遗传学：7第七章 细菌和噬菌体的重组和连锁

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1、第七章第七章 细菌和噬菌体的重组和连锁细菌和噬菌体的重组和连锁细菌和病毒Virus and Bacteria原核生物细胞和真核生物细胞的重要差别之一是原核生物细胞没有核膜病毒不能独立生存,它只有侵染宿主细胞后方能繁殖根据宿主的不同根据宿主的不同, ,病毒可分为病毒可分为: :动物病毒动物病毒 (包括侵染人类的病毒包括侵染人类的病毒)植物病毒植物病毒 ( 如烟草花叶病毒如烟草花叶病毒 )细菌病毒细菌病毒 ( 噬菌体噬菌体 )根据遗传物质的成分的不同根据遗传物质的成分的不同,可分为可分为:DNA病毒病毒 ( dsDNA 病毒病毒 ssDNA 病毒病毒)RNA病毒病毒 ( +RNA 病毒病毒 - R

2、NA 病毒病毒 逆转录病毒逆转录病毒 )乳头瘤病毒乳头瘤病毒dsDNA腺病毒腺病毒dsDNA疱疹病毒疱疹病毒肝炎病毒肝炎病毒细小病毒细小病毒接触传染性软疣接触传染性软疣副粘病毒副粘病毒轮状病毒轮状病毒肠道病毒肠道病毒山谷热病毒山谷热病毒猿猴病毒猿猴病毒 40 ( SV 40 )烟草花叶病毒烟草花叶病毒( TMV )入入 噬菌体噬菌体流感病毒流感病毒 重建的西班牙流感病毒 H1N1 流感期间 Camp Funston 的紧急军事医院 ( 以大肠杆菌 E. coli 为例 )细菌拟核区鞭毛细胞壁被膜质膜核糖体质粒质粒基因和产物符号基因和产物符号 野生型或原养型野生型或原养型 营养缺陷型营养缺陷型

3、细菌细菌: : 表型表型 野生型野生型 Gal，突变型突变型 Gal或或 Gal； 基因型基因型 野生型野生型 gal 突变型突变型 gal 或或 gal 酵母酵母: : 啤酒酵母啤酒酵母 蛋白质蛋白质: :GAL4GAL4, ,CDC28CDC28 基因基因: : GAL4GAL4, ,CDC28CDC28 非洲粟酒酵母非洲粟酒酵母 蛋白质蛋白质: :Gal4Gal4, , Cdc2Cdc2 基因基因: : gal4gal4, ,cdc2cdc2 果蝇果蝇: : 以以1-41-4个字母表示。个字母表示。 基因基因: :whitewhite( (w w ),),taillesstailless

4、( ( tlltll ), ),hedgehoghedgehog( ( hhhh ); ); 蛋白蛋白: :WhiteWhite, , TaillessTailless, , HedgehogHedgehog 植物植物: : 没有惯用法，大多数用没有惯用法，大多数用1-31-3个小写字母表示。个小写字母表示。 Arabidopsis Arabidopsis 基因用果蝇的方法命名但用大写字母，基因用果蝇的方法命名但用大写字母， 如如 基因基因 AGAMOUS(AGAMOUS(AGAG) )，蛋白，蛋白 AGAMOUSAGAMOUS。 脊椎动物脊椎动物: : 一般以一般以1-41-4个小写字母表示

5、其基因功能。个小写字母表示其基因功能。 例如，基因例如，基因seysey, , mycmyc, , 蛋白蛋白 SeySey, , MycMyc 人类人类: : 方法如脊椎动物但需大写。方法如脊椎动物但需大写。 例如基因例如基因 MYCMYC、SRYSRY，蛋白，蛋白MYCMYC、ENO1ENO1。 基因产物的命名无统一的规定，现在一般都用正体基因产物的命名无统一的规定，现在一般都用正体, 全部大写，或第一个字母大写，如全部大写，或第一个字母大写，如Gal或或GAL。 第二节第二节 细菌的遗传分析细菌的遗传分析一、基本概念：一、基本概念： 在细菌中遗传物质有三种转移的形式在细菌中遗传物质有三种转

