细菌和病毒的遗传性导转导

生物与酿酒学院《遗传学》课程第十章细菌和病毒的遗传分析第一节细菌和病毒的特点第二节噬菌体的遗传分析第三节细菌的遗传分析本章要求思考题大肠杆菌制作：王洪刚李斯深生物与酿酒工程学院《遗传学》课程第三节细菌的遗传分析一、转化（transformation）二、接合（cojugation）三、性导（sexduction）四、转导（transduction）制作：王洪刚李斯深三、性导(sexduction)P223（一）性导概念：接合时由F′因子所携带的外源DNA转移到细菌染色体的过程。制作：王洪刚李斯深当发生环出(loopingout)时，F因子又重新离开染色体。（二）F΄因子 F因子整合到宿主细菌染色体的过程是可逆的。正常、精确F因子的整合与环出图制作：王洪刚李斯深当发生环出(loopingout)时，F因子又重新离开染色体。（二）F΄因子P224阿代尔伯格和伯恩斯(Adelberg，E.和Burns，S.，1959)称这种携带有某些细菌染色体基因的F因子为F′因子。非正常环出laclacF′lacHfrFF图10-25F′因子的形成制作：王洪刚李斯深F因子偶然在环出时不够准确，它环出携带有细菌染色体的一些基因。（二）F΄因子P223部分二倍体图--F′因子的形成制作：王洪刚李斯深diploid1.二倍体（三）、F΄因子特点P224F′因子使细菌带有某些突出的特点： F′因子以极高的比率转移它的基因，如同F+细菌以极高的比率转移它的F+因子一样； F′因子有极高的自然整合率，而且整合在一定的座位上，因为它有与细菌染色体的同源区段。制作：王洪刚李斯深diploid1.二倍体（四）F′因子转移a制作：王洪刚李斯深第一，利用不同的F′的性导可以测定不同基因在一起转移的频率。第二，观察由性导形成的杂合部分二倍体中某一性状的表现，可确定这一性状的等位基因的显隐关系。第三，性导形成的部分二倍体也可用作互补测验，确定两个突变型是同属于一个基因还是不同基因。P224（五）性导在大肠杆菌的遗传学研究中十分有用: 小结：F＋，Hfr，F的接合对照制作：王洪刚李斯深制作：王洪刚李斯深recipient1.接受者，收受者。2.收信人3.容器②受血者，受体4.收件人5.信息接收器6.接受者；接受的Recipient1.受者butrequiresanevennumberofcrossoversinreciepient需要和受体间偶数次的交换四、转导(transduction)（一）概念：以噬菌体为媒介所进行的细菌遗传物质重组的过程。P224（二）转导现象的发现黎德伯格（Lederberg）和津德（Zinder）在1952年首先在鼠伤寒沙门氏菌（Salmenellatyphimurium）中发现转导现象。制作：王洪刚李斯深在这一过程中，细菌的一段染色体被错误地包装在噬菌体的蛋白质外壳内，并通过感染而转移到另一个受体细菌内。四、转导(transduction)P224实验材料：沙门氏菌的两种营养缺陷型LA22、LA2品系LA22:苯丙氨酸、色氨酸、酪氨酸缺陷型phe-trp-tyr-LA2:甲硫氨酸、组氨酸缺陷型met-his-实验方法：将LA22、LA2两菌株混和，在基本培养基(固体)上涂布培养。实验结果：平板上长出原养型菌落(+++++)。制作：王洪刚李斯深在这一过程中，细菌的一段染色体被错误地包装在噬菌体的蛋白质外壳内，并通过感染而转移到另一个受体细菌内。四、转导(transduction) 原因? 是否为接合或转化引起的？P224制作：王洪刚李斯深在这一过程中，细菌的一段染色体被错误地包装在噬菌体的蛋白质外壳内，并通过感染而转移到另一个受体细菌内。（三）寻找原因的实验 U型管实验，排除了接合的可能。P225一种可通过滤膜的过滤性因子（FA） 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。图例--U型管实验制作：王洪刚李斯深（三）寻找原因的实验 FA与从溶源性菌分离得到的噬菌体P22的质量大小相同。P225 FA与从溶源性菌分离得到的噬菌体P22的质量大小相同。 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。 