川农大遗传学自学课件第10章.ppt

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1、Chapter10 细菌及病毒的遗传作图,10.1 细菌和病毒遗传研究的意义10.2 病毒的一般特性及类型 10.3 噬菌体的染色体作图10.4 细菌的细胞和染色体结构10.5 细菌的染色体作图本章要求复习思考题,10.1 细菌和病毒遗传研究的意义,一、细菌和病毒在遗传研究中的优越性二、细菌和病毒的拟有性过程三、细菌遗传的实验研究方法,一、细菌和病毒在遗传研究中的优越性,1.繁殖世代所需时间短。每个世代以分钟或小时计，如大肠杆菌每20分钟即可繁殖一代。2.易于管理和进行化学分析。用一支试管就可贮存数以百万计的细菌或病毒，在短期内累积大量产物，为化学分析提供条件。3.遗传物质较简单。只有一个位于

2、细胞质内裸露的DNA或RNA分子。4.便于研究基因的突变。细菌和病毒属于单倍体，所有突变都能立即表现出来。5.便于研究基因的作用。细菌可以生活在基本培养基上，易于获得营养缺陷型，也易于测知各种营养缺陷型所需要的物质，是研究基因作用的好材料。6.可作为研究高等生物的简单模型。可以从微生物的研究中得到模型，并从中获得启发，为开展对高等生物的的遗传研究开拓思路。,二、细菌和病毒的拟有性过程,1.真核生物基因分离、自由组合及连锁交换均通过有性过程(减数分裂受精)实现。细菌和病毒均属于原核生物不存在严格意义上的有性过程。2.但细菌细胞内除了染色体外还有一些寄生性复制因子(如噬菌体和质粒，也被称为核外或染

3、色体外因子)，它们可以在细胞间传递，并且形成细菌染色体间以及细菌染色体与核外遗传因子间的重组体。这种重组体结构类似于真核生物减数分裂过程中形成的重组体结构。3.拟有性过程引起细菌、病毒间遗传物质转移与重组的过程。拟有性过程的存在是细菌、病毒在遗传学研究，特别是作为真核生物的模型研究遗传重组和基因结构的重要前提。,三、细菌遗传的实验研究方法,1.细胞计数(培养物细胞浓度)2.建立纯系的方法3.选择培养法鉴定突变型与重组型4.突变型与重组型的批量筛选方法,培养基的类型基本培养基（野生型）完全培养基（突变型）选择培养基（鉴定突变类型）补充培养基（具体突变类型的确定）,1.细胞计数(培养物细胞浓度),

4、培养物中微生物计数方法是微生物学的基本实验技术，其基本思路是：对原培养物进行连续稀释；进行平板涂抹培养；由于每个细胞形成一个菌落，计数菌落数；根据稀释倍数计算原培养物中的细胞浓度。,2.建立纯系的方法纯培养,挑取由单个细胞繁殖而来的菌落进行培养就可以获得由一个细胞繁殖而来的纯系。通常采用平板表面涂布法或划线法可以获得单菌落。这种方法获得的纯系，称为“菌种纯”。有时采用显微操纵器进行菌丝尖端切割等方法从单个细胞直接培养建立纯系。采用这种方法获得的纯系称为“菌株纯”。,3.选择培养法鉴定突变型与重组型,许多细菌的突变都与培养基营养成分及培养条件有关。营养缺陷型的筛选、鉴定选择培养法是根据菌株在基本

5、培养基和营养培养基上的生长表现将菌株分为原养型(也称为原生营养型)与营养缺陷型(在基本培养基上不能正常生长，只能在相应的营养培养基上生长)。其它突变类型的筛选、鉴定对于其它的突变类型(如温度敏感型)，也可以通过培养条件的选择培养来筛选与鉴定。,4.突变型与重组型的批量筛选方法,选择培养法一次可鉴定、筛选一种突变型，但要检测分离含有多种突变型的混和菌株，仅采用选择培养法要进行多次试验才能够达到目的、效率太低。为高效检测、分离混和群体中不同突变型，黎德伯格夫妇设计了影印培养法该方法原理与选择培养法一致，但是采用影印法将在完全培养基上单菌落同时接种到不同选择培养基上同时对所有菌落进行选择培养，鉴定效