6、移的形式: 转化（转化（transformation） 接合（接合（conjugation） 转导（转导（transduction） 共同特点是：共同特点是： （1）单方向转移；）单方向转移； （2）产生部分二倍体（）产生部分二倍体（partial diploid）；）； （3）基因只有整合到环状染色体上才能稳定）基因只有整合到环状染色体上才能稳定 地遗传地遗传。 转化转化 细胞从周围介质中吸收裸露细胞从周围介质中吸收裸露的的DNA。 转染转染-转化的特殊形式转化的特殊形式 原核细胞：外源原核细胞：外源DNADNA是病毒是病毒DNADNA时；时； 真核细胞：对任何裸露真核细胞：对任何裸露DNA

7、DNA的吸收。的吸收。 转化转化 自然转化自然转化（natural transformation） 在自然转化中细菌可以自由地吸收在自然转化中细菌可以自由地吸收 DNA，通过它来进行遗传转化；枯，通过它来进行遗传转化；枯 草杆菌中的转化属于自然转化草杆菌中的转化属于自然转化。 工程转化工程转化（engineered transformation） 在这种转化中，细菌发生改变使得它在这种转化中，细菌发生改变使得它 们能摄入并转化外源们能摄入并转化外源DNA。E.coli 转转 化就属于工程转化。化就属于工程转化。 接合接合 是是DNA从细胞到细胞直接转移。从细胞到细胞直接转移。 转导转导 通过病

8、毒颗粒介导将染色体或质粒通过病毒颗粒介导将染色体或质粒DNA转移到转移到细胞中。细胞中。 普遍性转导普遍性转导 特异性转导特异性转导二、细菌的基因重组二、细菌的基因重组接合接合 E.coli 接合的发现接合的发现 1946年莱德伯格年莱德伯格(Lederberg, J.) 和塔特和塔特姆姆 ( T a t u m ) 发 现发 现 细 菌 的细 菌 的 接 合接 合（conjugation）。）。 细菌接合是指通过细胞的直接接触，遗传细菌接合是指通过细胞的直接接触，遗传信息从供体信息从供体单向转移单向转移到受体的过程。到受体的过程。菌株菌株 A: met bio thr + leu + thi

9、 +菌株菌株 B: met + bio + thr leu thi - （thi：硫胺素：硫胺素, B1）在基本培养基上出现在基本培养基上出现:met + bio + thr + leu + thi +说明细菌间发生了遗传物质的重组说明细菌间发生了遗传物质的重组 A品系品系：met bio thi leu thr（thi：硫胺素：硫胺素B1） B品系：品系：met bio thi leu thr A A+B B 基本培基本培 养基养基 met bio thi leu thr 质疑质疑： 细菌的杂交实验获得的重组子可能是细菌的杂交实验获得的重组子可能是转化的结果。转化的结果。 培养基中含有某些代

10、谢产物，混合后培养基中含有某些代谢产物，混合后这些产物互相补充了对方的不足而得以这些产物互相补充了对方的不足而得以在基本培养基上生长。在基本培养基上生长。 三、单向转移与三、单向转移与F因子因子 1952年年 海斯（海斯（W. Hayes） 大剂量链霉素大剂量链霉素 A品系品系 无影响无影响 大剂量链霉素大剂量链霉素 B品系品系 阻止了重组阻止了重组 提出提出异宗配合异宗配合（heterothallic）性因子 ( 又称致育因子, F 因子)四、四、F因子结构因子结构1、F因子的结构因子的结构 (1)重组区重组区(配对区配对区)； (2)自主复制区自主复制区(原点原点)：转移起点和两个复：转移

11、起点和两个复制起点（转移复制起点制起点（转移复制起点ori T和营养期复和营养期复制起点制起点ori V）；）； (3) 转移区转移区(致育基因致育基因)：合成性伞毛的操：合成性伞毛的操纵子，纵子，转移区（转移区（transfer regiontransfer region）长）长33 33 KbKb。 F 因子因子 (F-factor) 转转 重重 移移 IS3 组组 IS3 区区 区区 O IS2 P OriT OriV 复复 区区 制制 致育因子致育因子（fertility factor，F）（1）有）有F因子的细菌称为因子的细菌称为F，细菌增殖时，细菌增殖时可把可把F 因子传递给后代因

