第八章 细菌和病毒的遗传

1. 第八章 细菌和病毒的遗传 教学目的和要求 1.理解细菌影印法研究 2.掌握细菌和病毒的四种遗传分析方法：转化、接合、性导、转导 3.掌握F+、 F-、F’、 Hfr× F+的特点 4.掌握中断杂交和重组作图的原理 5.掌握噬菌体结构和基因重组特点

2. 发展简史： • 二十世纪四十年代以后，人们普遍以微生物作为研究对象来代替过去常用的动、植物。 • 细菌和病毒作为实验材料的优越性（见下） • 1928年，格里菲斯 肺炎双球菌 “转化现象” • 1941年，比德尔 红色面包霉“一个基因一种酶” • 1944年，艾弗里证明了DNA是遗传物质 • 1946年，莱德伯格等用大肠杆菌K12菌株的两个营养缺陷型菌株的遗传重组。 • 基因化学本质的确定——分子遗传学

3. 细菌、病毒作为实验材料的优越性 • 便于找出营养缺陷型 • 便于基因作用的研究 • 便于研究基因突变 • 便于研究基因的精细结构 • 便于用作研究复杂体制的生物的简单模型（可作为模式生物） • 另：遗传物质含量少；DNA结构简单；DNA是单倍体；代谢过程易于控制和鉴别；便于建立纯系；便于长期保藏等。

4. 细菌的遗传分析 • 以大肠杆菌为例：细胞长约2㎛，直径1㎛呈直棒状。 • 细胞壁： • 细胞膜： • 细胞质： • 细胞核：结构简单，是“裸露”的DNA，呈环状，其长度达1100—1400 ㎛，在细胞内高度折叠盘绕、综错复杂，对遗传性状的传递起着重要作用。

5. 质粒（Plasmid） • 位于大肠杆菌细胞质中，是染色体以外的遗传物质。 • 是微小的、环形的双链DNA分子 ，携带复制自己的基因，有时还携带一些其它基因，因而能赋予寄主某些新的属性。 • 质粒的类型：感染性质粒和非感染性质粒；自主复制型质粒和结合型质粒；R质粒（抗重金属盐和对抗菌素有抗性）；Col质粒（合成大肠杆菌素质粒）等。

6. 大肠杆菌的有性生殖和基因重组 • 大肠杆菌的繁殖方式主要为裂殖，其有性生殖过程与真核生物不同，并不形成两个细胞的真正融合，而是给体细胞的一部分基因物质被转移到受体细胞，与受体细胞的内在基因形成重组的染色体。

7. 细菌的交配结合 • 1946年，J.Lederberg和E.L.Tatum用大肠杆菌进行实验 • 通过诱变实验,获得E.ColiK12的两个营养缺陷型菌株 亲本Ⅰ：bio-met-thr+leu+thi+ 亲本Ⅱ：bio+met+thr-leu-thi- 注：bio生命素；met蛋氨酸；thr苏氨酸；leu亮氨酸；thi硫氨素。“+”号表示野生型；“-”表示缺陷型。

8. E.coli重组的证明 met-bio-thr+leu+thi+ met+bio+thr-leu-thi 2×108 108 108 2×108 无菌落无菌落 若干原养型菌落 met+bio+thr+leu+thi+

9. 著名的U形管实验 • The U-tube experiment of B.Davis. Alternating suction and pressure force liquid and macromolecules back and forth across the filter. StrainA StrainB Filter

10. 解释 • Lederberg和Tatum的解释： 亲本Ⅰ met-bio-thr+leu+thi+ 亲本Ⅱ met+bio+thr-leu-thi- met+bio+thr+leu+thi+ met-bio-thr-leu-thi-

11. 证明 • Davis的U形管实验形象、有力地证明了原养型菌落的出现必需要细菌间的直接接触。后来，电镜观察发现细菌间确实存在着有性结合过程。 F+ F- Electron micrograph of conjugation between an F+（upper rigbt）and F-（lower left）cell with the F-pilus（菌毛、伞毛） between them.

