第七章 细菌和病毒的遗传分析

1. 第七章 细菌和病毒的遗传分析 重点：大肠杆菌的性别特性和重组 特征，中断杂交技术，细菌 重组作图的方法，噬菌体的 遗传分析。 难点：细菌的遗传分析和噬菌体的 遗传分析。

2. 第一节细菌和病毒在遗传学研究中的地位 一、细菌 二、病毒 三、细菌和病毒是遗传学研究的好材料

3. 一、细菌 • 细菌的结构 细菌结构简单：其基本结构，包括细胞壁、细胞膜、染色体、核糖体、细胞质及内含物。特殊结构如荚膜和鞭毛。 细菌染色体不凝缩，没有着丝粒，也没有纺锤体结构。细菌染色体大多为裸露的环状闭合DNA双链，没有组蛋白和其他蛋白质结合，也不形成核小体结构。

4. 研究细菌的方法 细菌的培养 基本培养基：仅能满足微生物野生型菌株 生长需要的培养基，称为基本培养基。 完全培养基：凡可满足一切营养缺陷型菌 株营养需要的天然或者半天然培养基 ，称为完全培养基。一般可在基本培 养基中加入富含氨基酸，维生素和碱 基之类的天然物质配制而成。

5. 细菌能在液体培养基上生长：

6. 细菌能在固体培养基上生长： (a) (b) (c) (d) 图 细菌能生长在固体培养基上并显示不同的 表型

7. 根据营养需求，可分离到突变体菌株：

8. 细菌的基因组 细菌染色体大多为裸露的环状闭合DNA双链，没有组蛋白和其他蛋白质结合，也不形成核小体结构。 图裂开的E.coli细胞释放出它的染色体（电镜照片）

9. 除了含有一条染色体外，大部分细菌还含有小的环状的DNA分子(质粒)。质粒的复制独立于细菌染色体。 图 淋球菌的刚复制完成的质粒

10. 大肠杆菌的突变型 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。这需要大量基因的表达，其中任何一个必需基因突变都会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。

11. 2）分解代谢功能的突变型 野生型品系能利用比葡萄糖复杂的不同碳源，因为它能使复杂的糖类转化成葡萄糖或其他简单的糖类，也能将复杂分子，如氨基酸或脂肪酸降解为乙酸或三羧酸循环的中间物。这些降解功能称为分解代谢功能。这也需要许多相关基因的表达，其中任何一个基因的突变都会影响降解功能的实现。 这种突变型称为分解代谢功能的突变型。

12. 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。细菌对各种抗生素的抗性机制各不相同。抗链霉素突变型的核糖体30S亚基的S12蛋白不再和链霉素结合，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。

14. 二、病毒 • 病毒的形态结构 病毒由蛋白质外壳包裹的DNA或RNA组成。

16. 病毒的分类 通常按宿主类型病毒分为： 1）噬菌体(phage)： 细菌病毒、真菌病毒 2）植物病毒(plant virus): 感染高等植物、藻类等真核生物的病毒 3）动物病毒： 昆虫病毒和脊椎动物病毒

17. 病毒的基因组 根据病毒基因组的结构、以及其转录mRNA、指导蛋白质合成与病毒复制表达的特点，基本上可以将其分成6种类型： 双链(ds)DNA病毒基因组 单链(ss) DNA病毒基因组 正链(+) RNA病毒基因组 负链(-) RNA病毒基因组 双链(ds) RNA病毒基因组 反转录病毒基因组

19. 噬菌体的增殖与突变型 噬菌体的增殖 1）烈性噬菌体的增殖： 感染宿主细胞后就进入裂解反应，使宿主细胞裂解。整个过程包括吸附􀂾侵入􀂾脱壳􀂾生物合成􀂾装配和释放。

21. 2）温和噬菌体的增殖 其感染周期有两种途径：即裂解途径和溶源途径，分别称为裂解周期(lytic cycle)和溶源周期(lysogenic cycle)。

22. 温和噬菌体的溶菌周期和溶源周期：

23. 噬菌体的宿主细胞为细菌，利用宿主 细胞的代谢机器来增殖。 图 噬菌体裂解细菌后形成的清晰噬菌斑

24. 噬菌体的突变型 1）条件致死突变型 温度敏感突变（temperature sensitive mutation，ts），野生型噬菌体能在很大的温度变化范围内感染宿主并进行繁殖，而热敏感突变型，通常在30℃（许可条件）感染宿主进行繁殖，但在40～42℃（限制条件）就是致死的，不能形成噬菌斑；而冷敏感突变型在较低温度下就致死。

