遗传学课件细菌.ppt

第七章 细菌的遗传分析,第一节 细菌的细胞和基因组第二节 大肠杆菌的突变型及其筛选 第三节 细菌的接合与染色体转移第四节 中断杂交与重组作图第五节 F 因子与性导第六节 细菌的转化与转导作图第七节 一个基因一种酶,第一节 细菌的细胞和基因组,1.细菌的细胞 细菌包括真细菌和古细菌。真细菌主要包括细菌、放线菌、蓝细菌、支原体、立克次氏体、衣原体等。这些细菌以多种形态存在，基本形态为 球形、杆状和螺旋状。,细菌的大小随种类不同而异，量度细菌的大小的单位是微米（um）。通常，球菌：直径；杆菌：宽长 0.5-1um1-5um；螺菌：宽、长、螺距。细菌是结构简单的单细胞生物，基本结构包括细胞壁、细胞膜、拟核、核糖体、细胞质及内含物；特殊结构有荚膜和鞭毛等。,细菌细胞很小，不便于操作。遗传学很少研究单个细菌细胞，而是研究细菌细胞的群体。将来源于一个培养物的稀释样品进行平板接种后，每个细菌细胞都会进行繁殖形成肉眼可见的细胞群，即菌落或克隆。,大肠杆菌的细胞和菌落（a）大肠杆菌扫描电镜照片（b）两个子细胞的电镜照片（c）大肠杆菌的菌落,第一节 细菌的细胞和基因组,细菌不通过有性方式繁殖，细菌染色体不凝缩，没有着丝粒，也没有 纺锤体结构。细菌繁殖：双链环形 DNA 分子随着细胞伸长而采取二分分裂的方式 分开。,细菌染色体的复制和细胞分裂（a）大肠杆菌释放染色体的电镜照片（b）细胞分裂时染色体的复制和分布,第一节 细菌的细胞和基因组,2.细菌的基因组 细菌细胞的大部分遗传信息位于一条环状的双链 DNA 分子上，这个 DNA分子一般被称为细菌的染色体，存在于细胞内一个称为“拟核”的区域中。这种结构有利于外源 DNA 的插入。细菌的染色体长度为 250-35,000 um 不等。,第一节 细菌的细胞和基因组,（1）拟核结构 电镜观察表明：拟核结构最显著的特征是其DNA被包裹压缩成一个个 有序的环状结构域（loop domain）。,大肠杆菌基因组长4.7106 bp，在松弛状况时长 1,300 um，是其细胞 长度的 1,000 倍，必须压缩最少 1,000 倍后才能装入细胞中。,大肠杆菌染色体超螺旋折叠的结构,第一节 细菌的细胞和基因组,（2）大肠杆菌基因组概况 大肠杆菌的染色体为闭合双链环状 DNA，长约 1,333 um。,1997 年测定完成大肠杆菌 K-12 MG1655 菌株全基因组:4,639,221（约 4.7106）bp 其中：87.8 编码蛋白质；0.8 编码稳定性RNA；0.7%无编码功能的重复序列；11 属于调节序列或具有其它功能。,编码蛋白质序列中总共编码 4288 种已知和未知的蛋白质（可读框），其中约 38 功能不明。,在 K-12 MG1655 菌株中，基因的平均长度为 950 bp,基因之间的平均 间隔约为 118 bp，但是菌株之间可能会有很大的差别。,第一节 细菌的细胞和基因组,2005 年报道了第二个菌株 K-12 W3110 基因组的完整序列。比较K-12 MG1655 菌株和 K-12 W3110 菌株，发现两者基因组大小并不是一致的。K-12 W3110 基因组大小为 4,646,332bp，基因总数为 4,464个。K-12 W3110 与K-12 MG1655 两者相同的基因为 4,453个。,第一节 细菌的细胞和基因组,第二节 大肠杆菌的突变型及其筛选,1.大肠杆菌的突变类型（1）合成代谢功能的突变型 野生型品系在基本培养基上具有合成所有代谢和生长所必需的复杂有 机物的功能，这称为合成代谢功能，这需要大量基因的正常表达。,（2）分解代谢功能的突变型 野生型大肠杆菌能使复杂的糖类转化成葡萄糖或其他简单的糖类，也 能将其他复杂分子转变为便于利用的更小的中间物，这些降解功能称为分 解代谢功能。,如果其中任何一个必需的基因发生了突变都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，这种突变型称为营养缺陷型。它们多是条件致死突变，因为能通过在基本培养基中添加所需的有机成分 使具有这种突变的细菌存活。,同样，一系列降解功能的实现也需要许多有关基因的表达，其中任何 一个基因的突变都会影响降解功能的实现。