12、子传递给后代。（2）没有）没有F因子的细菌称为因子的细菌称为F，F细菌经细菌经吖吖啶啶 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）FF的杂交后代皆为的杂交后代皆为F，而且可以，而且可以107 频率获得重组体后代。频率获得重组体后代。E . Coli 的的 F+ 和和 F- 之间的杂交之间的杂交五、高频重组五、高频重组(High frequence recombination,Hfr)1951年年 Cavalli发现发现用氮芥处理用氮芥处理F 然后将处理然后将处

13、理后的后的F F - 1041954年年 Hayes 也分离了也分离了Hfr品系，发现：品系，发现： (1)Hfr使重组能力增加，但无传递使重组能力增加，但无传递F因子因子的能力，的能力，Hfr F F (2)Hfr只能将供体基因组的一部分传给受只能将供体基因组的一部分传给受体，体，Hayes的解释是的解释是Hfr的的F因子发生了因子发生了永久性改变。永久性改变。FF 重组子重组子 此称为此称为HfrHfr和和F比较比较 相同处：相同处： 都能都能和和F进行杂交产生重组后代；进行杂交产生重组后代； 杂交时都要通过接合管和受体菌相连接；杂交时都要通过接合管和受体菌相连接； 用高剂量链霉素处理后都

14、不影响杂交，说明它用高剂量链霉素处理后都不影响杂交，说明它们都是作为一种供体。们都是作为一种供体。 不同处：不同处： 产生重组子的频率不同。产生重组子的频率不同。HfrF的重组子产生频率为的重组子产生频率为104，而，而FF产生的产生的重组子仅为重组子仅为107。 FF的后代常为的后代常为F，而而HfrF的后代皆为的后代皆为F； F经吖啶橙处经吖啶橙处理后会变成理后会变成F，而，而Hfr经吖啶橙处理后仍为经吖啶橙处理后仍为Hfr，可以和，可以和F杂交。杂交。六、性导六、性导(Sexduction)1、1959年年 Adelberg & Burns重复高频重重复高频重组实验发现一个新的品系，既可

15、以高频组实验发现一个新的品系，既可以高频重组，又可高频致育。重组，又可高频致育。2、反复、反复Hfr F实验实验4. The F factor replication as one strand is transferred3. The F cell is a modified cell and may undergo conjugation with an F- cellF因子特点因子特点(1)F因子能高频传递；因子能高频传递；(2)F转变为转变为Hfr的频率要高于的频率要高于F+ ；(3)F变为变为Hfr时，整合到相同位点，时，整合到相同位点，F+变变为为Hfr时整合到不同位点，时整合到不

16、同位点，(4)高频传递特定的基因；高频传递特定的基因；(5)形成的部分二倍体不稳定，约形成的部分二倍体不稳定，约10-3会失会失去去F因子。因子。细菌的交换细菌的交换 部分二倍体（部分二倍体（partial diploid） 部分合子（部分合子（merozygote）也称半合子，）也称半合子， F内基因子内基因子 (endogenote) ：完整的基因组：完整的基因组 供体外基因子（供体外基因子（exogenote）：不完整的基因组）：不完整的基因组名词名词F 因子因子 又称性因子或致育因子又称性因子或致育因子 F + 细胞细胞 含有含有F 因子的细胞因子的细胞F - 细胞细胞 不含有不含有F

17、因子的细胞因子的细胞 F 因子因子 带有部分细菌染色体片断的带有部分细菌染色体片断的F因子因子Hfr F 因子整合到细胞染色体上后因子整合到细胞染色体上后, 具有高频率具有高频率重组的菌株，称重组的菌株，称Hfr菌株菌株.大肠杆菌的中断杂交试验中断杂交作图中断杂交作图 (interrupted matingexperiment)P163 1954年年 Jacob 和和 Wollman供体：供体：Hfr H strs thrleuazir tonr lac gal受体：受体：Fstrr thrleuazis tons lacgal（1）不同的非选择标记进入受体且重组）不同的非选择标记进入受体且重

