio+、thrthr+、leuleu+的菌落的菌落 通过试验他们发现大肠杆菌细胞之间通过接合可以交换遗传物质。后来戴维斯设计了U型管的实验来鉴别这种原养型的出现是由于转化还是由于细胞与细胞直接接触而发生了遗传物质交换和重组？实验说明两个菌株间的直接接触，是原养型细胞出现的必要条件。1952年海斯的实验链霉素处理链霉素处理A菌菌B菌菌完全培养基培养一段时间完全培养基培养一段时间洗涤离心洗涤离心基本培养基基本培养基重组体未减少重组体未减少链霉素处理链霉素处理B菌菌A菌菌完全培养基培养一段时间完全培养基培养一段时间洗涤离心洗涤离心基本培养基基本培养基无重组体产生无重组体产生该实验说明细菌接合过程中遗传物质的转移是单向的，即遗传物质从A株转移到了B株。(二)F因子（质粒）F因子（性因子、致育因子）F因子是细菌染色体外的一个决定细菌雄性性别的共价环状DNA分子，又称致育因子或性因子。以大肠杆菌为例F因子能够以三种状态存在，(1)(1)没有没有F F因子，即因子，即F F-，称受体菌（雌性菌），称受体菌（雌性菌）(2)(2)包含一个自由状态的包含一个自由状态的F F因子，即因子，即F F+，具有性伞毛（接合管）；称供体菌（雄性菌）；称供体菌（雄性菌）(3)(3)含一个整合含一个整合到自己染色体组内的到自己染色体组内的F F因子，即因子，即Hfr Hfr（高频重组菌（高频重组菌株）。其重组频率比株）。其重组频率比F F+高高10001000多倍。多倍。（三）（三）F F+FF-当当F F+细菌和细菌和F F-细菌接合时细菌接合时 ，F F因子的新拷贝能在因子的新拷贝能在接合过程中转移到接合过程中转移到F F-细细胞中去，使胞中去，使F F-细胞转变细胞转变成成F F+细胞，在接合管形细胞，在接合管形成后，成后，F F+DNADNA双链之双链之一被切断，从断端转移一被切断，从断端转移到到F F-细胞，在那里发生细胞，在那里发生DNADNA复制。当复制。当F F因子复因子复制完成后，制完成后，F F-变成变成F F+。（四）（四）HfrFHfrF-当当HfrFHfrF-接合时，接合时，F F-细菌细菌很少转变成很少转变成HfrHfr，这是，这是因为当因为当HfrHfr与与F F-接合时，接合时，整合的整合的FDNAFDNA从一端被从一端被内切酶切成单链切口，内切酶切成单链切口，细菌染色体由这一小段细菌染色体由这一小段单链的单链的F F因子作为前导因子作为前导转移到转移到F F-受体，一边进受体，一边进入一边合成，在大多数入一边合成，在大多数情况下，只有一小部分情况下，只有一小部分细菌染色体转移，接合细菌染色体转移，接合即出现中断，受体细胞即出现中断，受体细胞仍保持为仍保持为F F-，因为，因为F F因子因子仍留在供体内。仍留在供体内。当F+或Hfr的细菌染色体进入F-后，在一个短时期内，F-细胞中对某些位点来说总有一段二倍体的DNA。这样的细菌称为部分二倍体或部分合子。新染色体的DNA称为供体外基因子，而宿主的染色体则称为受体内基因子，部分二倍体中发生单数交换，可使环状染色体打开，产生一个线性染色体，这种细胞不能成活，只有发生偶数的交换，才能产生遗传的重组体和片段。