,例如：Lac 突变型不能分解乳糖，因此就不能生长在以乳糖为唯一 碳源的基本培养基中，而野生型 Lac+细菌都能利用乳糖。Lac 表型可能 是因为 lac Z+或 lac Y+基因发生突变，分别产生了基因型 lac Z 或 lac Y 的突变型菌株。这种菌株显然也是条件致死突变型。,（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生素产生抗性，对噬菌体 的抗性突变往往是以某种方式改变细菌的膜蛋白，从而某种噬菌体不能吸 附或吸附在这种突变细菌上的能力降低。裂繁殖。,细菌对各种抗生素的抗性机制各不相同。如对链霉素抗性突变的细菌是由于核糖体的30S亚基的S12蛋白变异，链霉素能和敏感细菌（野生型）的 S12 结合，从而使翻译过程发生差错或者使翻译过程的启动作用失效。而抗链霉素突变型的 S12 不再和链霉素结合，因此抗性突变细菌可以 在链霉素存在的情况下，进行正常的翻译作用和正常的分裂繁殖。,第二节 大肠杆菌的突变型及其筛选,问题和思考,请就滥用抗生素谈谈你的看法。,第二节 大肠杆菌的突变型及其筛选,细菌中某些突变型的基因符号,第二节 大肠杆菌的突变型及其筛选,问题和思考,第二节 大肠杆菌的突变型及其筛选,如何筛选缺陷性的细菌？,2.细菌的培养与突变型筛选,细菌的培养与突变型筛选,（a）细菌的培养（b）突变型筛选,第二节 大肠杆菌的突变型及其筛选,1.细菌接合现象的发现,1946年，Lederberg 等的一 个实验发现两型的大肠杆菌之间 确有遗传物质的交换。,可能的原因？,第三节 细菌的接合与染色体转移,实验一,1.细菌接合现象的发现,A 营养互饲,C 杂交，交换遗传物质重组？,B 基因突变,如何验证？,第三节 细菌的接合与染色体转移,1.细菌接合现象的发现,1950年，Davis 设计了 U 型管，从 U 型管两端取样培养，没有出现原养型菌落。可见，只有菌株 A 和菌株B 的细胞通过接触后，象高等生物的有性过程一样，发生了杂交，遗传物质有了交换，才产生了与两个亲代不同的野生型的细菌。,第三节 细菌的接合与染色体转移,2.F 因子及其转移,大肠杆菌中遗传物质的交换不是交互的，事实上一个菌株（菌株 B）作为遗传物质的受体，另一个菌株作为遗传物质的供体（菌株 A），这种 单向的基因交换可以比之于“性”的差别，所以，可以把供体看作是雄性菌株，而把受体看作是雌性菌株。,Hayes 实验：菌株A met thr+leu+thi+菌株 B met+thr leu thi,实验二,第三节 细菌的接合与染色体转移,两个 E.coli 细胞的结合,第三节 细菌的接合与染色体转移,已经证实 F 因子是一种质粒，能够自我复制的环状DNA分子，作用象 一个微型染色体，包含约 100 个基因。,F 因子的重要性质：F 因子能够复制它的DNA，使它能够保持存在于正在分裂的细胞群 体中；,携带 F 因子的细胞产生伞毛-微小的蛋白质表面管，使 F+细胞能 与其他细胞吸附，并且保持它们的接触。,F 因子的性质,第三节 细菌的接合与染色体转移,F+细胞能够转移新合成的环状 F 基因组拷贝到受体细胞 F-中去。结果是：F-F+，F+F+?,F 因子的性质,F+细胞通常阻止与另一个 F+细胞接触，并且通常不转移 F 基因组 到 F+细胞。,F 因子的性质,偶尔，F 因子将自己整合进宿主细菌染色体上。,第三节 细菌的接合与染色体转移,F 因子将自己整合进宿主细菌染色体上后，当它与 F-接合时，F 因子 也能与它自己的DNA一起转移宿主染色体基因（标记基因）到受体细胞。,F 因子的性质,第三节 细菌的接合与染色体转移,偶尔，整合的 F 因子也能切离细菌染色体回到细胞质中，少数情况 下，切离染色体时，出现误切，F 因子上带有宿主的少数基因，形成环状 的 F 因子。这种含有细菌染色体基因的 F 因子叫做 F 因子。,实验室中，要使 F+F-，最有效的方法是用吖黄素处理。调节吖黄 素的浓度，使该浓度不妨碍细菌的增殖，但可以选择性地抑制 F 因子的复 制，在含有吖黄素的培养液中培养 F+细菌，所有的细菌都成为 F-。,F 因子的性质,第三节 细菌的接合与染色体转移,3.