6、率大大提高。注意：(1)最初的培养基必须是非选择性的，即各种突变型都能够在其上生长；(2)必须采用适当的方法如涂布或划线法，以使培养物菌落之间要分开。,影印培养法,10.2 病毒的一般特性及类型,一、病毒的一般特性二、病毒的类型三、噬菌体的生活周期,一、病毒的一般特性（自学）,形体极微小，只有在电子显微镜下才能观察到；化学组成简单，主要是核酸和蛋白质；只含一种核酸（DNA或RNA）；无细胞结构，为蛋白质外壳包裹核而成的颗粒；缺乏独立代谢能力；繁殖方式独特，只能依赖宿主活细胞的代谢机器，通过核酸复制和蛋白质合成后再装配成完整的病毒颗粒的方式进行繁殖；具有双重存在方式，或营专性寄生在活细胞内，或在

7、细胞外以大分子颗粒状态进行传播；对干扰素敏感，而对抗生素不敏感。,二、病毒的类型（自学）,1.微生物病毒2.植物病毒3.无脊椎动物病毒4.脊椎动物病毒 5.亚病毒类病毒拟病毒朊病毒,三、噬菌体的生活周期,1.烈性噬菌体（virulent phage）噬菌体侵入宿主细胞后，利用宿主细胞内的物质进行自身遗传物质和蛋白质的合成，组装出许多子噬菌体，使宿主细胞裂解而释放子噬菌体，这类噬菌体称为烈性噬菌体。裂解周期：吸附 侵入 核酸的复制、转录与蛋白质的生物合成 装配 释放 2.温和性噬菌体（temperate phage）原噬菌体（prophage）某些噬菌体侵染细菌后，其DNA整合到宿主染色体中，这

8、种处于整合状态的噬菌体称为。溶源性细菌（lysogenic bacteria）含有原噬菌体的宿主细菌称为，或溶源体。温和性噬菌体在噬菌体侵入后，细菌并不裂解，而是以溶源体或质粒的形式存在的一类噬菌体称为。原噬菌体通过诱导（induction）可转变为烈性噬菌体。诱导方式有多种，如温度改变、与非溶源性细菌的接合等。,10.3 噬菌体的染色体作图,一、T2噬菌体的基因重组与作图二、噬菌体的基因重组与作图三、基因的细微结构作图四、互补测验和顺反测验,一、T2噬菌体的基因重组与作图,噬菌体遗传性状可分为 形成的噬菌斑形态 宿主范围1.噬菌斑突变：T噬菌体 r-突变体 正常噬菌体，r+，产生的菌斑小而边

9、缘模糊 突变噬菌体，r-，产生大两倍而边缘清晰的菌斑2.宿主范围突变大肠杆菌B株是T2的宿主，大肠杆菌B/2株对T2产生抗性 一种发生在T2上的h-突变体，能利用B和B/2株 而h+只能利用B株,一、T2噬菌体的基因重组与作图,h+r-h-r+接种在同时长有 B和B/2株的培养基上 h+r-h-r+h+r+h-r-半透明,大 透明,小 半透明,小 透明,大重组值=重组噬菌斑数/总噬菌斑数 100%,由于不同速溶性噬菌体的突变体在表型上不同，可分别写成ra-、rb-、rc-等。用rx-h+rx+h-可对其进行基因定位。,一、T2噬菌体的基因重组与作图,由rx-h+rx+h-实验结果（表8-1，P

10、200）可知 Rf ra-h=24%Rf rb-h=12.3%Rf rc-h=1.6%，据重组值可知3个r基因和h基因的排列方式有 ra rb rc h ra rc h rb ra rb h rc ra h rc rb又rc-rb+rc+rb-Rf rc-rb=14%h位于rb 和rc之间。,h,rc,ra,rb,二、噬菌体的基因重组与作图,凯泽（Kaiser，1955）用UV照射处理噬菌体，得到5个噬菌体的突变系：S小噬菌斑 mi微小噬菌斑 C完全清亮的噬菌斑 C01除中央一个环其余 部分都清亮的噬菌斑 C02比C01更浓密的中 央环噬菌斑,溶源性受到干扰，只能进入裂解周期，故斑清亮,二、噬