18、组 的时间不同，但都是稳定的；的时间不同，但都是稳定的；（2）各基因的重组频率随着时间的增加）各基因的重组频率随着时间的增加 而增加，直至极值；而增加，直至极值；（3）按时间顺序，先重组和后重组的基）按时间顺序，先重组和后重组的基 因，重组率的极值在逐步减少；因，重组率的极值在逐步减少；八、大肠杆菌的染色体呈环形八、大肠杆菌的染色体呈环形Hfr H thr pro lac pur gal his gly thiHfr1 thr thi gly his gal pur lac proHfr2 thr pro thi gly his gal pur lacHfr3 pur lac pro thr

19、thi gly his gal九、重组作图（九、重组作图（P164） 重组作图法重组作图法:Hfr lac+ade+ F F- -lac-ade- 中断杂交技术作图中断杂交技术作图 1分钟分钟=20重组率重组率=20cM第三节第三节 噬菌体的遗传分析噬菌体的遗传分析 一、结构和形态一、结构和形态 二十面体有尾，二十面体无尾，丝状二十面体有尾，二十面体无尾，丝状 头，颈部，中轴，外鞘，基盘，尾丝头，颈部，中轴，外鞘，基盘，尾丝噬菌体噬菌体(细菌病毒细菌病毒)的形态结构的形态结构噬菌体的电镜照片噬菌体的生活史吸附在大肠杆菌上的噬菌体温和噬菌体的溶菌周期和溶源周期温和噬菌体的溶菌周期和溶源周期溶菌周

20、期溶菌周期溶源周期溶源周期噬菌体的遗传重组烈性噬菌体烈性噬菌体T2T2的两对性状及其重组的两对性状及其重组 野生型噬菌体野生型噬菌体 h+ 侵染和裂解侵染和裂解 E.coli 菌株菌株 B ;但不能侵染菌株但不能侵染菌株 B/2. 突变型噬菌体突变型噬菌体 h 既能侵染菌株既能侵染菌株 B ,也能侵染也能侵染菌株菌株 B/2. 野生型噬菌体野生型噬菌体 r+ 侵染细菌后侵染细菌后,形成小噬菌斑形成小噬菌斑(直径直径 1 mm), 周边有朦胧的光环周边有朦胧的光环. 突变型突变型 噬菌体噬菌体 r 侵染细菌后侵染细菌后,形成大噬菌斑形成大噬菌斑(直径直径2 mm),称快速溶菌称快速溶菌. 菌株菌

21、株 B +菌株菌株 B/2 快速溶菌型ra，rb，rc，T2噬菌体连锁图是环形hrh r重组值总噬菌斑数100 B K( ) + - + +r IIr II+T4T4突变型突变型rII+在不同菌株上的噬菌斑在不同菌株上的噬菌斑(大而清晰大而清晰)(小而模糊小而模糊)(小而模糊小而模糊)(E.coli)噬菌体突变型的重组测验重组测验：r47+r104；B，总数； K()，重组子四、转导（四、转导（P171） 转导是以噬菌体为媒介，将细菌的小片转导是以噬菌体为媒介，将细菌的小片段染色体或基因从一个细菌转移到另一段染色体或基因从一个细菌转移到另一细菌的过程。细菌的过程。 沙门氏菌缺陷型：混合培养；沙

22、门氏菌缺陷型：混合培养；U型管培养型管培养 P22：沙门氏菌的温和噬菌体：沙门氏菌的温和噬菌体滤过因子滤过因子FA和噬菌体和噬菌体P22 （1）P22的侵染性和的侵染性和FA的能力都可被一的能力都可被一些水解酶，如些水解酶，如DNase和胰蛋白酶所抑制；和胰蛋白酶所抑制； （2）FA的大小和质量与的大小和质量与P22相同。相同。 （3）用）用P22抗血清或加热处理都可以使抗血清或加热处理都可以使P22和和FA失活，且失活速率相同；失活，且失活速率相同； （4）FA和和P22的宿主范围相同。的宿主范围相同。转导分类转导分类 普遍性转导：可以转移细菌染色体的很普遍性转导：可以转移细菌染色体的很多不同部分。多不同部分。 局限性转导：只转移细菌染色体的特定局限性转导：只转移细菌染色体的特定部分。部分。普遍性转导普遍性转导局限性转导局限性转导