高频重组,当 F+F时 F F+的频率高达95%以上；染色体基因的重组频率不到 10-6。,人们在菌株A中发现了一个新的菌株，当新 F+F时 染色体基因的重组频率高于 F+F的一千倍；F F+的频率极低。,这个新的菌株就叫做高频重组（high frequency of recombination）菌株，简称 Hfr。这个 Hfr 与 F杂交为什么会出现高频率的重组呢？,第三节 细菌的接合与染色体转移,1.用中断杂交技术作连锁图,第四节 中断杂交与重组作图,Wollman 等思考这个问题，想了解 Hfr 细菌在杂交中什么时候把基转移给 F细菌的。他们选用了下面两个菌株进行杂交：Hfr:thr+leu+azir tonr lac+gal+strs F:thr leuazis tons lacgalstrr,实验三,Hfr:thr+leu+azirtonrlac+gal+strs F:thrleuazistonslacgalstrr,接合,定时中断,含链霉素但不含苏氨酸和亮氨酸的基本培养基：两个原始亲本（Hfr 和F）菌株都不能生长。,只有带有 thr+和 leu+的 Hfr菌体与带有 strr 的 F 菌体的重组子才可以生长。基因型至少是 thr+leu+strr。,取样检测,Hfr,F,第四节 中断杂交与重组作图,能够在上述培养基上生长的细菌重组子，已知基因型至少是 thr+leu+strr，这是实验中的选择性标记基因。再对这些重组子进行影印法培养，分析 Hfr 染色体上其它非选择性标记基因进入 F的顺序和时间，绘制出 连锁图。,Hfr 的未选择性标记基因进入F所需的时间,第四节 中断杂交与重组作图,实验的基本过程：,基本培养基中的碳源为：乳糖或半乳糖,第四节 中断杂交与重组作图,如果让 HfrF杂交继续进行，长达二小时，然后使其中断，发现某 些受体也转变为 Hfr。实际上，F 因子最后也转移到受体细胞中。F 因子是线性染色体的最 后的一个单位，它的转移效率很低。这样，我们可以得到下面这样的连锁 图形：,结论：Hfr 细菌的基因按一定的时间和顺序依次地出现在细胞中。,根据中断杂交技术，如果用杂交后 Hfr 基因最初在受体细胞中出现的 时间作为相对距离，可以绘制连锁图。,第四节 中断杂交与重组作图,2.大肠杆菌的染色体呈环状 用了几种不同的 Hfr 菌株进行中断杂交试验，都可以作成连锁图，可 是它们中基因的转移顺序、转移起点和转移方向却并不相同。,几个 Hfr 菌株的基因顺序,从表中可见，尽管这些 Hfr 菌株的基因的转移顺序、转移起点和转移方向很不相同，但不是随机的，存在着某种规律。,第四节 中断杂交与重组作图,Hfr 染色体的形成都可以用 F 因子插入到环状染色体的不同地点来说明,四个Hfr 菌株的基因转移顺序的原因,从该假设中得到并证实几个结论：F 因子的插入方向将决定 Hfr 染色体 的极性；,插入的F因子的一端将是原点，从原 点 Hfr 染色体的转移开始；F 因子的另一端 为末端，一般并不被转移，除非整个染色体 都被转移。F 因子的未端常与育性有关，如 果这个末端也被转移，受体细胞将被转变成 雄性细胞（F+）。,第四节 中断杂交与重组作图,阅读P165的图,第四节 中断杂交与重组作图,思考纵坐标的%是如何得到的？为什么曲线有高有底？有没有问题？,3.F 因子整合到细菌染色体的过程 现在知道，F 因子是环状的，细菌的染色体也是环状的。F 因子的插 入决定了 Hfr 染色体的极性，F 因子所在的地方是末端，与 F 因子相对的 一点是原点，是染色体转移的起点。在环状的细菌的染色体与环状的 F 因 子之间只要发生一个简单的交换，就可以形成一个较大的环。,F 因子是一种质粒，可以自律地复制，在细胞分裂时分配到子细胞。F 因子又是附加体，既可游离于细胞质，又可整合到细菌的染色体上去。,环状的 F 因子，通过交换整合到环状的细菌染色体上，形成 Hfr 染色体,第四节 中断杂交与重组作图,F 因子含有的 IS 聚集在F因子的 某个区域，另一方面，在 E.coli 染色 体的各个区域也有多数 IS 存在。