11、菌体的基因重组与作图,S C01 mi+975S C01 mi 924S+30+C01 mi 32S C01+61+mi 51S+mi 5+C01+13 2091,2.9%,5.3%,0.86%,Rf s-c01=3.76%Rf s-mi=6.16%Rf c01-mi=9.92%0.86%3.76%6.16%负干扰：在噬菌体的三点测验中发现一个单交换发生后，会增加另一个单交换发生的概率，这时干扰系数为负值，这种现象称为。,C=,=3.711,S 3.76 C01 6.16 mi,10.4细菌的细胞和染色体结构,1.形态特征细菌是单细胞生物，细胞结构包括细胞壁、细胞膜、细胞质和核区，部分细菌还有

12、某些特殊结构，如鞭毛、伞毛、荚膜、芽胞、气泡等；生活周期短，易培养；易获得其生化突变型；大小不一，形态各异。常见细菌的形状有杆状、球状和螺旋状，其中以杆状最常见。,10.4细菌的细胞和染色体结构,2.细菌细胞结构的特点无真正的细胞核。细菌细胞只在菌体中央有一个遗传物质集中区核区，无核膜和核仁，其功能与细胞核相当，由一个环状DNA分子高度缠绕而成，其中央部分是RNA与支架蛋白，这样的细胞核称为拟核。缺乏线粒体、叶绿体等细胞器。,10.4 细菌的细胞和染色体结构,3.细菌DNA与质粒 细菌的遗传物质比较简单，适宜用作基因结构和功能的研究。细菌DNA是一个很长的共价闭合环状双链分子（dsDNA），通

13、常以超螺线体的形式存在于细菌体内。细菌无典型的染色体结构，没有组蛋白与DNA分子结合，DNA仅与一些碱性蛋白相结合。细菌DNA中有一定比例（约1%）的碱基甲基化，其中以腺嘌呤居多，胞嘧啶次之。除染色体DNA外，很多细菌还含有一种染色体外遗传成分质粒。质粒实质上是一些小型环状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。质粒能独立于染色体存在和复制，还能在细胞间传递。它们中有的也能整合到细菌染色体中，在染色体的控制下随染色体一起复制，这类质粒称为附加体（episome）。,10.5 细菌的染色体作图,一、转化二、接合三、性导四、转导,一个细菌细

14、胞的DNA与另一个细菌细胞的DNA的交换重组可以通过4种方式进行,一、转化,转化（transformation）：是指某些细菌（或其它生物）能通过其细胞膜摄取周围介质中的DNA片段，并将此外源DNA片段整合到自己染色体组中的过程。1.转化的发现 F.Griffith（1928）肺炎双球菌转化现象 Avery（1944）进一步探明转化实质2.转化的过程转化因子的吸附（感受态，一般吸附双链DNA）吸收（吸收一条单链入细胞，两种DNA酶参与）整合（同源区段联会重组整合，同源性越高转化效率越高）3.转化在遗传分析中的应用,Griffith转化研究(1928),Avery的转化实验(1944),转染：用

15、除去蛋白质外壳的病毒核酸感染细胞或原生质体的过程称为。,3.转化在遗传分析中的应用,双转化：供体的两个基因紧密连锁在一条DNA片段上，它们同时转化的现象称为。两个基因同时转化的效率（连锁或不连锁）基因定位（遗传作图）（枯草杆菌）trp2+his2+tyr1+trp2-his2-tyr1-基因座位 转化子类型 trp2+-+his2+-+-+tyr1+-+-数目 11940 3660 685 418 2600 107 1180,3.转化在遗传分析中的应用,亲本类型 重组类型 重组值trp2-his2 34%trp2-tyr1 40%his2-tyr1 13%双交换 11940 4.21%,119

16、40 13120 1180,2600+107 67853660+418,11940 12047 107,2600+1180 81253660+685,11940 15600 3660,418+1180 2390 107+685,107 525418,trp2 34 his2 13 tyr1,+,+,+,trp2,his2,tyr1,二、接合,1.接合现象的发现和证实2.F因子及其在杂交中的行为3.中断杂交实验作图,1.接合现象的发现和证实,1946年，黎德伯格（J.Lederberg）和塔特姆（E.Tatum）的大肠杆菌杂交试验：材料：大肠杆菌(Escherichia coli)K12菌株的两

