第六章 细菌和病毒的遗传
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第六章 细菌和病毒的遗传. 细菌 属于原核生物,不进行典型的有丝分裂和减数分裂, 因此,其染色体传递和重组方式与真核生物不尽相同。 病毒 甚至不进行分裂,它在宿主细胞内以集团形式产生。 细菌和病毒的遗传分析对整个遗传学,特别是对于 分子遗传学 的发展具有重大作用。. 第一节 细菌和病毒遗传研究 的意义 遗传学研究从 细胞水平 推进到 分子水平 ,是由于两大发展: ( 1 )对基因的化学和物理结构 的了解日益深入 ( 2 )研究材料采用了新的生物 类型 - 细菌 和 病毒. 一、细菌

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第六章 细菌和病毒的遗传

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第六章 细菌和病毒的遗传


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细菌属于原核生物,不进行典型的有丝分裂和减数分裂,因此,其染色体传递和重组方式与真核生物不尽相同。

病毒甚至不进行分裂,它在宿主细胞内以集团形式产生。细菌和病毒的遗传分析对整个遗传学,特别是对于分子遗传学的发展具有重大作用。


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第一节 细菌和病毒遗传研究

的意义

遗传学研究从细胞水平推进到分子水平,是由于两大发展:

(1)对基因的化学和物理结构

的了解日益深入

(2)研究材料采用了新的生物

类型-细菌和病毒


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一、细菌

所有细菌都是比较小的单细胞,大约12μm长,0.5μm宽

大肠杆菌(E.coli)在细菌遗传学研究中应用十分广泛 ,其染色体为一条环状的裸露DNA分子。其细胞里通常还具有一个或多个小的染色体-质粒(plasmid) 。


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研究细菌遗传的方法--平板培养


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细菌菌落的表现型:

原养型(野生型)

形态性状:菌落形状、颜色

突变型 大小

生理特性 营养缺陷型

抗性-抗药或抗感染

为了测定所发生的突变,

Lederberg设计了影印培养法


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细菌的影印培养法


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二、病毒

病毒没有细胞结构,既不属于原核生物,也不属于真核生物。

病毒结构十分简单,仅含DNA或RNA和一个蛋白质外壳,没有合成蛋白质外壳所必须的核糖体。所以,病毒必须感染活细胞,改变和利用活细胞的代谢合成机器,才能合成新的病毒后代。