,环形的F因子包括一下几个部分：原点，是转移的起点；形成性伞毛的基因群；DNA 复制酶基因；插入序列 IS（insertion sequence），与其插入细菌染色体的过程 有关。,IS 有极性，或左或右，交换后整 合到染色体的方向也就随之而定。上 述的各 Hfr 菌株染色体的原点和转移 方向不同，可以认为是 F 因子整合到 细菌染色体的不同 IS 部位的结果。,第四节 中断杂交与重组作图,F 因子插入到宿主的染色体,（a）F 因子插入的交换机制,（b）F 因子的基本结构,（c）Hfr 的形成及其基因转移,第四节 中断杂交与重组作图,现在把大肠杆菌的性过程概括如下：,第四节 中断杂交与重组作图,4.细菌的交换过程 上面只讨论了杂交中遗传信息的转移过程，供体的遗传信息被转移后 的命运如何呢？显然，在重组子被检出之前，被转移的遗传基因必须通过 交换才能整合到受体的基因组中去。现在就要讨论这种交换的特点。,原核类中的遗传交换与真核类的不同，交换不是像在真核类那样在两 整套基因组之间进行，而是在一完整的基因组（称作F内基因子）与一不 完整的基因组（称作外基因子）之间，即在所谓的部分二倍体或部分合子 之间进行。,部分合子模式图,第四节 中断杂交与重组作图,细菌的交换是在部分二倍体之间进行的，但如果部分二倍体中 F完 整的染色体与 Hfr 部分染色体之间发生的是奇次交换则是无效的，因为在 环断裂后，产生的是不平衡的部分二倍体线性染色体。,如果部分二倍体中 F完整的染色体与 Hfr 部分染色体之间发生的是 偶次交换，就产生平衡的重组子和片段，片段在以后的细胞分裂中丢失。,所以，在细菌的重组中，有两个特点：只有偶次交换才能产生平衡的重组子；,相反的重组子不出现，在选择培养基上只出现一种重组子。,第四节 中断杂交与重组作图,5.重组作图 在中断杂交实验中，我们根据基因转移的先后次序，以时间为单位得 出了基因的连锁关系。如果两基因间转移的时间单位接近两分钟，用中断 杂交技术，连锁关系就不可靠。这时，可用传统的重组作图法。,有两个基因 lac 和 ade，根据中断杂交试验，知道这两个基因是紧密 连锁的。就 Hfr 供体来说，ade 有可能在 lac 之前进入 F 受体，ade 也有 可能在 lac 之后进入 F受体。,现在，我们选用一种 ade 在 lac 之后进入 F受体的 Hfr 供体与F杂交。,ade 在 lac 之前进入 F 受体：,ade 在 lac 之后进入 F 受体：,ade,lac,ade,lac,转移方向,转移方向,ade,lac,转移方向,ade 在 lac 之后进入 F 受体：,第四节 中断杂交与重组作图,Hfr:lac+ade+str s F:lacadestrr,含链霉素的基本培养基（碳源为葡萄糖）：两个原始亲本（Hfr 和F）菌株都不能生长。,只有带有ade+的 Hfr菌体与带有 strr 的 F 菌体的重组子才可以生长。基因型至少是 ade+strr。,混合培养60分钟,第四节 中断杂交与重组作图,因为 ade 是在 lac 之后进入 F受体的，转移顺序在 ade+前面的lac+自 然也已进入，所以选出的 Fade+strr，一定是由同时得到 ade+和 lac+的部分二倍体起源的。,外基因子,内基因子,lac+,一个部分二倍体,ade lac,ade+,第四节 中断杂交与重组作图,把得到的重组子菌落影印在由曙红和美蓝的培养基（EMB）上，检测 它是否能够利用乳糖。如能发酵乳糖（lac+），菌落紫红色；如不能发 酵乳糖（lac），菌落粉红色。,基因型 ade+strr,影印,在碳源为乳糖的培养基中检测 能否利用乳糖。如能发酵乳糖（lac+），菌落紫红色；如 不能发酵乳糖（lac），菌落 粉红色。,紫红色菌落：ade+lac+strr 粉红色菌落：ade+lacstrr,第四节 中断杂交与重组作图,对得到的重组子（Fade+strr）进行能否利用乳糖的检测，结果有能 够利用乳糖的紫红色菌落（Fade+lac+strr）和不能发酵乳糖的粉红色菌落（Fade+lacstrr），这提示在ade+-lac之间发生过交换。