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第七章细菌和病毒的遗传学分析

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第七章细菌和病毒的遗传学分析. 一、细菌和病毒在遗传学研究中的地位 ( 一 ) 作为遗传学研究对象的细菌和病毒 ( 二 ) 细菌和病毒是遗传学研究的好材料 优点 : ⑴ 细菌和病毒中的遗传物质含量少 ⑵细菌和病毒中 DNA 构型简单 ⑶细菌和病毒中的 DNA 是单倍体,无显隐性关系 ⑷细菌和病毒的代谢过程易于控制和鉴别.

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一、细菌和病毒在遗传学研究中的地位(一)作为遗传学研究对象的细菌和病毒一、细菌和病毒在遗传学研究中的地位(一)作为遗传学研究对象的细菌和病毒

  • (二)细菌和病毒是遗传学研究的好材料优点:
  • ⑴细菌和病毒中的遗传物质含量少
  • ⑵细菌和病毒中DNA构型简单
  • ⑶细菌和病毒中的DNA是单倍体,无显隐性关系
  • ⑷细菌和病毒的代谢过程易于控制和鉴别
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突变型的基因可用它不能合成的物质名称来表示。取前三个字母并在右上角加一负号“-”或“+”来表示, “-”代表不能合成该物质的缺陷型, “+”表示能合成该物质的野生型。如met- bio- trp-分别代表不能合成甲硫氨酸、生物素和色氨酸。 另一类突变型为抗药型,它们的基因型符号可用该药物名称的前三个字母并在右上角附加“r”或“s”来表示。如抗青霉素突变型为Penr,抗链霉素突变型为Strr,相应的敏感型则为Pens和Strs。

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二、细菌遗传物质的传递和基因作图(一)细菌遗传物质的分布 遗传学上经常作为实验材料的细菌:肺炎球菌、沙门氏菌、枯草杆菌、大肠杆菌。 质粒:细菌染色体外有自我复制能力的环状DNA分子,如F质粒、Co1质粒(合成丈肠杆菌素的质粒) 、R质粒。 质粒有三种基本功能:复制、与染色体联结、感染。

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(三)大肠杆菌F+ 、Hfr、F’和F-品系的比较分析F因子:是指丈肠杆菌的致育因子(一种研究较多的质粒) 。大肠杆菌的雄性或供体性由F因子决定。 根据F因子的有无和它的存在状态,大肠杆菌有三种雄性菌株和一种雌性菌株,雄性菌株具有附加的遗传单位F因子。F因子能以三种不同状态存在,使大肠杆菌具有相应的三种雄性菌株。

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⑴F+菌株:具有自主性自我复制的环状F因子。 ⑵Hfr菌株(high frequence of recombination , Hfr)高频重组品系:F因子插入在染色体的一定位置,和细菌色体整合在一起。当F因子重组在宿主细胞染色体上时,F因子仍然可以发生转移,此时的转移可推动宿主基因的转移,因此这种菌株称为高频重组菌株。 F因子推动染色体的转移是以F因子的一端开始,沿F因子所处位置的相反方向进行转移,F因子最后才转移。所以染色体在F因子的推动下发生的转移具有一定的方向和顺序。

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⑶F’菌株:具有携带一个或多个细菌染色体基因的自主性的F因子的菌株。 在Hfr菌株中,F因子易从细菌染色体上切离下来回复成F+菌株,但有时可能发生不准确切离而带有宿主的部分基因,这种游离的F因子称为F’因子。 ⑷F-菌株:不具有F因子的菌株称为F-菌株,是大肠杆菌唯一的雌性菌株。F因子的显著特征是能合成性纤毛,以帮助雄性菌株和雌性菌株的接合。

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(四)中断杂交实验作连锁图

1954年Wollman和Jacob利用Hfr菌株的染色体转移特征(方向性和顺序性),进行了E.coli染色体的基因定位。

Hfr: thr+ leu+ azir tonr lac+ gal+ strs(供体)

F-: thr- leu- azis tons lac- gal- strr (受体)

让两种细胞混合,37℃水浴一定时间后取样,组织捣碎机中断杂交,而后涂布在含Str的基本培养基上,考察供体基因在受体细胞出现的时间及顺序(基因转移的时间及顺序)。

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8 8.5 9 11 18 25

thr leu Az T1 lac gal

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三、非中断杂交与基因定位(重组作图)