12. 遗传物质的单向转移 • 细菌的结合是一种普遍现象 • 一个只作为给体（父体），另一个只作为基因受体或母体。 • 1952年，威廉.H用链霉素处理父本，菌株丧失其分裂能力，但仍然保持其功能；同样处理母本，再与父本混合，二者之间无遗传物质转移。 • 由此看来，父本的功能只在于交付某些DNA，并不需要保持全部活力，而母体则必须保持活力，使结合子能够发育形成。

13. F因子（fertility） • 细菌的父性是由一种可转移的遗传物质决定的； • 父性与母性细胞交配结合后，母性细胞全部变成了父性； • 决定父性属性的遗传物质被称为F因子； • F因子只能由两细胞直接接触而转移，即单向转移。

14. 中断杂交图 • Wollman and Jacob

15. 分析 • 8分钟取样，所得菌落标记基因完全与F-相同，说明Hfr的基因还没有进入F-细胞 • 9分钟取样，开始出现少量azir菌落，说明叠氮化钠基因已经进入F-细胞 • 11分钟后取样，开始出现azirtonr型的F-菌落 • 混合18分钟和24分钟取样时，又分别出现azir、tonr、lac+和azirtonrlac+gal+的菌落。

16. 进一步分析 • Hfr上的基因在一定时间内以一定的顺序先后进入F-细菌中 • 某一基因进去的时间愈早，它所达到的百分率也愈高。例如，azir基因在24分钟时就达到大约90%；gal+基因最高也不超过30% • 由此推断，Hfr的染色体从原点O（origin）开始，以线性的方式进入F-细胞，其上的基因离O点愈近，进入F-细胞就愈早。反应在曲线上，表现在前者斜率高，最高值也大；后者斜率低，最高值也小。

17. 作图 • 根据中断杂交实验，以每一基因转移的时间（分钟）作为基因距离的单位，即可作出Hfr细菌的线性 基因连锁图如下： 0 9 11 18 25 0 azi ton lac gal F 0 9 11 18 25

18. 几个Hfr菌株的基因顺序

19. 分析 • 乍一看，上表中Hfr品系的基因转移顺序都各不相同，那么，基因转移的顺序是不是随机的呢？ • 如his基因，不管位置如何变化，总是gal在一边，gly在一边，其它基因也如此。 • 基因在染色体上的位置是排定的 • 不同的是0点的位置在不断变化，即看0点究竟在那两个基因之间。

20. 解释 • Alan Campbell认为F是一个小的细胞质成分，F+雄性的染色体是环状的，线性的Hfr染色体可以由F插在 环状染色体的不同部位而得到。 • 关于F的整合：Campbell提出F也是环状的，包括三个不同区段。细菌染色体有几个与F同源的配对区段，由于在这些不同位点上交换而产生不同的Hfr 染色体。

21. Wollman和Jacob假说 • 大肠杆菌的 染色体为环状， • F因子可插入到环状染色体的某些特定部位，将来染色体就在F因子处断开成为线状，F因子为末端，与之相对的一端为0点。这样就解释了上表Hfr菌株基因转移的不同情况。

22. 大肠杆菌环状染色体的基因分布图

23. F因子整合到染色体的过程 • F因子是质粒的一种，也为环状DNA分子，可分为四个部分： • 原点（0）是染色体转移的起始点 • 育性基因，也叫形成性伞毛的基因群（gene family），可使F-⇒F+ • DNA复制酶基因，与F因子复制有关 • 插入序列（insertion sequence，IS），也是配对区段。与主染色体的某些区段相对应。

24. F因子图解 • 环状 原点（0） 育性基因 复制 F 配对区

25. 附加体（episome） • 概念：象F因子这样既能独立存在，又能整合到染色体上成为染色体一部分而进行复制和传递，这样的质粒称为附加体。F质粒是附加体的一种。 • 注：IS具极性，可决定F因子的整合位点和转移方向。见刘祖洞P226图7-8

26. 交换过程 • 即Hfr转移过去的基因与F-基因的重组

27. 特别说明 • 由于在以上交配结合中，受体细胞只能得到供体细胞的部分染色体，因而只有部分染色体是二倍性的，称为部分二倍体（partial dip-oid）或部分合子（merozygote） • 注：①只有偶数交换才能产生有活性的重组子和片断 ②由于片断在以后的细胞分裂中丢失，所以，相反的重组子不出现。

28. 重组作图 • 如果时间单位接近两分钟，得到的图距很不可靠，这时要用传统作图法。 • 如：lac和ade两个基因紧密连锁 Hfr lac+ade+strs X F- lac-ade-strr 重组子 lac+ade+strr lac-ade+strr （无交换） （交换） 重组率=lac-ade+/（lac+ade+）+（lac-ade+）ⅹ100% ≌22% ☞根据作图法得lac与ade之间为1分钟，相当于20%的重组值，数据基本吻合。

29. F'菌株的来源与习性-----性导 • 一种新的F因子（Adelberg，1959） • 携带有主体DNA的质粒叫F’质粒（ F’ —Prime）。含有F’质粒的细胞叫F’细胞（或F'菌株） • 相当于细胞的第二染色体，不能丢失，一旦丢失，很可能会造成细胞的死亡。 • 与F质粒一样，通过与F-菌株的结合而转移，也能与主体DNA整合。如下图所示