感染细菌的病毒叫噬菌体,是目前了解比较清楚的病毒,有:单链DNA、单链RNA、双链DNA和双链RNA等四种类型。


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三、细菌和病毒在遗传研究中

的优越性

(1)世代周期短。大肠杆菌每20分钟可繁殖

一代,病毒每小时可繁殖数百个后代

(2)易于管理和进行化学分析

(3)便于研究基因的突变

(4)便于研究基因的作用

(5)便于基因重组的研究

(6)便于用作研究基因结构、功能及调控机

制的材料

(7)便于进行遗传操作


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第二节 噬菌体的遗传分析

一、噬菌体的结构

遗传学上应用最广泛的是大肠杆菌的T噬菌体系列(T1到T7)。其结构大同小异,呈蝌蚪状。T偶列噬菌体结构如下图


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1、烈性噬菌体


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2、温和性噬菌体

温和性噬菌体具有溶源性的生活周期,即在

噬菌体侵

入后,细

菌并不裂

解,以两

种形式出

现,如λ

和P1 。


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二、T2噬菌体的基因重组与作图

噬菌斑形态 正常r+:小、边缘模糊

噬菌体突变r-:大、边缘清楚

性状

宿主范围:感染和裂 正常h+:B株

解的菌株 突变h-:B株

不同 或B/2株

由于h–和h+均能感染B株,用T2的两亲本h–r+和h+r–同时感染B株,称为双重感染


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h-r+× h+r-

↓B株

h-r+ h+r- h-r- h+r+

接种在同时长有B株及B/2株的培养基上

亲型噬菌斑 h-r+:透明、小

h+r-:半透明、大

重组型噬菌斑 h-r-:透明、大

h+r+:半透明、小


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重组型噬菌斑

重组值= × 100%

总噬菌斑

h-r- + h+r+

= ×100%

h-r+ + h+r- + h-r- + h+r+

ra–h+  r+h–→ 24%

rb–h+  r+h–→12.3%

rc–h+×r+h–→1.6%


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杂交组合

每 种 基 因 型 的%

重 组 值

r–h+

r+h–

r+h+

r–h–

ra–h+  r+h–

rb–h+  r+h–

rc–h+×r+h–

34.0

32.0

39.0

42.0

56.0

59.0

12.0

5.9

0.7

12.0

6.4

0.9

24%

12.3%

1.6%

表7-2 四种噬菌斑数及重组值


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分别作出ra、rb、rc与h的连锁图

ra 24h

rb 12.3h

rc1.6 h

× ra rb rch

√ ra rbh rc

√ra rch rb

× ra h rcrb


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为了确定基因排列顺序,可先只考虑rb、rc及h来确定是rchrb还是hrcrb。

为此作:

rb+rc- × rb-rc+

重组值约14%

可知h应位于rb及rc

之间,又因为T2噬菌

体的连锁图是环状的


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三、噬菌体的基因重组与作图

sco1mi×+++

相当于前面介绍的三点测验

(自学)


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第三节 细菌的遗传分析

一个细菌DNA与另一个细菌DNA的交换重组可以通过四种方式实现

转化、接合、性导、转导

一、转化

转化:某些细菌(或其他生物)通过其细胞膜摄取周围供体的染色体片段,并将此外源DNA片段通过重组整合到自己染色体组的过程。


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转化首先是Griffith(1928)在肺炎双球菌中发现的

杀死SⅢ片段

RⅡ SⅢ

Avery(1944)等研究证实,转化因子是DNA。这个极其重要的发现,不仅证实遗传物质是DNA,而且表明转化是细菌交换基因的方式之一。


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1.供体DNA与受体细胞间的接触与互作

影响因素包括:

(1)转化片段大小:肺炎双球菌的成功转

化,转化DNA片段至少要有800bp,

枯草杆菌最少需要16000bp

(2)转化片段形态:转化片段必须是双链

(3)转化片段浓度:每个细胞摄取的DNA

分子数不超过10个

(4)受体细胞生理状态;感受态(指细菌能够从周围环境中吸收DNA分子进行转化的生理状态。)


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2、转化DNA的摄取和整合

(1)结合与穿入

(2)联会

(3)整合,整合或DNA重组对同源DNA具

有特异性


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3、转化和基因重组作图

当两个基因紧密连锁时,它们就有较多的机会包括在同一个DNA片段中,并同时整合到受体染色体中。因此,紧密连锁的基因可以通过转化进行作图。如:

trp2+ his2+ tyr1+×trp2his2 tyr1

重组型数

Trp2-his2重组值 = ×100%

亲型数+重组型数


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Trp2-his2 → 0.34

Trp2-tyr1 → 0.40

His2-tyr1 → 0.13

trp2 his2 tyr1

∣←──34─→ ∣←───13──∣

∣←─────40──────→∣


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  • 绘制细菌连锁遗传图谱的基本原理:

    • 1.相邻基因发生共同转化的概率与两者的距离间成正向关系,基因间距离越近,发生共同转化的频率越高;

    • 反之,基因间距离越远,发生共同转化的频率越低。

    • 因此,可以通过测定两基因共同转化的频率来指示基因间的相对距离。


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二、接合

接合:在原核生物中,是指遗传物质从供体-“雄性”转移到受体-“雌性”的过程

1946年,Lederberg和Tatum发现E.coli细胞之间通过接合可以交换遗传物质。他们选择了两个不同营养缺陷型的E.coli菌株


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图 7-10 黎德伯格和塔特姆的接合(杂交)试验

证明大肠杆菌发生遗传重组


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发现长出了一些原养型的菌落。这种原养型细胞的出现是由于转化还是由于细胞与细胞直接接触而发生的遗传物质交换和重组?为了解答这个