17、个营养缺陷型品系：菌株A甲硫氨酸缺陷型met-和生物素缺陷型bio-；菌株B苏氨酸缺陷型thr-和亮氨酸缺陷型leu-。方法：将A、B两菌株混和，在基本培养基(固体)上涂布培养。结果：平板上长出原养型菌落(+)。,频率为10-7,几种可能解释及其分析,上述试验结果原养型菌落可能产生于：亲本菌株A或B发生了回复突变；两品系细胞通过培养基交换养料互养作用；两品系间发生了转化作用；发生细胞融合，形成了异核体或杂合二倍体。为了验证这些原养型菌落产生的可能而进行的研究最终表明：这些解释均不成立。,回复突变可能的排除,Lederbery和Tatum利用的双营养缺陷型菌株进行试验，已基本排除A或B品系发生回

18、复突变产生原养型细菌的可能。因为，单基因回复突变的频率约为10-6；双基因回复突变的频率则为10-12，频率很低。但试验中产生原养型菌落产生的频率非常高（10-7），因此基本可以排除回复突变的可能。,互养作用及其排除,试验材料A品系：A-B+T1S(met-bio-thr+leu+T1S)；B品系：A+B-T1R(met+bio+thr-leu-T1R)。试验方法将A、B品系混合接种在基本培养基表面；短时间后喷噬菌体T1杀死A品系，使其不能持续产生thr与leu供B品系持续生长。结果与结论仍然出现原养型菌落。从而表明互养并非原养型菌落出现的原因，而可能发生了遗传重组。,转化作用及其排除,Led

19、erbery和Tatum曾把品系A的培养液经加热灭菌，加入到B品系的培养物中，未得到原养型菌落，表明原养型菌落可能不是由转化作用产生。戴维斯(Dawis,1950)的U型管试验(结果没有得到原养型细菌)。结论：细胞直接接触是原养型细菌产生的必要条件，从而否定了转化。,异核体和杂合二倍体的可能性,出现原养型菌落的另一种可能是细菌细胞发生融合，产生异核体或双杂合二倍体。这两种情况类似于二倍体生物的杂合体,将产生原养型菌落。异核体指由于细胞融合而在细胞内含有遗传组成 不同的两个或多个细胞核。双杂合二倍体则是异核体进一步发生核融合，形 二倍体细胞核，核内含有两种遗传物质。细菌为单倍配子体生物，异核体和

20、二倍体只能暂存在。培养繁殖过程中必将发生分离，产生各种缺陷型菌落对试验中得到的原养型菌落后代研究表明：后代没有出现预期的性状分离现象。,W.Hayes的实验（1952）,链霉素处理A菌 完全培养基培养一段时间 洗涤离心 B菌 重组体未减少 基本培养基,链霉素处理B菌 完全培养基培养一段时间 洗涤离心 A菌 无重组体产生 基本培养基,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。,1.接合现象的发现和证实,经过上述分析可以认为：在Lederbery和Tatum及其它类似试验中，发生了一种不同于转化的遗传重组方式，称之为接合。Hayes(1952)研究表明：大肠杆菌

21、两种不同菌株(品系)接合过程中遗传物质的转移是单向的；从而认为大肠杆菌存在两种类型品系：雌性与雄性，分别作为接合过程中遗传物质的供体与受体。接合(conjugation)：遗传物质从供体(donor)转移到受体(receptor)的重组过程。,2.F因子及其在杂交中的行为,致育因子：决定细菌雄性的是染色体外的一个共价环状DNA分子，称为致育因子（fertility factor），又称为F性因子或F质粒。供体菌（雄性菌）：含有F因子的细菌，F因子游离于宿主染色体外，记为F+。受体菌（雌性菌）：不含有F因子的细菌，记为F。Hfr菌株（高频重组菌株）：指F因子整合到宿主染色体中去的菌株，其重组频率