,ade+lacstrr,ade+lac+strr,ade+strr,strs ade+lac+,strr ade lac,strr ade+lac+,strr ade+lac,双交换发生在ade-lac 两侧,双交换发生在ade-lac 之间,strs ade+lac+,strr ade lac,紫红色菌落,粉红色菌落,第四节 中断杂交与重组作图,我们选得的Fade+如果同时是lac+，表明 lac-ade之间没有发生交换；如果是lac，则表明在这两个基因之间发生过交换，所以求两基因之间的 重组值，可用下式表示：lacade+lacade+lac+ade+lacade+ade+,100%=,100%=22%,象 lac 和 ade这样两个座位，根据时间单位方法，距离是1分钟，用重 组方法重组值是22%，时间和重组值的关系大约是1个时间单位（1分钟）相当于 20%重组值。因为时间单位接近2分钟时，测得的基因间的距离就 不那么可靠，所以应该采用比较稳定的重组作图法。,中断杂交作图和重组作图法的关系如何？,根据中断杂交实验、基因重组实验及其它基因定位实验的结果，目前 已经绘制出大肠杆菌的环状遗传学图。,第四节 中断杂交与重组作图,1963 年，E.coli 大约准确定位了 100 个基因。,1990 年，E.coli 超过 1,400 个基因被定位。,1997 年，定位了 4,288 个基因。,2005 年，定位了 4,464 个基因。,注意：基因型中的基因特性（lac+，lac 等）与连锁图中的基因座位（lac，gal 等）的表示差别。,第四节 中断杂交与重组作图,1.性导 1959 年，在大肠杆菌中发现了一种新的 F 因子，具有这种新的 F 因子 的菌株称为 F。当 F F时 F F 的频率与 F+F时 F F+的相当；能象 Hfr 那样转移基因，但效率很低。,例如，有一Hfr菌株，这菌株的 lac+座位接近 Hfr 染色体的末端。在 这个菌株中，又发现了一个新的 F+菌株，能把 lac+以很高的频率转移到 Flac受体，使受体细胞在表型上成为F+lac+。,通过 F F 使受体细胞在表型上成为 F+lac+，但这些 lac+菌落不 稳定，偶尔（10-3）出现 lac子细胞，所以其受体细胞应该是部分二倍体 Flac+/lac，这种部分二倍体 Flac+/lac之所以不稳定，是因为它们在分 裂的过程中，带有 lac+的 F因子会丢失。,第五节 F 因子与性导,（a）在一个Hfr 菌株中 F 因子插入 在基因 ton 和 lac+之间；,（b）F 因子在切离时错误地把 lac+包括进去了；,（c）游离出一个F 因子（Flac+）；,（d）F lac+转移到受体 F lac 形 成部分 二倍体 F lac+/lac。,第五节 F 因子与性导,另外，因为Flac+/lac细胞的表型是 lac+，所以知道 lac+对 lac是显 性。所以，利用部分二倍体可以获得单倍体基因组中基因显隐性的信息。,有时，因为F 因子从染色体上切离下来时携带较大片段的染色体，就 可以形成多个基因的部分二倍体。利用这种部分二倍体有可能对连锁的基 因进行重组作图。,利用 F因子形成部分二倍体，叫做性导。,在大肠杆菌的遗传分析中，我们提到了四种菌株，它们是 F+、Hfr、F“雄性”菌株（F+菌株），含有 F 因子。F“雌性”菌株（F菌株），不含 F 因子。,2.四种不同菌株的相互关系 在微生物学中，我们已谈到上述四种不同菌株的关系。现在，再让我 们来回顾一下，有助于对它们在杂交中的行为有进一步的了解。,第五节 F 因子与性导,与 F+接合,分离或消除,F,F+,Hfr,F,F 因子的转移方式,异常切离,整合,切离,与 F 接合,分离或消除,第五节 F 因子与性导,第六节 细菌的转化与转导作图,1.转化 转化是指受体细胞吸收外源DNA片段并将其整合到自己的基因组中获 得新的遗传特性的过程。,接受外源DNA的受体细胞称为感受态细胞，一旦外源DNA被受体菌吸收，便形成了部分二倍体，有可能与受体菌染色体之间发生重组，从而使受体细胞发生稳定性的遗传转化。,任何来源的 DNA 均可被转化进入受体菌，但是只有同源性DNA片段 重组才能整合进入受体菌基因组，引起基因型的变化。