细菌和病毒的遗传

细菌和病毒的遗传 第七章 细菌和病毒的遗传 前面我们讲过，减数分裂是真核生物基因传递方式的特征，是有性生殖过程的反应。然而还有一些生物，象细菌没有核的结构，还有象病毒没有细胞的结构，这些原核类型生物没有典型的减数分裂，所以它们的基因的传递方式是非减数分裂的。我们在这一章里将讨论它们的遗传物质的几种传递方式。 第一节 细菌和病毒遗传研究的意义 一、细菌 所有的细菌都是比较小的细胞，大约1——2um长，0.5um宽，由一层或多层膜或壁的包围。细菌细胞中有含许多核糖体的细胞质，以及含DNA的区域，即拟核(nucleoid)， 3也称核质体。核质体的体积约为0.1um，其中的DNA紧紧 地裹成一团，但没有膜包被， 在细胞质里，除核糖体外，不存在细胞器。细胞质外包有质膜体(mesosome)。 大肠杆菌(scherichia coli)，在细菌遗传研究中应用十分广泛，其DNA主要是以单个主染色体(main chromosome)的形式存在，长约1100Hm，分子量约2.6×10。这种DNA与真核生物的DNA不同，它不与组蛋白结合，也不形成核小体 的结构，它是一个封闭的大环。除了主染色体之外，细胞里通常还具有一个或多个小的染色体这些小的染色体叫质粒(palsmid)。每个质粒包含有细胞中DNA总量的0.5%——2%，是长4——35Mm的双链DNA，它们是一个个的小环，也不与组蛋白结合。 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。由于病毒没有细胞结构，所以它不能单独地生长和繁殖。必须寄生在活细胞中，利用活细胞的代谢机器来进行繁殖。按照它们感染的细胞类型可分为感染细菌，真菌及藻菌的菌类病毒，以及感染动物和植物的动物病毒和植物病毒。病毒结构十分简单，它们仅含一种核酸，或DNA或RNA，和一个蛋白质外壳。在病毒中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。感染细菌的病毒又叫噬菌体(bacteriophage)，是目前了争比较楚的病毒，依其遗传物质的性质，可以有单链DNA，单链RNA，双链DNA和双链RNA4种类型。依其与宿主细胞的相互关系，可分成有裂性(virulent)和温和(temperate)两大类型。 三、细菌和病毒在遗传研究中的优越性 1、世代周期短 每个世代以min或h计算。例如，大肠杆菌每20min可繁殖一代，病毒每h可繁殖数百个后代，因此，将它们培养1周，便可在固体培养基中得知结果，大大缩短了实验周期。 2、易于管理和进行化学分析 因一支试管可以储存数以百万计的细菌和病毒，操作管理方便，可大量节省突间和培养工作所需的人力、物力和财力。在基因作用的研究上常需要对代谢产物或基因本身进行化学分析，而细菌代谢旺盛繁殖又快，可在短期内累积大量产物，为化学分析提供了条件。 3、便于作为基因突变的研究材料 基因突变往往发生在极个别的个体或细胞中，因此必须观察大量的个体或细胞才能发现突变型。细菌和病毒属于单倍体，所有突变都能立即 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 现出来，不象直核二倍体生物那样，有显性掩盖隐性的问题。 例如在一个培养皿上一般只能生长几百个菌落，而在通常情况下，基因突变的频率很低，一般在以下，所以至少在几十个培养皿中才能观察到一个突变型。现在如果所观察的是抗链霉素突变型，只需要在培养基中加入链霉素，那末野生型敏感细菌就不能形成菌落，而只有发生了抗性突变的细 菌才能在培养皿上形成菌落，因此不难在一个培养皿上发现若干亿个细菌中所发生的少数突变。 4、便于研究基因的作用 在基因作用研究中常常用到营养缺陷型。在基因作用研究中也常常需要对代谢产物或菌株本身进行化学分析。