问题,Davis

(1950)设计了

U型管实验


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在任何一臂内都没有出现原养型细菌。这说明两个菌株间的直接接触--接合,是原养型细胞出现的必要条件。

Hayes(1952)试验证明,在接合过程中遗传物质的交换是一种单向的转移:

供体(雄性)→受体(雌性)


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大肠杆菌K12中有两个这样的菌株:

A菌株:met-bio-thr+leu+thi+

B菌株:met+bio+thr-leu-thi-

A strs菌株× B strr菌株 A strr菌株× B strs菌株

基本培养基 基本培养基

产生原养型 产生原养型

A strs菌株× B strr菌株 A strr菌株× B strs菌株

链霉素培养基 链霉素培养基

产生原养型 不产生原养型


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  • 原因解释:菌株A相当于雄性,是遗传物质的供体(donor) ,而菌株B相当于雌性,是遗传物质的受体。1.在含有链霉素的培养基中, Astrs菌株× Bstrr菌株这一杂交组合可以得到原养型。原因是供体虽然对链霉素敏感,细胞不能分裂,但并不影响供体的基因转移;受体对链霉素有抗性,所以不影响细胞分裂,也不影响接受外源遗传物质发生重组,从而出现原养型菌落。

  • 2.而反交(Astrr菌株× Bstrs菌株)就不能得到原养型,因为受体对链霉素敏感,虽然供体转移遗传物质,但受体细胞不能分裂,所以不能重组成原养型菌落。


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  • 1、F因子及F+/Hfr向F–的转移

  • Hayes和Cavalli-Sforza(1953)发现,供体有一个性因子即致育因子--F因子,由DNA组成,是染色体外的遗传物质。其组成:供体含有F因子,此菌株就称为F+,受体不含F因子,此菌株就称为F-。

原点

转移起始点

致育基因

使它具有感染性,其中一些编码F纤毛(性馓毛)

配对区域

与受体染色体上同源序列配对,交换整合到受体菌中,成为受体染色体的一部分


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E.coliF因子存在状态有三种类型:

①没有F因子,即F–

②游离状态的F因子,即F+

③整合的F因子,即Hfr


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低频重组与高频重组

F+品系称为低频重组(low frequency recombination,Lfr):F因子转移频率很高,但两者染色体之间重组频率很低,大约是每百万个细胞发生一次重组。

Hfr品系称为高频重组( high frequency recombination,Hfr):因为Hfr细胞与F-细胞接合后可以将供体染色体的一部分或全部传递给受体F-,当供体和受体的等位基因带有不同标记时,在她们之间就可以发生重组,重组频率可达到0.01以上。


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F+×F-

F+ → F+

F- → F+

这种F因子的传递与细菌染色体无关。但是F因子偶然地(10000个F+细胞中有一个)能整合到细菌染色体中去,就可能引起染色体的转移

5’


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性伞毛/接合管

图 7-13 两个E.Coli细胞杂交的电子显微镜照片(X 34,300)


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Hfr×F-

Hfr→ Hfr

F-→ F-

接合开始,F因子仅有一部分进入F–细胞,剩下部分基因只有等到细菌染色体全部进入到F–细胞之后才能进入,然而转移过程常常中断

5’


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受体细胞常常只接受部分的供体染色体,这些染色体称为供体外基因子,而受体的完整染色体则称为受体内基因子,这样的细菌称为部分二倍体或部分合子、半合子

供体与受体的重组是内基因子( F- 染色体DNA)与外基因子( Hfr部分染色体DNA)的同源部分配对、交换,产生重组子。

其中单交换产生的是不平衡的部分二倍体线性染色体,而双交换产生的是有活性的环状重组子和片段。


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细菌重组的特点

--

(a):接合后形成的部分二倍体,包括外基因子和内基因子;

(b):内基因子和外基因子之间单交换形成一个线性染色体;