,转化过程包括几个连续的阶段：双链DNA分子和细胞表面受体进行可逆性结合；供体的DNA在细胞内不被降解；双链DNA的一条单链被降解，另一条单链进入受体细胞；单链DNA部分或全部插入到受体细胞形成同源区杂合DNA分子；杂合DNA分子经过复制、分离后可以导致各种类型的转化子。,细菌转化的机制,（b）供体为 DNA 片段，单链重组,（a）供体为环状 DNA，整体重组,第六节 细菌的转化与转导作图,转化中的供体 DNA 片段往往可以携带若干个基因，这些基因可以同 时转化，但同时转化的基因不一定是连锁的，因为两个不连锁的不同DNA 片段有可能被同一个细胞所吸收。,判断所转化的两个基因是否连锁，可以通过观察DNA浓度降低时的转 化频率的这一可靠证据来说明：当 DNA 浓度下降时，AB 共转化频率和 A 或 B 转化频率下降程度相同，则 AB 是连锁的；如果 AB 共转化频率的 下降远远超过 A 或 B 转化频率下降的程度，则 A 和 B 是不连锁的。,在较低的浓度范围内，转化频率和转化 DNA 的浓度成正比。如果两个基因在同一 DNA 分子上，浓度降低 10 倍时，两个基因同时 转化的频率也将降低 10 倍；,如果两个基因在不同的 DNA 片段上，DNA 浓度下降 10 倍时，两个 基因同时转化的频率将减少 100 倍。,当我们确定了基因的连锁关系后，就可以通过转化实验对基因进一步 作图。,第六节 细菌的转化与转导作图,转化实验：供体 trp+his+tyr+受体 trphistyr,a+整合数+b+整合数 a+b+整合数+a+整合数+b+整合数+ab,a-b 的重组值=,trp-his:,trp-tyr:40%his-tyr:13%,（3600+418+2600+107）/（3600+418+2600+107+11940+1180）=34%,第六节 细菌的转化与转导作图,有时，利用共转化来确定基因顺序。例如：如果基因 p 和 q 常常一起传递到受体，这样两个基因可能是相 对地紧密连锁，同样基因 q 和基因 o 也经常一起传递到受体细胞。这两个 基因也是彼此连锁的。,为了确定基因顺序，我们现在需要 关于基因 p 和 o 的信息。理论上有两种 可能的顺序：p-o-q 和 p-q-o。,若顺序是 p-o-q，这样 p-o 和 o-q 必 将共转化，因为它们比 p 和 q 靠得更紧 密。若顺序是 p-q-o，这样 p 和 o 将很少 或根本不发生共转化，因为它们离得相 对较远。,结果表明没有 p 和 o 的共转化，说 明基因顺序肯定是 p-q-o。,第六节 细菌的转化与转导作图,2.转导（transduction）转导就是以病毒作为载体把遗传信息从一个细菌细胞传到另一个细菌细胞。转导可分为:一般性转导（generalized transduction）特殊性转导（specialized transduction）1、烈性噬菌体的感染周期 裂性噬菌体（virulent phage）是使宿主菌发生裂解的噬菌体，它在侵染细菌时，先吸附到菌体表面的特异受体上，由噬菌体所产生酶的作用下，在细菌细胞壁上形成一个微孔，把它的头部中所含的核酸遗传物质注入到细菌内（8.11），噬菌体核酸所带的遗传信息把宿主的生物合成装置按管过来，停止合成细菌成分，使细菌的合成装置转为合成更多的噬菌成分，最后细菌细胞裂解（Lysis），释放出很多子代的噬菌体。,第六节 细菌的转化与转导作图,2.转导 转导（transduction）是由缺陷病毒介导的细胞 之间进行遗传物质交换的 一种方式，即一个细胞的 DNA 或 RNA 通过病毒载 体的感染转移到另一个细 胞中。,（1）普遍性转导 转导现象的发现 Lederberg-Zinder 在 1951年为了证实大肠杆菌 以外其它菌种是否也存在 有接合作用做了系列实验。,沙门氏菌 2 个营养缺陷型混合出现了原养型。,“U”型管实验同样出现了原养型。,LT2 菌株phe+trp+met-his-,LT22 菌株 phe-trp-met+his+,涂平板（MM）,无原养型菌落,原养型菌落 phe+trp+met+his+,涂平板（MM）,LT22A 是携带 P22 噬菌体的溶源菌。