25. 抑制因子敏感突变（suppressor sensitive mutation，sus），其实质是原来正常的密码子变成了终止密码子，因而翻译提前终止，不能形成有活性的蛋白质。带有sus突变的噬菌体在感染一种带有抑制基因(suppressor，su＋)（许可条件）的宿主菌时能产生子代，但在感染另一种没有抑制基因(su－)（限制条件）的宿主菌时，不能产生子代。野生型噬菌体在这两种宿主中都能产生子代。

26. 表1 不同宿主菌中sus突变噬菌体的表型

27. 根据在带有专一性抑制基因的宿主中的非致死性，可以将sus突变分为3类：琥珀突变（amber，amb）、赭石突变（ochre，och）和乳白突变（opal，op），它们相应的密码子为UAG、UAA 和UGA。

28. 终止密码子不编码任何氨基酸，称为无义密码子（nonsense codon），是蛋白质合成的终止信号。这些密码子是琥珀型（amber ）UAG、赭石型（ochre）UAA 和乳白型（opal ）UGA。

29. 如果编码多肽链中某一氨基酸的密码子突变为终止密码子，多肽链合成到此便会中断，从而使多肽链变短而失去活性。这种突变称为无义突变（nonsense mutation）。各种无义突变都是条件致死突变，因为有相应的无义抑制基因（su＋）。

30. 这些sus突变型之所以在带有相应的抑制基因宿主中可产生后代，是因为翻译过程中，在终止密码子处插入一个特定的氨基酸，防止在终止密码子位置上提前终止。如琥珀突变就有许多种抑制基因，各插入某个氨基酸以防止提前终止（见表2）。这些sus突变型之所以在带有相应的抑制基因宿主中可产生后代，是因为翻译过程中，在终止密码子处插入一个特定的氨基酸，防止在终止密码子位置上提前终止。如琥珀突变就有许多种抑制基因，各插入某个氨基酸以防止提前终止（见表2）。

31. 表2 琥珀抑制基因的实质

32. 携带su＋突变型的菌株实质是tRNA基因发生了突变，例如表2中的琥珀型抑制基因su3＋在UAG密码子上插入了一个酪氨酸，这是因为tRNATyr基因的反密码子的一个突变。携带su＋突变型的菌株实质是tRNA基因发生了突变，例如表2中的琥珀型抑制基因su3＋在UAG密码子上插入了一个酪氨酸，这是因为tRNATyr基因的反密码子的一个突变。

33. 例如酪氨酸密码子是UAC,酪氨酸tRNA反密码子是AUG。置换突变使UAC变为无义密码子UAG后翻译便到此停止。如果酪氨酸tRNA基因发生突变而使它的反密码子由AUG变为AUC，这一反密码子便能识别无义密码子UAG，可是它的3′端上仍然携带着酪氨酸。因此这一突变型tRNA能使无义突变密码子位置上照常出现酪氨酸而使翻译正常进行。

34. 2）噬菌斑形态和宿主范围的突变型 噬菌斑形态突变型：突变后有的是由于侵染宿主细胞后溶菌速度的快慢而形成大小不同的噬菌斑（plaque）。另一些则是由于被感染细菌全部或是部分被杀死而形成清晰或混浊的噬菌斑。

35. 宿主范围的突变型：噬菌体感染细菌时，首先吸附于细胞表面的专一受体上，这是由受体的基因控制的，如果受体发生改变，有可能使噬菌体不能附着，从而该噬菌体的宿主范围就缩小，另外,噬菌体突变也可以扩大寄生范围。宿主范围的突变型：噬菌体感染细菌时，首先吸附于细胞表面的专一受体上，这是由受体的基因控制的，如果受体发生改变，有可能使噬菌体不能附着，从而该噬菌体的宿主范围就缩小，另外,噬菌体突变也可以扩大寄生范围。

36. 三、细菌和病毒是遗传学研究的好材料 使用细菌和病毒进行遗传学研究的优点： 1）繁殖快； 2）能产生大量子代；3）单倍体基因组使得所有突变能直接表达； 4）无性繁殖简化了遗传纯合菌株的分离； 5）培养方便，所需空间小； 6）基因组小； 7）基因的分离和操作方便； 8）能通过遗传修饰获得有经济价值的物质。