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。制作：王洪刚李斯深U型管实验结果的解释：转导噬菌体---转导（温和噬菌体P22）溶源性细菌制作：王洪刚李斯深（四）转导的类型图a、普遍性转导图--噬菌体转导图b、特殊性转导/局限性转导制作：王洪刚李斯深部分二倍体普遍性转导过程图转导细菌染色体组的任何不同部分转导噬菌体转导体制作：王洪刚李斯深 普遍性转导：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，形成转导噬菌体；该噬菌体再去感染其他宿主时，将所携带的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。由于可以转导细菌染色体组的任何不同部分，因此称为普遍性转导。普遍性转导 由此形成的具有重组遗传结构的细菌细胞叫转导体transductant。 可以进行细菌遗传作图---与共转化作图类似 例如a基因和b基因的共转导频率很高，和c基因的共转导频率也很高，而b和c很少或完全不在一起转导，这三个基因的次序就应为bac。 如果研究三因子转导(three-factortransduction)，只需分析一个实验的结果就可以推出三个基因的次序。 两个基因同在一起转导称为并发转导/共转导(cotransduction)，共转导的频率基因在染色体上的距离关系确定基因在染色体上的排列顺序制作：王洪刚李斯深普遍性转导 例如：供体基因型a+b+c+，受体的基因型为a-b-c-。供体用P1噬菌体感染，P1的后代再用来感染受体细胞，然后把受体细胞接种在选择培养基上。 如果通过中断杂交已知三个基因中的一个如a不在中间，就可对a+进行选择，即在对a+进行选择的选择培养基上，把可以生长的a+细胞选出来。然后，再把被选择的受体细胞重复接种在其他对b+或c+进行选择的选择培养基上，检查a+细胞是否同时具有b+和c+。制作：王洪刚李斯深普遍性转导 最少的一类转导体应当代表最难于转导的情况，这种转导体是同时发生交换次数最多的一类。 这种转导子的基因排列应为两边是供体基因，而中间为受体基因。 假定由实验得到的最少的转导体类别为a+b+c-，那么就可以确定，这三个基因的正确次序应当是acb或bca，而不是abc。制作：王洪刚李斯深普遍性转导10--27最少的转导子类型P227 由基因的共转导频率还可推算出三个基因之间的物理距离制作：王洪刚李斯深 若两个基因紧密连锁，就可能经常在一起转导，合转导频率将接近于1。如果两个基因从来或者几乎不包含在同一转导DNA片段中，它们的合转导频率接近于或等于0。利用这种关系可以求出同一染色体上两个基因之间的物理距离。经推导，得到以下计算公式：P228自学 d=同一染色体上两基因之间的物理距离。 L=转导DNA的平均长度。 X=两个基因合转导的频率。 转导颗粒DNA的平均长度(约为1个病毒基因组的大小)知道后，就可以依上述公式估算出两个较近基因间的分子距离。制作：王洪刚李斯深普遍性转导 首先在受体中选择标记基因； 然后把受体细菌培养在选择性培养基上，检查其他非标记基因的有无；例--把受体菌放在azisthr+的基本培养基上培养，leu就成为选择的标记基因，因为在该培养基上只有leu+细胞才能生长。 对每个选择的标记基因进行多次实验，以确定其未选择标记基因出现的频率，确定基因顺序。按照前面的原理，对那些leu+的细胞进一步进行涂布培养，以测试它们是aziR或aziS，是thr+或thr-。例如E.colithr+leu+azi+供体，用P1噬菌体转导受体thr-leu-azi-制作：王洪刚李斯深普遍性转导 利用上述实验可以说明三个位点之间的连锁关系。 实验1说明leu和azi相近，leu和thr则不相近。因为有一半时间从供体携带的leu+基因是由aziR伴随的；而只有2%的时间由thr+伴随。表10-7制作：王洪刚李斯深普遍性转导 基于这个分析，可以有下面两种可能的排列： 实验2说明leu比azi更接近thr。因为有3%的时间leu+和thr+是并发转导(co-tranmsduction)的，但aziR和thr+则没有发生过并发转导，因此可以肯定基因的顺序应是： 实验3说明这个顺序是正确的，因为leu+thr+片段从未携带有aziR。制作：王洪刚李斯深普遍性转导 从上述分析中还说明了转导片段的大小。