的细菌可以生活在基本培养基上，而那些丧失合成某营养物质的突变体则必须添加这类物质才能生长。用在基本和补充两种培养基上进行的影印培养，很容易从供试菌细胞中检出营养缺陷型，有利于从生化角度来研究基因的作用。 5、便于基因重组的研究 细菌的转经，转导和接合作用，在一支试管中可以产生遗传性状不尽相同的子代，这些子代的遗传重组型可用于精密的遗传学分析。虽然重组频率不高，但利用营养缺陷或抗药性等标记，不难从亿万个供试细菌细胞中选出基因重组的突变株。 6、便于用作研究基因结构，功能及调控机制的材料 细菌可以生活在基因培养基上，而那些丧失合成某营养物质的突变体则必须添加这类物质才能生长。用在基本和补充两种培养基上进行的影印培养，很容易从供试菌细胞中检出营养缺陷型，有利于从生化角度来研究基因的作用。 5、便于基因重组的研究 细菌的转经，转导和接合作用，在一支试管中可以产生遗传性状不尽相同的子代，这些子代的遗传重组型可用于精密的遗传学分析。虽然重组频率不高，但利用营养缺陷或抗药性等标记，不难从亿万个供试细菌细胞中选出基因重组的突变株。 6、便于用作研究基因结构，功能及调控机制的材料 细菌和病毒遗传物质简单，一般具有比高等生物少得多的遗传信息。因而，其基因的定位、结构分析及其分离均易于进行。基因的表达和调控也可用于生理生化及其他 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 进行深入研究，可以为进一步深入研究高等生物的遗传机制奠定基础。 7、便于进行遗传操作 由于没有组蛋白及大量其他蛋白的结合，所以细菌和病毒的染色体更适宜用于遗传工程的操作。细胞质粒和病毒作为载体，已成为高等动植物分子遗传学研究和生物工程的重要工具。 第二节 噬菌体的遗传分析 噬菌体是在20 世纪初被发现，但直到20世纪40年代才发现它是遗传分析的好材料。德尔布鲁克、赫尔歇和罗特曼揭示出噬菌体的一个拟性过程，通过这个过程，可以发生遗传物质的交换。这一重大发现促进了噬菌体遗传学的研 究，从而获得了关于基因结构，重组机理和基因功能的大量知识。 一、噬菌体的结构 遗传学应用最广泛的是大肠杆菌的T噬菌体系列(T1到T)，它们的结构大同小异，外貌一般呈蝌蚪状。T偶列7 噬菌全的结构是具有六角形的头部，其内含有双链DNA分子。头下的尾部包括一个中空的针状结构及外鞘。末端是是板，由尾丝及尾针组成。在T偶列噬菌体的尾丝阴着在大肠杆菌表面时，通过属鞘的收缩将DNA经中空尾部注入宿主细胞。 根据噬菌体DNA在宿主细菌内的特点，又将噬菌体分为裂性和温和性两类。 (一)烈性噬菌体(virulent phage) 这类噬菌体的DNA经中空尾部进入宿主细胞。遂即破坏宿主原有的遗传物质。并转而合成大量的噬菌体DNA和蛋白质，组装成许多新的子噬菌体，最后使细菌裂解(，释放出数百个子噬菌体，这样的T偶列噬菌体称为裂性噬菌体。 (二)温和性噬菌体(termperate phage) 温和性噬菌体有溶原性(lysogeny)的生活周期，即在噬菌体侵入后，细菌并不裂解，它们以两种不同形式出现，入和 噬菌体各代表一种略有不同的溶原性类型。入噬菌体附着P1 于大肠杆菌染色体的qal和bio位点之间的att入座位上(attchment site)，它能通过交换而整合到细菌染色体上，这时它会阻止其他入噬菌体的超数感染(superinfection)(一个细菌受一个以上噬菌体所感染的现象)。整合的噬菌体称原噬菌体(prophage)。P噬菌体与入不同，它并不整合到溶原1 性的染色体上，而是独立地存在于它的细胞质内，这两种噬菌体的共同特点是DNA既不大量地复制，也不大量地转录和翻译。这类噬菌体往往只有一个或少灵敏基因表达，因此产生的阻遏物能关闭其他基因的表达。这样，当溶源性细菌分裂成两个子细胞时，入噬菌体随溶原性染色体的复制而复制，每个子细胞中有一个拷贝，P噬菌体的复制则使每个子1 细胞中至少含有一个拷贝。