细菌的遗传分析课件.ppt
细菌的遗传分析,主要内容,细菌的细胞和基因组(自学)大肠杆菌的突变型及筛选 细菌的接合与染色体作图中断杂交与重组作图F因子与性导细菌的转化与转导作图,大肠杆菌的突变类型突变型筛选（自学）,第二节 大肠杆菌的突变型及筛选,一、大肠杆菌的突变类型,1、合成代谢功能的突变型营养缺陷型 合成代谢功能（anabolic function）,命名: Met-, Lys-,原养型/野生型在基本培养基上，具有合成所有代谢和生长所必须的复杂有机分子的功能。,营养缺陷型：一个必需的基因发生了突变不能进行一个特定的生化反应，从而阻碍整个合成代谢功能的实现。,2、分解代谢功能的突变型（catabolic functional mutants) 分解代谢功能（anabolic function） 一系列降解功能的实现也需要许多基因的表达，其中任何一个基因突变都会影响降解功能的实现。 如Lac-突变型不能分解乳糖，因此就不能生长在以乳糖为唯一碳源的基本培养基上。,3、抗性突变型：细菌由于某基因的突变而对某些噬菌体或抗菌素产生抗性。如：抗药突变型： 抗链霉素突变型：Strr，（野生型Strs） 抗青霉素突变型：Penr，（野生型Pens ）抗phage突变型： 抗T1-phage突变型：Tonr，（野生型Tons ）,细菌接合现象的发现F因子及其转移细菌重组的特点,第三节 细菌的接合与染色体作图,一、细菌接合现象的发现,菌株A：met- bio- thr+ leu+ thi+菌株B：met+ bio+ thr- leu- thi-,二、F因子及其转移,细菌主要是无性繁殖，直到1946年人们才注意到不同品系大肠杆菌间可以杂交，并进行了基因重组，从而首次发现了大肠杆菌也有“性别”。,1、细菌的性别,2、F因子/性因子/致育因子,F因子：环状DNA，含6104个bp。大肠杆菌供体中含有，而受体无。由原点、致育基因、配对区三个部分组成。,环状F因子的模式图,组成F因子各部分的功能,原点：是转移的起点。配对区：此处与大肠杆菌DNA多处核苷酸序列相对应（即同源序列），故可通过交换而使F因子整合到大肠杆菌DNA上。致育基因：其上一些基因编码生成F菌毛的蛋白质，即供体菌细胞表面的管状结构，F菌毛与受体菌细胞表面的受体相结合，在两个细胞间形成细胞质桥。,3、F+、F-与Hfr,F+：细胞质中具有F因子的大肠杆菌（供体）F-：细胞质中没有F因子的大肠杆菌（受体）,大肠杆菌性别,F+,大肠杆菌性别,F因子及其在杂交中的行为,细胞质桥(接合管),F+ F-,F+,F+,F因子转移的频率很高，但细菌DNA间的重组率很低，故称F+为低频重组品系(low frequence recombination，Lfr)。,F+F-,Hfr（high frequence recombination）,F因子整合入大肠杆菌染色体中,大肠杆菌性别,F-,细菌DNA间的重组率很高，故称之为高频重组品系（high frequence recombination，Hfr），重组率为10-2。 F因子转移的频率很低。,F因子的环出,4、附加体,象F因子既可独立存在于染色体之外作为一个独立的复制子，也可整合到大肠杆菌染色体中作为大肠杆菌复制子的一部分的遗传物质（遗传因子），称为附加体。,三、细菌重组的特点及机制,细菌重组的特点细菌同源重组的分子基础,（一）细菌重组的特点,中断杂交实验与重组作图,细菌重组不同于真核生物的完整二倍体的重组。,Hfr 与F接合常会形成部分二倍体,部分二倍体：这种含有一个亲体F-全部基因组和另一亲体部分基因组的合子叫部分合子（半合子）/部分二倍体。细菌的重组就是指F-的DNA（内基因子）与Hfr的部分DNA （外基因子）之间的重组。,内、外基因子的交换情况,单交换 部分二倍性线状体双交换 重组体线性片断偶数次交换结果：只产生一种重组体，而无另一相应的重组体。,由此可见在细菌的重组中有下列两个特点：1、只有偶数次交换才能产生平衡的重组子；2、不出现相反的重组子，所以在选择培养基上只出现一种重组子。