在thr和leu之间的DNA长度已接近于这个片段大小的极限。因为它们的并发转导只有2-3%，接近leu的azi位点从未与thr有过并发转导。由此可以作出结论，这个转导片段的最大极限是从thr位点到leu和azi位点之间。 应用普遍性转导作图是比较精确的，这是中断杂交作图所不容易办到的。 但是，普遍性转导作图仅仅是在对某个基因的位置有某些了解的前提下才能进行。所以当一个新的突变基因发现以后，首先是用中断杂交法对它作粗略的定位，接着才用普遍性转导等方法作精确定位。制作：王洪刚李斯深 局限性转导：由温和噬菌体（如λ）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，这种转导称为局限性转导/特殊性转导。 如λ的DNA，既可以以自主的状态存在，也可以整合在细菌染色体中。这种有两种状态的遗传因子叫做附加体(episome)。 多数噬菌体当整合在细菌染色体中时都占有一个特定的位置。局限性转导(restrictedtransduction)p228制作：王洪刚李斯深局限性转导 转导仅限于靠近原噬菌体附着点的基因，如λ专门转导大肠杆菌的gal和bio基因。所以这种转导叫做特殊性转导或局限性转导(restrictedtransduction)。 图例制作：王洪刚李斯深细菌染色体图 应用中断杂交技术、重组作图、转化和转导相结合的方法已经得到细菌的非常详细的染色体图。(图示) 左图-大肠杆菌的环状连锁图包含大约2000个基因。制作：王洪刚李斯深细菌染色体图 1990年绘制的E.Coli连锁遗传图的一部分。此部分仅包括5分钟的距离(全图100分钟)。制作：王洪刚李斯深 局限性/特殊性转导 转移λ噬菌体插入位点两侧的细菌基因 λ噬菌体的不正确切离 实质与性导相似 高频转导(HFT) 与Hfr类似 可进行遗传作图 插入位点不稳定P228 普遍性转导与局限性转导制作：王洪刚李斯深原噬菌体的插入与切除：λ噬菌体的双链线状DNA分子在进入宿主细胞后，由其12个核苷酸组成的互补单链粘性末端形成共价键而闭合。λ噬菌体int基因编码的酶催化环状噬菌体基因组附着位点attP与细菌染色体上attB之间的位点专一性重组插入位点：gal与bio之间制作：王洪刚李斯深bio+bio+bio+bio+bio+制作：王洪刚李斯深bio+制作：王洪刚李斯深高频转导：通过双重溶源菌E.coliphagedgal+非正常切离感染gal-E.coli双重溶源菌形成若dgal+进入的同时也感染进去bio-gal制作：王洪刚李斯深制作：王洪刚李斯深Benzer重组试验—基因的精细作图 Benzer(1955)用E.Coli烈性噬菌体T4突变型遗传研究： T4野生型在E.Coli菌苔上产生小而不噬菌斑 T4突变品系按表型可分为：rI、rII、rIII三类。其中rII在E.ColiB上产生快速溶菌现象，形成大而圆噬菌斑，在E.ColiK(λ)上不能生长 操作方法： 用两种rII突变型双重感染B品系，收集溶菌液 取等量溶菌液接种到B品系、K(λ)品系菌苔上 考察两个品系菌苔上的噬菌斑数目，就可以计算两个突变位点间的重组值 绘制连锁遗传图制作：王洪刚李斯深 由于采用了条件致死选择系统[即在E.ColiK(λ)上rII不能生长]，分辨率极高，可以检测到十万分之一的重组值双重感染doubleinfection试验制作：王洪刚李斯深 重组值检测精度可达十万分之一，实际结果不会低于0.01%基因内存在最小重组单位 本泽尔将最小重组单位定义为重组子(recon) rII区段存在复等位基因已经表明 基因也并非最小突变单位 基因突变的最小单位突变子(muton) 理论上讲突变子不必等于重组子。但以后研究显示：突变子和重组子都是一个核苷酸对或者碱基对(bp)。所以基因内每个碱基均可能发生突变，任意两个碱基间均能发生交换重组制作：王洪刚李斯深互补测验原理在限制条件下，能长出噬菌斑：说明：两个突变型能发生功能互补，是两个基因。在限制条件下，不能长出噬菌斑：说明：两个突变型不能发生功能互补，是同一基因。噬菌体突变型的互补试验 对于两个独立起源的、表型相似的隐性突变，如何判定是属于同一基因(功能单位)还是两个基因突变产生的呢 在二倍体生物中，可以建立双突变杂合体。