,?,P22噬菌体可以通过滤板,1,2,3,第六节 细菌的转化与转导作图,普遍性转导模式,普遍性转导,P22 噬菌体 DNA 的包装机制,第六节 细菌的转化与转导作图,外源DNA与细胞染 色体重组交换而形 成稳定的转导子,外源 DNA 被降 解，转导失败,普遍性转导的三种后果,流产转导,供体 DNA 游离存在,1,2,3,第六节 细菌的转化与转导作图,（2）局限性转导 局限性转导与普遍性转导的主要区别在于：第一，被转导的基因共价地与噬菌体 DNA 连接，与噬菌体 DNA一起 复制、包装和被导入受体细胞中。,第二，局限性转导颗粒携带特殊的染色体片段并将固定的个别基因导 入受体，因而称为局限性转导。,噬菌体是局限性转导的典型代表，成熟的噬菌体含有一线性的双链 DNA 分子，两端为互补的 12 个核苷酸单链（粘性末端 cos 位点）。,第六节 细菌的转化与转导作图,当 噬菌体感染细胞时，线性DNA通过 cos 位点形成环状分子，在调 节蛋白的作用下进行 2 种循环周期的选择。,低频转导 当整合的 原噬菌体从细菌染色 体上切离时，会发生一定频率（10-6）误切。,？,误切出的核酸实际上就是噬菌体 DNA 和染色体DNA的重组产物。“异常”切离的环状 DNA 分子携带有宿主染色体上的片段（位于原噬菌体的两端），同时也失去了原噬菌体一端相应长度的 DNA 片段。所形成的噬菌体颗粒没有正常噬菌体的溶源能力和增殖能力（缺陷噬菌体）。,第六节 细菌的转化与转导作图,以 gal 基因为例说明低频转导。,当 原噬菌体从细菌染色体上切 离时，裂解物中会形成10-6 的携带gal 的缺陷噬菌体（转导颗粒）。,感染复数：单位细胞受染病 毒颗粒的数目。,裂解物以低感染复数感染受体细 胞时，会获得转导子。,MM（半乳糖为唯一碳源）,第六节 细菌的转化与转导作图,获得转导子的 2 种方式：,这种转导过程获得转导子的频率很低即低频转导。用来进行低频转导 的裂解物称为低频转导裂解物。,如果将裂解物以高感染复数感染受体细胞会出现什么结果？,第六节 细菌的转化与转导作图,高频转导 将裂解物以高感染复数感染受体细胞。,双重溶源菌，同时也是 部分二倍体 gal+/gal,含 gal+转导颗粒的裂解物感染 gal 受体细胞,裂解物中含有等量的 正常的噬菌体颗粒和 gal+转导颗粒（1/2）,诱导裂解,以低感染复数感染 gal 受体细胞,MM（半乳糖为唯一碳源）,高频转导,gal,gal+,高频转导裂解物,第六节 细菌的转化与转导作图,3.转导与作图 转导是指以噬菌体为媒介，将细菌的小片段染色体或基因从一个细菌 转移到另一个细菌。转导分为普遍性转导和特异性转导，不论哪种转导，转导后都会在受体细胞中先形成部分二倍体，然后通过基因重组，将转导 的基因整合到宿主细胞的染色体上。,普遍性转导与作图 普遍性转导后，转导的 染色体片段与受体的染色体 之间形成部分二倍体。利用 部分二倍体，可以测定细菌 基因间的连锁关系。,普遍性转导机制,部分二倍体,第六节 细菌的转化与转导作图,举例：用大肠杆菌的 P1 噬菌体进行以下转导实验 供体：thr+leu+ara+受体：thrleuara,我们可以在受体中选择供体的一个或几个标记基因，然后检定非选择 性标记基因的有与没有。,thr leu ara,thr ara leu,遗传学试验中的标记基因、选择性标记基因、非选择性标记基 因。,第六节 细菌的转化与转导作图,在转导过程中，外基因子是 随机的，都会形成部分二倍体。但如果细菌两个基因的距离大于 病毒核酸的长度，一般不能同时 转导？除非两个转导颗粒同时感 染同一个细菌细胞，显然这种情 况很少发生。,两个基因同在一起转导就是共转导。共转导的频率越高，表明两个基 因在染色体上的距离越近，连锁越紧密。相反，如果两个基因的共转导频 率很低，就说明它们之间的距离较远。因此，测定两基因的共转导频率可 以确定基因之间的次序和距离。实际上在上面的例子中，就是通过比较基 因的共转导频率确定了三基因的次序为 thr-leu-ara。,共转导,两个转导颗粒同时感染同一个细菌细胞,共转导颗粒感染一个细菌细胞,第六节 细菌的转化与转导作图,通过观察两个基因的转导（两因子转导），计算并比较每两个基因之 间的共转导频率就可以确定三个基因或三个以上基因在染色体上的次序。