37. 第二节细菌的遗传分析 一、接合 二、F因子 三、用中断杂交实验作连锁图 四、F’因子与性导 五、转导与作图

38. 细菌中，大肠杆菌（E.coli）是最为广泛的遗传学实验材料。 细菌的遗传重组可以通过三种途径来来实现： 1）接合(conjugation)：通过供体与受体之间的接触而传递DNA。 2）转化(transformation)：是指游离的细菌DNA片段被吸收到不同的细菌细胞内(受体)。 3）转导(transduction)：是指一种细菌的DNA片段经过温和的或经有缺陷的噬菌体传递给另一种细菌。

39. 一、接合 经细菌细胞直接的接触，把一个细胞(供体)的遗传物质传递给另一个细胞(受体)，从而实现遗传重组。 1)细菌经典的杂交实验 细菌的重组最初是在E.coli中发现的。1946年Lederberg & Tatum通过E.coliK12 菌株杂交实验首次证明E.coli的有性生殖和基因重组。

40. 不同营养缺陷型的大肠杆菌： A菌株：Met-bio-thr+leu+，需加甲硫氨酸和生物素。 B菌株：Met+bio+thr-leu-，需加苏氨酸和亮氨酸。 A菌株和B菌株营养缺陷型，不能在基本培养上生长。 A菌株和B菌株混合培养在完全培养基上，几小时后离心，涂布在基本培养基上，长出原养型(Met+bio+thr+leu+)菌落。

42. 问题： 1）这种原养型细菌的出现不一定是基因型的改变，可能是培养上的互补，即一些物质从一个品系的细胞中泄漏出来而被另一个品系的细胞所吸收呢？ 2）另一种可能是一个品系的DNA片段逸出细胞后，携带着相应的基因进入另一个品系的细胞，因为这种转化作用而产生了上述的营养型？

43. 1950年Davis的U型管实验 他用一个U型管，在底部用一块细菌过滤器隔开。U型管两臂中分别为营养缺陷型品系A和B，使它们繁殖到饱和状态，同时在U型管的一端交替地吸和压，使两臂中的培养液充分混合，但细菌的两个品系的细胞却不会接触。在U型管中培养一些时间后，再从两端分别取细菌进行培养，没有发现一个细菌能在基本培养基上生长。

44. 结论：要有原养型细胞的形成，两个菌 株间的直接接触是必不可少的。

45. Lederbery和Tatum认为两个亲本细菌在基因重组过程中起着同等作用：E.coli的性系统是同宗配合。 Hayes则证明：E.coli遗传物质的传递方式与具有典型减数分裂的生物不同。例如：两个亲本类型对后代的遗传贡献并不相等，有些亲本基因的组合会在后代出现，有一些则不会出现，而且所有后代中出现的基因都是连锁的，因此，E.coli的有性过程应该是异宗配合的。

46. 1952年Hayes的细菌杂交实验 菌株A：met-thr+leu+thi+； 菌株B：met+thr-leu-thi- 菌株A(经链霉素处理，不能分裂)与菌株B混合，涂布在基本培养基上，有活下来的菌落； 菌株B(经链霉素处理，不能分裂)与菌株A混合，涂布在基本培养基上，没有活下来的菌落。

47. 结论： Hayes 认为E.coli遗传物质的重组不是交互进行的，而是一种单向转移的结果。其中品系A作为遗传物质的供体，品系B的细胞则是遗传物质的受体。当两个亲本细胞接触后，供体A的遗传物质进入受体B的细胞中，紧接着遗传重组现象就在受体品系B的细胞中发生。供体品系相当于雄性，受体品系则相当于雌性。

48. 二、F因子 • F因子 Hayes提出在E.coli两个品系间遗传物质的转移是通过一个Sex factor F（致育因子）介导进行的。携带F因子的菌株称为供体菌或雄性，用F＋表示。未携带F因子的菌株为受体菌或雌性，用F－表示。 现在已经证实F因子是一种质粒，大约包含100个基因。

49. F因子的遗传结构 1)原点：转移的起点； 2)形成性伞毛的基因群：与结合有关； 3)DNA复制酶基因：与自我复制有关； 4)插入序列：与其插入细菌染色体的过程有关。

50. 在细菌接合过程中性伞毛连接F+和F-细胞。