双突变体杂合体有两种形式：顺式(cis)和反式(trans)p59制作：王洪刚李斯深制作：王洪刚李斯深顺反测验与顺反子 根据两突变反式双杂合体的表现确定 突变型无互补作用为同一功能单位的突变 野生型有互补作用为不同功能单位的突变 互补测验，也称顺反测验(cis-transtest)。Benzer将顺反测验所确定的最小遗传功能单位称为顺反子(cistron) 顺反子内发生的突变间不能互补p61制作：王洪刚李斯深基因的顺反子测试示意图p304制作：王洪刚李斯深顺反测验 互补测验，也称顺反测验(cis-transtest)。Benzer将顺反测验所确定的最小遗传功能单位称为顺反子(cistron) 顺式排列只是对照，无实际意义；反式能区分功能单位。 顺式结构的效应不同于反式结构效应的现象称为顺反位置效应。制作：王洪刚李斯深rII顺反测验 rII区段突变的性质： rII突变具有共同性状，按经典遗传学理论，rII区段为一个基因(功能单位) Benzer通过顺反测验表明： 100多个rII突变型可以分为A、B两组，组间突变型间能够互补，而组内的突变型间不能互补 与rII区段连锁图对照发现：两组突变分别位于rII区段的两端：|A|B|制作：王洪刚李斯深rII的两个顺反子 经典遗传学意义上的一个基因(rII区段)实际上有两个顺反子(功能单位) 基因也很可能不是遗传的最小功能单位 有些基因具有一个顺反子，有些基因具有多个顺反子 在多顺反子情况下，基因是几个功能单位的复合体 Benzer提出“一个顺反子一条多肽链”p61制作：王洪刚李斯深点突变(pointmutation)：由核苷酸对发生了改变引起的突变。缺失突变(deletionmutation)：缺失了相邻的许多核苷酸对。区别：点突变可以回复突变为野生型；缺失突变不能回复为野生型，是不可逆的。作图原理:缺失突变同另一基因组内相同缺失突变之间不可能发生重组，相应片段缺失，可确定突变位置。方法：(1)与众多已知位点的点突变作互补试验，确定缺失区域(2)用众多已知缺失区域的缺失品系对点突变进行缺失作图优点：适于测定大量突变性的定位，不需做数量统计，减轻绘图的工作量噬菌体的互补试验与缺失作图制作：王洪刚李斯深attPdgal1dgal2dgal3dgal4dgal5ABEGHM 某些dgal品系与图谱左臂顺反子中典型sus突变之间重组 dgal1dgal2dgal3dgal4dgal5 susA-++++susB--+++susE---++susG----+susH-----susM-----制作：王洪刚李斯深 理解细菌和病毒在遗传研究中的优越性和意义； 掌握转化、接合、性导与转导的概念与基本原理； 掌握F-菌株、F+菌株、Hfr菌株的概念、区别和用途； 区别F因子、F´因子的异同； 了解温和性噬菌体、烈性噬菌体的生活周期； 掌握原噬菌体、溶源性细菌的概念； 了解细菌和病毒遗传作图的原理和基本过程。本章要求制作：王洪刚李斯深制作：王洪刚李斯深制作：王洪刚李斯深当发生环出(loopingout)时，F因子又重新离开染色体。当发生环出(loopingout)时，F因子又重新离开染色体。F因子偶然在环出时不够准确，它环出携带有细菌染色体的一些基因。diploid1.二倍体diploid1.二倍体recipient1.接受者，收受者。2.收信人3.容器②受血者，受体4.收件人5.信息接收器6.接受者；接受的Recipient1.受者butrequiresanevennumberofcrossoversinreciepient需要和受体间偶数次的交换在这一过程中，细菌的一段染色体被错误地包装在噬菌体的蛋白质外壳内，并通过感染而转移到另一个受体细菌内。在这一过程中，细菌的一段染色体被错误地包装在噬菌体的蛋白质外壳内，并通过感染而转移到另一个受体细菌内。在这一过程中，细菌的一段染色体被错误地包装在噬菌体的蛋白质外壳内，并通过感染而转移到另一个受体细菌内。 普遍性转导：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，形成转导噬菌体；该噬菌体再去感染其他宿主时，将所携带的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。由于可以转导细菌染色体组的任何不同部分，因此称为普遍性转导。