22、比F+高1000多倍。,F因子的存在状态,2.F因子及其在杂交中的行为,F因子在宿主染色体上有许多特定的插入位点和方向，整合频率为每代10 510 7。性伞毛形成结合桥，进而诱导F因子上traYz基因表达，产生核酸内切酶，该酶在oriT转移起始点处一条单链上切开一个切口，供体DNA从5末端开始向受体转移。接合过程：细菌间接触接合管形成单链断裂单链DNA从供体向受体转移环化（F+F）或DNA双链的形成（部分二倍体）（Hfr F）重组交换（奇偶次交换）。,2.F因子及其在杂交中的行为,2.F因子及其在杂交中的行为,3.中断杂交实验作图,1分钟20%的重组值,+,三、性导,1.F因子：Hfr菌株在切

23、除F因子时发生错误切除，分离出一个携带F因子和部分宿主染色体基因的遗传因子，这种带有宿主染色体基因的F因子称为F因子。2.性导：带有F因子的细菌在接合时，由F因子所携带的外源DNA便转移到宿主细菌的染色体上，这一过程称为。3.F因子使细菌带有的特点 F因子以极高的比率转移它携带的基因；如同F+高效转移F因子一样。F因子有极高的自然整合率，而且整合在一定的基因座位上，因有与细菌同源的染色体区段，不同于F因子随机插入。,三、性导,4.F因子 与F+、Hfr的关系（P224）5.F因子 的用途 不同的F因子带有不同的细菌DNA片段，可覆盖全部染色体基因，可用于构建部分二倍体菌株，用来研究基因的相互作

24、用，确定显隐性关系，构建遗传图谱，进行互补测验以鉴定两个突变是属于一个基因还是两个基因等。,四、转导,转导：以噬菌体为媒体所进行的细菌遗传物质重组的过程，称为。1.转导现象的发现 Lederbery及其研究生Zinder（1951）首先在鼠伤寒沙门氏菌（Salmenella typhimurium）中发现转导现象。LA22 LA2 phe-trp-met+his+phe+trp+met-his-基本培养基培养是否形成原养型的菌落 否 是 否,单独培养,单独培养,混合培养,原因：是否为接合或转化引起的？,原因：是否为接合或转化引起的？,1.U型管实验，仍得到重组体，排除了接合的可能。并说明它是一

25、种可通过滤膜的过滤性因子（FA）。2.利用DNA酶处理，FA不受DNA酶影响，仍得到重组体，排除了转化作用的可能。3.FA与从溶源性菌分离得到的噬菌体P22的质量大小相同。4.用抗P22的血清或加热处理，P22的感染性和过滤性因子FA功能失活的速率相同。5.抗噬菌体P22的沙门氏菌菌株对过滤性因子也表现为抗性。这些结果表明：FA就是温和噬菌体P22。P225,四、转导,2.转导的类型普遍性转导在噬菌体感染的末期，细菌染色体被断裂成许多小片段，在形成噬菌体颗粒时，少数噬菌体将细菌的DNA误认为是它们自己的DNA，并包裹进其蛋白质衣壳内，从而形成转导噬菌体，该噬菌体再去感染其他宿主时，就将所携带的

26、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。流产转导指转导DNA分子进入受体细胞后，既不与受体基因组发生交换，又不随宿主DNA复制而复制，而是很稳定地存在于细胞之中，由于细菌不断增殖，故该转导类型的细菌所占比例越来越少，以至最终消失，故称为。,2.转导的类型,局限转导由温和噬菌体（如）介导的转导类型。原噬菌体离开细菌染色体时，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的DNA片段，该DNA片段由噬菌体蛋白质衣壳包裹，再去侵染其他宿主细菌，可将特定的细菌基因带入新的受体菌，进而重组整合，这种转导称为。,四、转导,3.转导的应用绘制细菌遗传图谱（普遍性转导）对个别基因的研究（局限转导）,本章要求,1.理解细菌和病毒在遗传研究中的优越性和意义；2.掌握转化、接合、性导与转导的概念与基本原理；3.掌握F-菌株、F+菌株、Hfr菌株的概念、区别和用途；4.掌握F因子、F因子的异同；5.掌握温和噬菌体、烈性噬菌体的生活周期；6.掌握原噬菌体、溶源性细菌的概念；7.了解细菌和病毒遗传作图的原理和基本过程。,复习思考题,P231232：2、3、5、8、9、11题,