,（二）细菌同源重组的分子基础,RecBCD识别chi序列引发重组RecA催化单链同化Ruv系统解离Holiday连接点,1、RecBCD识别chi序列引发重组,保守的8碱基非对称序列大肠杆菌DNA每5-10Kb自然出现一次被recBCD编码的酶所识别刺激重组重组热点,1）chi 位点,2） RecBCD酶的功能, 能降解DNA的核酸酶（核酸外切酶） 解旋酶活性 ATP酶活性目标：提供一条含游离3端的单链区域 （ RecA可以作用的底物）,RecBCD酶识别chi序列引发重组,2、 RecA催化单链同化, 具有蛋白酶活性 在单链DNA和ATP存在的条件下启动DNA单链和与之互补的双链分子进行碱基配对。单链同化： RecA可使一条DNA单链置换一条双链DNA分子中同源链的反应。,单链同化需要的条件：a. 必须有一个单链DNA分子区域。b.必须有一个具游离3端的DNA分子； c.该单链区域和3端必须位于这两个分子的互补区域中。,具有游离3端的单链,单链,具有游离3端,3、Ruv系统解离Holiday连接点,RuvA：识别Holliday连接点的结构RuvB：具ATP酶的活性，为分支迁移提供动力。RuvC：具有核酸内切酶活性，可特异识别Holliday 连接点。,一、中断杂交实验原理二、中断杂交作图三、重组作图（自学）,第四节 中断杂交与重组作图,一、中断杂交实验原理,Hfr细胞和F-细胞杂交，基因从Hfr细胞按次序转入F-细胞，可根据基因进入F-细胞的时间和次序制作基因图谱。实验材料 Hfr：thr+ leu+ azis tons lac+ gal+ strs F-：thr- leu- azir tonr lac- gal- str r,str r（ F-可以在链霉素培养基上生长）strs（ Hfr不能在链霉素培养基上生长）,实验方法-中断杂交实验,两品系在液体培养基里，通气混合培养，定时取样，猛烈搅拌以中断杂交，释稀菌液，在含Str的基本培养基上培养。,A,A,B,B,C,C,D,D,D,D,C,C,B,二、中断杂交作图,实验结果,随时间推移，具有某一基因的菌落逐渐增加，达到一定频率后就不再变动，而且愈早转入的基因，所达到的频率也愈高。,实验结果说明：,Hfr 的DNA从一端开始，以线性方式逐段进入F，这一端叫原点或O点。O点 azis tons lac gal,时间单位法,以转移时间单位（每分钟）作为基因间距单位，可作出Hfr 的“染色体”上的基因分布图（基因连锁图） 。,E.coli的连锁群,E.coliK12的基因组环形图为100min,假如让Hfr F杂交持续2h后中断杂交，发现一些F F。这说明Hfr的全部基因转移到F内，排列到最后的F因子才进入F，使F F 。,中断杂交实验与重组作图,F因子在细菌染色体上有很多插入位点，并且插入的取向不同,几个Hfr菌株的线性连锁群的产生,Hfr H菌株的基因转移顺序 thr pro lac pur gal his gly thiHfr 1菌株的基因转移顺序 thr thi gly his gal pur lac pro,F因子的形成,细菌染色体,第五节 F因子与性导,一、F因子与F菌株带有部分细菌染色体的F因子称F因子。特点：能独立复制 F菌株：指带有F因子的细菌。,二、性导（sexduction或F -duction ）,通过F因子将供体细胞的基因导入受体形成部分二倍体的过程叫性导。,性导,a,a,细菌的转化与作图细菌的转导与作图,第六节 细菌的转化与转导作图,一、细菌的转化与作图,转化作用：从细菌的培养物提取的DNA可以在体外转移到受体细菌中的过程。发生转化的频率很低：大约为1的受体细菌可吸收外源DNA并发生转化。,原因：,受体细菌的受体部位的数目是有限的。外源DNA片段只是在受体部位通过。外源DNA的进入，除受体部位外，还必须有酶或蛋白质分子，以及能量等的协同作用。外源DNA只有在酶促旺盛的受体部位进入。