原噬菌体通过溶原性(induction) 可转变为烈性噬菌体。诱导可以通过不同的方式进行，如紫 外线照射，温度改 变与非溶原性细菌的结合等。这类诱导可以造成阻遏物失活或稀释，使其他的噬菌体基因表达出来，促使噬菌体繁殖并 进入裂解周期。 二、T噬菌体的基因重组与作图 2 赫尔歇研究的噬菌体遗传性状分为两类:一类是形成的噬菌斑形态，另一类是宿主范围。前者指噬菌斑的大小，边 缘清楚或模糊，后者指噬菌体感染和裂解细菌菌株的能力。 —突变体(r代 研究得最多的噬菌体突变体是T噬菌体r +表rapidlysis，速溶性)。一个正常的T噬菌体称为r，产生 —的噬菌斑小而边缘模糊;而r突变体则产生边缘清楚的噬 菌斑。 有些噬菌体的突变体能克服抗噬菌体菌株的抗性，称为宿主范围突变体。如大肠杆菌B株是T的宿主，有时它对2 T产生抗性，这个菌株称为大肠杆菌B/2株。一种发生在2 —+T上的h突变体，能利用B株及B/2株;h则是正常的噬2 —+菌体，只能利用B株。由于h和h均能感染B株，用T2 ——++的两个亲本hr和hr的重组体。把释放出来的子代噬菌体接种在同时长有B及B/2株的培养基上记录噬菌斑的形态， ——++未重组的亲本类型是hr(半透明、大)和hr(透明，小) ——++重组类型是hr(透明，大)和hr(半透明，小) 重组值可用下式计算 重组噬菌斑数 ×100% 重组值= 总噬菌斑数 ——++ hr+hr ————++++ = hr+hr+hr+hr 这个重组值去掉百分号(%)就可以作为图距。 不同速溶性噬菌体的突变型在表现型上不同，可分别写 ———成ra、rb、rc等，用不同的突变型杂交获得的结果如下 表。 根据表7-2结果可以分别作出以下ra、rb、rc与h 3个连锁图 r 24 h rb 12.3 h rc a 1.6 h 由于有3个不同的r基因的座位，故可根据表7—2的重组值列出以下4种可能的基因排列连锁图 为了确定基因排列顺序，可先只考虑r、r及h来确定bc ——++是rchrb还是hrcrb。为此需要作rcrb×rcrb杂交，将所得重组值与rbh间的距离比较，据此可知h应位于rb及rc之间，所以排列顺序是rchrb。 至于ra 在h的哪一边,是靠近rb还是靠近rc,因为T噬2菌体的连锁图是环状的，所以两种答案都是正正确的。 三、入噬菌体的基因重组与作用 凯泽在1955年最先进行了入噬菌体的重组作用试验。他用紫外线照射处理，得到5个入噬菌体的突变系，每一个突变系产生一种变异的噬菌斑表型。S系产生小噬菌斑，mi系产生微小噬菌斑，c 系产生完全清亮的噬菌斑，coi系产生除了中央一个环之外，其余部分都清8亮的噬菌斑， co2系产生比co1更浓密的中央环噬菌斑。后3个突变系的溶原性反应受到干扰，反能进入裂解周期，所以形成清亮噬菌斑。 野生型噬菌体的溶原性反应正常，因而有部分溶原化的细菌不被裂解，仍旧留在噬菌斑里，所以形成的噬菌斑是混浊的。 凯泽用scoi mi x +++杂交，所得所代是8种表型，病毒是单倍体，与二倍体生物不同，亲本组合与重组双交换的组合可直接从后代反映出来，杂交结果如表7-3。 从双交换的类型知道，这3个基因的次序就是scion mi。scio之间的图距为3.76m.M;而coimi之间为6.16m.M，cimi之间的图距为3.76+6.16=9.92，这样主可以作出这三个基因的遗传图谱。 S 3.76 coi 6.16 mi 转化:一个细菌品系的细胞由于吸收了另一细菌品系分离得来的DNA而发生遗传性状改变的现象。 转染:用离体状态的病毒DNA或RNA感染感受态细菌，从而改变细菌基因型的作用。 转导:以噬菌体为媒介，将细菌的小片段染色体或基因从一个细菌转移到另一个细菌的过程。 二、T噬菌体的基因重组与作图 2 赫尔歇研究的噬菌体遗传性状分为两类:一类是形成的噬菌斑形态，另一类是宿主范围。