30. F′因子

31. 性导示意图 • 通过F’因子将供体主染色体上的基因导入受体细菌，使受体细菌构成部分二倍体的过程称为性导（Sexduction）或F—duction

32. F+、F-、Hfr、F'之间的关系 F+ 获得 丢失 脱离 整合 F- Hfr 丢失 整合 脱离 整合 F'

33. 噬菌体遗传学 • 噬菌体杂交 裂解(lysis)：噬菌体附着到细菌体表，将它的遗传物质注入细菌细胞质中，利用细菌作为它的基质，合成更多的噬菌体，细菌细胞壁破裂后，大量噬菌体被释放出，这一过程称为裂解。 1、噬菌体杂交：当用两种不同的噬菌体株系共同侵染一种细菌时，会发现两种亲本噬菌体基因间发生重组，这种现象称为噬菌体重组。 2、根据噬菌体杂交后代基因型是亲本组合还是重组合，计算出RF值，进一步可以绘出连锁图。

34. 溶源性 • 噬菌体原(prophage)：在细菌染色体的特异位点整合进整个噬菌体基因组，整合进细菌基因组中的噬菌体称为噬菌体原。

35. 温和性噬菌体和溶源性细菌 • 溶源菌(lysogenic bacterium)：含有噬菌体原的细菌具有产生和释放噬菌体的潜力，这种细菌称为溶源菌。 溶源菌具有抗某些噬菌体侵染的能力，但是它可产生噬菌体侵染其它非溶源菌。 烈性噬菌体(virulent phage)：不能溶源化细菌的噬菌体称为烈性噬菌体。 温和噬菌体(temperate phage)：能够溶源化细菌的噬菌体称为温和噬菌体。

36. 转导 转导(transduction)：通过噬菌体将一个细菌的基因带入另一个细菌中的过程。转导分为一般性转导和特异性转导一般性转导 1965年K. lkeda和J. Tomizawa在大肠杆菌噬菌体P1上的研究发现，当一个非溶源的供体细胞被P1裂解时，细菌染色体被打成小段，在形成噬菌体时，偶尔将一长段细菌DNA结合进噬菌体的头部。当该噬菌体侵染其它细菌时，可将这部分DNA注入受体细胞中，形成部分二倍体，所转导的基因可被重组。利用部分二倍体可以得出基因座之间的连锁关系。 在这种转导中，每个寄主标记都可能被转导，所以称为一般性转导。

37. 特异性转导 • 噬菌体在转导时，只携带细菌染色体的限定部分，这种转导称为特异性转导。以λ噬菌体为例，说明特异性转导。λ噬菌体原经常插入E. coli寄主染色体邻近gal（半乳糖苷酶）区段。

38. 上述溶源菌以两种方式重新产生噬菌体 1、噬菌体原区段形成一个外环，在两对噬菌体和细菌整合位点间产生一个交换，其结果重又产生一个正常的λ噬菌体，它的整合位点是完整的，有再次侵染能力，见图（一）。

39. 2、有时以非常低的频率形成一个异常的外环，在非原整合位点产生一个交叉，重新形成一个带有gal基因的噬菌体颗粒。该颗粒是不完整的，其中一些基因被留在寄主中，这些噬菌体被称为λdgal。 2、有时以非常低的频率形成一个异常的外环，在非原整合位点产生一个交叉，重新形成一个带有gal基因的噬菌体颗粒。该颗粒是不完整的，其中一些基因被留在寄主中，这些噬菌体被称为λdgal。 它们的整合位点是有缺陷的，混合位点不能给催化噬菌体和细菌重组的酶提供正确的底物，因此单独侵染细菌时不能整合。必须与野生型噬菌体共侵染，与λdgal共侵染的噬菌体称为助噬菌体(helper phage)。

40. 用λdgal+ 共侵染受体gal-时，结果会有以下两种结果：用λdgal+ 共侵染受体gal-时，结果会有以下两种结果： 1、侵染后，在无机培养基上可以见到少数gal+转导细胞生长并形成菌落。

41. 2、大部分会形成双溶源菌。如果把双溶源菌裂解，在转导中做为供体，将会得到很高的转导频率。该裂解物称为高频转导(hight-frequency transduction, HFT)裂解物。因为在该裂解物中既包含λdgal，也包含野生型λ，不需添加助噬菌体，因而提高了转导频率。

42. 本章小结 1. 细菌研究的影印培养法 2. 噬菌体的类型 裂型噬菌体、温和噬菌体、噬菌体的基因重组与作图 3. 细菌遗传分析中的基因转移 性导和转导