利用F因子可以推动染色体到受体细胞中的特点,将要考察的基因全部转移到受体细胞中,然后考察各种基因型出现的频率,根据重组值计算公式计算重组值,进行作图。

为保证要考察的基因全部转移到受体细胞中,选择性标记必需处于转移的末断。

细菌基因重组的特征:与真核生物相比,原核生物的基因重组有两个特征,一是必需发生偶数次交换,细菌细胞才可存活;二是由于染色体不完整或选择培养的关系,野生的重组子才可存活,所以相反的重组子不出现。

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四、E.coli的染色体图

E.coli的基因定位主要以中断杂交的方法进行的,所以E.coli的染色体图是以分钟作单位的。

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三、噬菌体(病毒)的遗传学分析

  • 一、噬菌体的基本特征
  • 温和噬菌体
  • 烈性噬菌体
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二、噬菌体杂交与基因定位

噬菌体的杂交方法:混合感染(复感染、双重感染)

重组合

重组频率= x 100%

重组合+亲组合

例:1955年 Kaiser 的λ噬菌体实验

+ + + x s mi co1 杂交

s:小噬菌斑,mi:微小噬菌斑,co1:中央浑浊小点的噬菌斑。

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作图:

3.76 6.16

s co1 mi

8.2 + 2 x 0.86=9.92

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二、基因定位

遗传转化的转化因子一般在10000~20000bp之间,因此当两个基因连锁(注意:这里的连锁与真核生物的连锁不完全一样),他们被同时转化(共转化)的频率要远高于不连锁的基因。利用共转化的特点,可以对连锁的基因进行基因定位。

例:Nester利用枯草杆菌trp2+ his2+ tyr1+ DNA为供体,对trp2- his2- tyr1- 进行转化。

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第三节 细菌转导与基因定位

1952年,Lederberg & Zinder在进行U型管实验时发现。

转导(transduction):利用噬菌体(病毒)为媒介,将一个细胞(供体)的遗传物质转移到另一个细胞(受体)中去的过程。

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一、一般性(普遍性)转导

指供体细胞所有基因具有同等机会被进行转导的过程。

  通常能够进行普遍性转导的噬菌体是烈性噬菌体,他们感染细菌细胞后,在细胞内复制,最后导致细胞裂解。在裂解过程中,供体细胞DNA降解。噬菌体包装时可能以很低的频率发生错误而将供体细胞DNA误为噬菌体自身DNA进行包装。当这个噬菌体感染另一个细胞(受体),从而将供体DNA转移到受体细胞中,完成转导过程。

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利用转导现象可以进行基因定位

噬菌体包装供体DNA时,要求DNA片段的大小必须与噬菌体DNA大小相当,才可进行包装。因此当两个基因连锁时,这两个基因被同时转导(共转导、并发转导)的可能性比不连锁基因大得多。因此利用共转导频率的大小可以进行基因定位。

x=(1-d/L)3 或  d=L(1-3√ x)

x: 两基因的共转导频率; d: 两基因间的物理距离,单位与L相同。

L: 转导DNA的平均长度,即转导噬菌体DNA大小。

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例:转导噬菌体P1,基因组大小为80kb。

供体:E. coli supC+ trpA+ pyrF+

受体:E.coli supC- trpA- pyrF-

以supC为选择性标记

结果:  1.supC+ trpA+ pyrF+   36

2.supC+ trpA+ pyrF-   114

3.supC+ trpA- pyrF+   0

4.supC+ trpA- pyrF- 453

顺序:根据3知3基因的顺序为supCtrpApyrF

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距离:

supC-trpA共转导类型是1和2,频率是0.25,距离为29.6kb。

supC-pyrF共转导类型是1和3,频率是0.06,距离为48.7kb。

根据E. coli染色体全长3.0 x 106bp推算,每分钟DNA长度约30kb。因此上述距离分别为1分钟和1.6分钟。

supC 1.0 trpA 0.6 pyrF

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二、局限性(特异性、特殊性)转导

指转导噬菌体几乎只转导特定的少数几个基因的现象。

局限性转导一般由温和噬菌体介导,如λ噬菌体只转导gal基因及bio基因。

局限性转导的频率较高,可达10-3,而普遍性转导的频率一般为10-5~10-7