例如：a 基因和 b 基因的共转导的频率很高，和 c 基因的共转导的频 率也很高，而 b 和 c 基因很少或完全不共转导，那么，这三个基因的相对 位置应为：b-a-c。,如果研究三因子转导，只需分析一次实验结果就可以推出三个基因的 次序。,供体：a+b+c+受体：abc,受体细胞接种在选择性培养基上。如果通过中断杂交试验已知三个基 因的一个如 a 不在中间，就可以对 a+进行选择，再检定 a+细胞是否同时 具有 b+和 c+，然后可以计算它们的重组值。,第六节 细菌的转化与转导作图,显然，最少的一类转导体应当代表最难以转导的情况，这种转导体是 同时发生交换次数最多的一类。这种转导体的两边应为供体基因，中间为 受体基因。如果正确次序为 a b c，该转导体就应为 a+bc+。,a+b+c+,a b c,a+b+c+,a b c,a+b c+,被转导的DNA,受体染色体,发生偶次（4次）交换,平衡重组子,片段，丢失,a b+c,第六节 细菌的转化与转导作图,假定由实验得到的最少的转导体为 a+b+c，那么我们就可以确定这 三个基因的正确次序应当是 a c b 或 b c a，而不是 a b c。,supC+trpA+pyrF+36 supC+trpA+pyrF 114 supC+trpA pyrF+0 supC+trpA pyrF 453,转导实验:供体 trpA+supC+pyrF+受体 trpA supC pyrF,从最少类型的转导子 的基因型可以看出，这三个基因的次序是 supC trpA pyrF，即 trpA 位于中间。supC+与 trpA+在 和 中共转导，而在 和 中不是共转导，所以这两个基因的共转导频率为：（36+114）/603=0.25；而 supC+和 pyrF+仅在 类共转导，其共转导频率为：36/603=0.06。,603,第六节 细菌的转化与转导作图,再来看看转导实验：供体 thr+leu+ara+受体 thrleuara,thr leu ara,转导颗粒所带有的供体菌染色体片段从 thr 开始，有时延伸到 leu 但没有扩展到 ara。根据细菌接合实验等知道这段染色体长度相当于细菌染色体的1/100，大致上也就是噬菌体染色体的长度。,0%ara+,50%ara+,3%leu+,0%ara+,thr leu ara,2%,转导片段区域,第六节 细菌的转化与转导作图,局限性转导 一些温和噬菌体只能转导细菌染色体基因组的某些基因，或者只是进 行对噬菌体在染色体基因组整合位点附近基因的转导。,虽然可以根据共转导频率推测基因的次序，但不能简单地用共转导频 率去计算基因的连锁图距离。有人经过一序列的推导，得到下面的计算公 式：d:同一染色体上两基因间的距离 d=L（1X1/3）L:转导 DNA 的平均长度（病毒基因组的平均长度）X:两基因共转导的频率,第六节 细菌的转化与转导作图,作 业,P180:1,3,5,6,10,12,13,七、一个基因一种酶,1.链孢霉突变的检出 链孢霉中营养突变的筛选方法是 Beadle 和 Tatum（1945年）最初提出来的。野生型菌株能合成一系列化合物，所以能在含有糖，某些无机酸和盐类，一种氮源和一种维生素生物素的基本培养基上生长，但大多数缺陷型菌株不能合成这种或那种化合物，不能在基本培养基上生长，但能生长在完全培养基上。要检出营养突变时，可把链孢霉菌株分别长在完全培养基和基本培养基上。如果在完全培养基上能够生长，而在基本培养基上不能够生长，就可在基本培养基上添加单一维生素或氨基酸。如果在添加某一营养物后可以生长，就知道这个菌株不能合成某一营养物，所以是某一营养物的缺陷型。用上述的分析方法，发现了几百种生化突变型。这些生化突变型的研究仅阐明了基因和代谢的一些关系，而且丰富了生物学的内容。,图 在链孢霉中诱变突变、检查突变和鉴定突变的方法,CM,MM,MM,CM,MM+V,MM+aa,图 确定链孢霉生化突变型遗传的方法,表 链孢霉精氨酸依赖型的不同菌株对添加氨基酸的反应,菌株,添加的 氨基酸,前体 鸟氨酸 瓜氨酸 精氨酸,酶I,酶III,酶II,菌株III,菌株II,菌株I,2.生化突变型与一基因一酶,一个基因一种酶一个基因一种蛋白质一个基因一种多肽链,前体 鸟氨酸 瓜氨酸 精氨酸,