,感受态细胞与感受态因子,感受态细胞：这种能接受外源DNA分子并被转化的细菌细胞。感受态因子：促进转化作用的酶或蛋白质的分子。,感受态细胞,单链,通过交换进行整合,供体trp2+ his2+ tyr1+ DNA向受体trp2- his2- tyr1- 转化实验中转化体的类别及重组值的计算,11940+1180,2600+107+3660+418,11940+107,2600+1180+3660+685,11940+3660,418+1180+685+107,转化基因间重组值的计算,转化子数(重组体数) 亲组合数+转化子数,trp2his2的重组值=34% trp2tyr1的重组值=40% his2tyr1的重组值=13% 根据重组值作图： trp2 34cM his2 13cM tyr1,重组值= =,(+ -)+(- +)(+ +)+(+ -)+(- +),二、细菌的转导与作图,普遍性转导与作图特异性转导与作图 （后学）,转导作用：以噬菌体为媒介，将细菌的小片段DNA或基因，从一个细菌转移到另一细菌的过程叫转导作用。,（一）普遍性转导与作图,J.Lederberg 和 N.Zinder 做了这样一个杂交试验： 鼠沙门氏菌的2个突变菌株： LA22：phe- trp- met+ his+ LA2： phe+ trp+ met- his-LA22+LA2混合培养得野生型（10-5）,U型管实验,只允许DNA等大分子及病毒通过，细菌细胞不能通过。,实验结果：右臂得到了野生型细胞,实验结果的解释,22 的释放：LA22是带有P22原phage的细菌；在培养过程中，少数LA22细菌自溶释放出游离的p22。p22的侵染： 这种游离的p22通过滤孔进入左臂而感染了LA2细菌。转导噬菌体的形成：在裂解LA2过程中，宿主LA2环状染色体被裂解成小片段，某些片段在P22phage组装时偶尔被装入头部，形成转导噬菌体。这种转导噬菌体就将LA2的基因转入LA22。形成部分二倍体，经重组后形成野生型菌落。,LA2,LA22,普遍性转导的概念,象P22、P1这类phage可以转移细菌DNA很多不同部分，这种转导作用称为普遍性转导。普遍性转导的频率较低，约为10-5，两个基因同时转导的频率则更低， 仅有10-5 10-5=10-10。 如果两个基因同时转导的频率较高则说明是连锁的。共转导/并发转导：两个基因同时转导的现象。,确定3个基因的顺序,如果两个基因共转导频率较高，那么说明这两基因连锁，而且频率越高，则两基因距离越近；反之则越远。双因子转导三因子转导,转化与转导作图,双因子转导,每次观察2个基因的转导，通过确定每2个基因之间的共转导率可确定它们在染色体上的次序。（3次）如：a基因和b基因共转导频率高，a和c共转导频率也高，b和c共转导频率低，则3个基因顺序为,b a c,三因子转导,1次实验（共转导率）可确定3个基因的次序。例：利用普遍性转导测知leu，thr，azi三个基因顺序。结果在选出的thr+ 重组子只有3%leu+，但无一个同时也是azi+ 。若选择leu+重组子，则约有50%同时也是azi+。因此3基因次序应为 thr+ leu+ azi+。,供体：大肠杆菌trpA+、supC+、pyrF+受体：大肠杆菌trpA-、supC-、pyrF-最初选择的是supC+转导子，检查另2个基因被转导的情况，结果如下：supC+ trpA+ pyrF+ 36supC+ trpA+ pyrF- 114supC+ trpA- pyrF+ 0supC+ trpA- pyrF- 453总计 603,三因子转导,supC+与pyrF+的共转导率是最低的（0），故三者的排序： supC trpA pyrF supC+ trpA+的共转导率：（36+114）/603=0.25supC+ pyrF+ 的共转导率：36/603=0.062个基因的共转导率：0-1d=L（1-3x ）d：2个基因的图距L：转导DNA的平均长度（一个phage基因组的大小）x：2个基因共转导率,