(c):双交换形成一个完整的重组染色体和一个游离片段,这一片段随以后的分裂而丢失。


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  • 可见:原核类中的交换并不像真核生物那样在两整套基因组间进行,而是在一完整的基因组( F-内基因子)与一不完整的基因组( Hfr外基因子)间进行,即在部分二倍体间进行。因此,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。


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2、中断杂交试验及染色体连锁图

为了证明接合时遗传物质从供体到受体细胞的转移是直线式进行的,Jacob和Wollman在50年代设计了一个著名的中断杂交试验


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Hfr:thr+leu+lac+gal+azistonsstrs

F- : thr-leu-lac-gal-aziRtonRstrR

每隔一定时间取样,放在食物搅拌器内搅拌

培养在含str的完全培养基上,Hfr被杀死

用影印培养法测试形成的F-菌落的基因型,

确定每个基因转入F-的顺序(时间)

根据基因转入F-的时间,进行细菌染色体作图


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图7-17 中断杂交后,重组体中Hfr遗传性状出现的频率


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thr leu azi ton lac ga F

O

8 8.5 9 11 18 25

根据中断杂交实验作出的大肠杆菌连锁图

用不同的Hfr菌株进行中断杂交实验,基因转移的原点(O)和转移的方向不同,

说明F因子和细菌染色体都是环状的


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Hfr的

类型

基 因 转 移 顺 序

HfrH

1

2

3

AB312

0 thr pro lac pur gal his gly thi

0 thr thi gly his gal pur lac pro

0 pro thr thi gly his gal pur lac

0 pur lac pro thr thi gly his gal

0 thi thr pro lac pur gal his gly

表 7-5 用中断杂交法确定的几个Hfr菌株的基因顺序


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如果两个基因间的转移时间小于2分钟,用中断杂交法所得的图距不太可靠,应采用传统的重组作图法。

lac+ade+ 基本培养基 lac+ ade–

lac–ade– lac-ade+ 完全培养基 ade-

lac-ade+

重组频率= ×100% = 22%

lac+ade+ + lac-ade+

这两个位点间的时间单位约为1分钟→ 20%重组值


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  • 如果2个基因间的转移时间<2min则用中断杂交作图不可靠,应采用传统的重组作图法。

    ●杂交

    Hfr lac+ade + ×F-lac- ade-

    lac +乳糖不发酵

    ade-胸嘌呤缺陷型

    用完全培养基但不加腺嘌呤,可选出F-ade+的菌落

    ●由于lac+ ade-近,两者相继进入时间相距很短,难以准确界定,所以只能根据产物确定。

    ●如果选出ade+同时也选出lac+,说明lac- ade -间没

    有发生过交换;

    如果是lac-ade+说明发生交换。


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A:

Hfr lac+ ade+ F- lac- ade-

F- lac- ade-

Hfr lac+ ade+ F- lac+ ade+

F- lac- ade-

Hfr lac+ ade+ F- lac- ade+

F- lac- ade-

A:外基因子与内基因子之间未发生重组;

B: lac- ade 两基因之外发生双交换;

C: lac- ade 两基因间发生交换产生重组子。

B:

C:


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三、性导

性导:指接合时由F´因子所携带的外源DNA转移到细菌染色体的过

F因子整合到宿主细菌染色

体的过程是可逆的,当发

生环出时偶然不够准确,

携带有染色体的一些基因,

称这种F因子为F´因子


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F´因子特点

(1)以极高的比率转移它的基因

(2)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

性导作用

(1)确定等位基因的显隐性关系

(2)利用并发性导进行细菌染色体作图

(3)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


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四、转导

转导:指以噬菌体为媒介所进行的细菌遗传物质重组的过程

Lederberg和Zinder(1951)首先在鼠伤寒沙门氏菌中发现转导现象

phetrptyr×methis

在基本培养基上发现原养型的菌落

可能性:(1)接合 (2)转化

(3)?