三、性导三、性导F F因子整合到宿主细菌染色体过程是可逆的，当发生因子整合到宿主细菌染色体过程是可逆的，当发生环出环出环出环出时，时，F F因子又重新离开染色体，然而因子又重新离开染色体，然而F F因子偶因子偶然环出时不够准确，它携带有大肠杆菌染色体的然环出时不够准确，它携带有大肠杆菌染色体的一些基因，这种一些基因，这种F F因子称为因子称为FF因子。因子。FF因子因子性导性导性导性导是指是指带有带有FF因子因子的细菌在接合时，由的细菌在接合时，由FF因子因子所携所携带的外源带的外源DNADNA转移到宿主细菌的染色过体的程称为性转移到宿主细菌的染色过体的程称为性导。导。这种这种FF因子不需要包装在噬菌体的头部，它所携带的细因子不需要包装在噬菌体的头部，它所携带的细菌染色体的节段大小不限，可从一个标准基因到半个菌染色体的节段大小不限，可从一个标准基因到半个细菌染色体。细菌染色体。四、转导四、转导 转导是:利用噬菌体（病毒）为媒介，将一个细胞（供体）的遗传物质转移到另一个细胞（受体）中去的过程。普遍转导：任何供体的染色体都可转移普遍转导：任何供体的染色体都可转移转导转导 局限转导：仅转移部分局限转导：仅转移部分DNADNA片段片段（一）转导现象的发现是黎德伯格等是黎德伯格等19561956年在伤寒沙门氏菌中发现了转导年在伤寒沙门氏菌中发现了转导现象。他们用一个不能合成苯丙氨酸、色氨酸和现象。他们用一个不能合成苯丙氨酸、色氨酸和酪氨酸的营养缺陷型和另一个不能合成甲硫氨酸酪氨酸的营养缺陷型和另一个不能合成甲硫氨酸和组氨酸的营养缺陷型杂交结果在基本培养基上和组氨酸的营养缺陷型杂交结果在基本培养基上出现原养型菌落。出现原养型菌落。phe-try-tyr-met+his+phe+trp+met-his-基本培养基培养基本培养基培养是否形成原养型的菌落：是否形成原养型的菌落：否否 是是 否否单独单独培养培养单独单独培养培养混合混合培养培养 黎德伯格将上述两种菌株分别放在戴维斯U型管的两臂内，中间用玻璃滤板隔开，以防止细胞接触，但可以允许比细菌小的物质通过，结果也获得了野生型重组体。这样确定，这种野生型重组体是通过一种过滤性因子实现的。以后的研究工作表明，这种过滤性因子是噬菌体P22。（二）普遍性转导在噬菌体感染的在噬菌体感染的末期末期，细菌染色体被断裂成许，细菌染色体被断裂成许多小片段，在形成噬菌体颗粒时，少数噬菌体多小片段，在形成噬菌体颗粒时，少数噬菌体将细菌的将细菌的DNADNA误认为是它们自己的误认为是它们自己的DNADNA，并包，并包裹进其蛋白质衣壳内，从而形成裹进其蛋白质衣壳内，从而形成转导噬菌体转导噬菌体，该噬菌体再去感染其他宿主时，就将所携带的该噬菌体再去感染其他宿主时，就将所携带的细菌染色体片段带入受体菌中，形成部分二倍细菌染色体片段带入受体菌中，形成部分二倍体，进而重组整合。这种转导类型称为普遍性体，进而重组整合。这种转导类型称为普遍性转导。转导。n n局限转导由温和噬菌体（如由温和噬菌体（如）介导的转导类型。原噬）介导的转导类型。原噬菌体离开细菌染色体时，菌体离开细菌染色体时，偶尔可将噬菌体插入偶尔可将噬菌体插入位点两边的细菌基因一起环落下来而形成混杂位点两边的细菌基因一起环落下来而形成混杂的的DNADNA片段片段，该，该DNADNA片段由噬菌体蛋白质衣壳片段由噬菌体蛋白质衣壳包裹，再去包裹，再去侵染侵染其他宿主细菌，可将特定的细其他宿主细菌，可将特定的细菌基因带入新的受体菌，进而重组整合，这种菌基因带入新的受体菌，进而重组整合，这种转导称为局限转导。转导称为局限转导。