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U型管试验

→将上述两种菌株分别放在戴维斯U型管

的两臂内,中间用玻璃滤板隔开,以

防止细胞直接接触,但允许比细菌小

的物质通过,获得了野生型重组体,

说明不是接合

→这种重组是通过一种过滤性因子(FA)

而实现的。FA不受DNA酶的影响,说明

不是转化

→进一步研究证明,FA是一种噬菌体,

称为P22(用抗P22血清处理后失活)


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转导分为普遍性转导和特殊性转导

1、普遍性转导

可以转导细菌染色体组的任何不同部分

转导颗粒


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→两个基因同在一起转导就是合转导

或叫并发转导

→合转导的频率愈高,表明两个基因

在染色体上的距离愈近,连锁愈密

切;相反,如果两个基因的合转导

频率很低,就说明它们之间距离较

→因此,测定两基因的合转导频率就

可以确定基因之间的次序和距离


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(1)两因子转导:通过观察两个基因的转导,计算并比较每两个基因之间的合转导频率,就可以确定三个或三个以上基因在染色体上的排列顺序

例如:a基因和b基因的合转导频率很高,a和c基因的合转导频率也很高,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


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(2)三因子转导:只需分析一个实验的结

果就可以推出三个基因的次序

例如:供体大肠杆菌具有基因型a+b+c+,受体的基因型为abc。

最少的一类转导体应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。这种转导体的两边应为供体基因,而中间为受体基因,如正确次序为abc,就应为a+bc+。

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。


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图7-23 转导颗粒与受体染色体之间,通过四交换形成转导体,这种转导体的频率最低


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如果把三个基因中每两个基因的合转导频率算出来,还可根据这一频率推算出三个基因之间的物理距离:

d =L(1- 3X )

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


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P1侵染带leu+ thr+aziR E.coli

用转导颗粒P1再侵染带leu- thr- azis E.coli

将受体细菌特定培养:培养在一种可选择1-2个标记基因而不选择其余标记基因的培养基上

例如:0azi+thr培养基,leu为标记基因

因为:只有leu+才生长,leu-不生长

thr可能为thr+/thr-

azi可能为aziR/aziS


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表7-7 用P1噬菌体普遍性转导测定大肠杆菌基因间的连锁关系

实验 选择的标记基因 未选择的标记基因

1 leu+ 50%aziR2%thr+

2 thr+ 3%leu+0%aziR

3 leu+ thr+ 0%aziR


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实验1 说明leu和azi相近

leu和thr则远

leu azi thr

──┴───┴───┴─

azi leu thr

或──┴──┴───┴─

实验2 说明leu比azi更接近thr

azi leu thr

──┴───┴────┴──

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

这也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


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2、特殊性转导()

由温和噬菌体进行的转导叫做特殊性转导

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

形成特殊性转导颗粒,这种颗粒能把细菌的基因由一个细胞转移到另一个细胞


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图 7-24λdgal特殊性转导噬菌体的形成模式


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图 7-25λdgal+转导颗粒转导gal细菌的过程


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转化

细胞从周围介质中吸收裸露的DNA。

接合

是DNA从细胞到细胞直接转移。

转染

对裸露的病毒基因组DNA/RNA的吸收。

(在动物细胞中,从周围介质中吸收任何裸

露DNA都称为转染。

在酵母和植物细胞中导入裸露的DNA可以称为转染或转化)


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通过病毒颗粒介导将染色体或质粒DNA转移到细胞中。

普遍性转导:宿主 DNA片断可能取代病毒基因组被包装在噬菌粒中

(1) 载体为P1,P22噬菌体; (2) 经错误包装宿主DNA片断和同源重组;(3) 转移任何片断。

特异性转导:宿主 DNA共价地加入到病毒基因组中

(1) 载体为λ噬菌体; (2) 经特异位点整合或同源重组; (3) 转移特定的基因。


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  • 稳定转导:指外基因子重组到受体菌基因组中的转导。

  • 流产转导:指外基因子未重组到受体菌中的不能稳定转导。


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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


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图7-26 1963年E.Coli遗传图。图距单位是分钟


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