前者指噬菌斑的大小，边缘清楚或模糊，后者指噬菌体感染和裂解细菌菌株的能力。 —突变体(r代 研究得最多的噬菌体突变体是T噬菌体r +表rapidlysis，速溶性)。一个正常的T噬菌体称为r，产生 —的噬菌斑小而边缘模糊;而r突变体则产生约大两倍的边缘清楚的噬菌斑。 有些噬菌体的突变体能克服抗噬菌体菌株的抗性，称为宿主范围突变体。如大肠杆菌B株是T的宿主，有时它对2 T产生抗性，这个菌株称为大肠杆菌B/2株。一种发生在2 —+T上的h突变体，能利用B株及B/2株;h则是正常的噬2 —+菌体，只能利用B株。由于h和h均能感染B株，用T2 ——++的两个亲本hr和hr的重组体。把释放出来的子代噬菌体接种在同时长有B及B/2株的培养基上记录噬菌斑的形态， ——++未重组的亲本类型是hr(半透明、大)和hr(透明，小) ——++重组类型是hr(透明，大)和hr(半透明，小) 重组值可用下式计算 重组噬菌斑数 ×100% 重组值= 总噬菌斑数 ——++ hr+hr ————++++ = hr+hr+hr+hr 这个重组值去掉百分号(%)就可以作为图距。 不同速溶性噬菌体的突变型在表现型上不同，可分别写 ———成ra、rb、rc等，用不同的突变型杂交获得的结果如下表。 根据表7-2结果可以分别作出以下ra、rb、rc与h 3个连锁图 r 24 h rb 12.3 h rc a 1.6 h 由于有3个不同的r基因的座位，故可根据表7—2的重组值列出以下4种可能的基因排列连锁图 为了确定基因排列顺序，可先只考虑r、r及h来确定bc ——++是rchrb还是hrcrb。为此需要作rcrb×rcrb杂交，将所得重组值与rbh间的距离比较，据此可知h应位于rb及rc之间，所以排列顺序是rchrb。 至于ra 在h的哪一边,是靠近rb还是靠近rc,因为T噬2菌体的连锁图是环状的，所以两种答案都是正确的。 第三节 细菌的遗传分析 一个细菌细胞的DNA与另一个细菌细胞DNA的交换重组是通过4种不同的方式进行的，即转化、接合、性导和转导。温度改变与非溶原性的细菌的接合等。这类诱导可以造成阻遏物失活或稀释，使其他的噬菌体基因表达出来，促使噬菌体繁殖进入裂解周期。 一、转化(transformation) 转化是指某些细菌(或其他生物)能通过细胞膜摄取周围供体染色体片段，并将此外源DNA片段通过重组整合到 自己染色体组的这程。只有当整合的DNA片段产生新的表现型时才能测知转化的发生。转化中接受供体遗传物质的称为受体。 转化首先是由格里费斯(Griffith,F.,1923)在肺炎双球菌中发现的，后来阿委瑞(Avery,O.T.,1944)等从分子水平上研究证实，转化因子是DNA。因为肺炎双球菌中其余的组分并不影响转化。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。大部分的转化研究工作是用下面3种细菌完成的:叉肺炎双球菌、枯草杆菌和流感嗜血杆菌。研究表明，用两个带有不同抗性的肺炎双球菌群体混合时，可以形成带有双抗性的细菌。这是由于死亡的细菌裂解后，其DNA遗留在培养基中，其他细胞可摄取这些DNA并发生转化，从而获得新的性状。枯草杆菌可将DNA分泌到活细胞表面，以备摄取。 (一)供体DNA与受体细胞间的接触与互作 转化的第一步是使供体DNA与受体细胞接触并发生互作。影响它们之间互作的因素包括:转化片段的大小，形态、浓度和受体细胞的生理状态。转化肺炎双球菌的DNA片段，至少要有800个核苷酸对，而枯草杆菌最少需要16000个核苷酸对。虽然供体DNA分子的上限不十分明显，但在用高浓度大分子DNA转化时，只有一部分DNA进入受体细胞， 此外，供体DNA分子必须是双链。 对某一个特定基因来说，存在的代体DNA分子数目与细胞转化率直接相关。例如，从一个抗链霉素细菌菌株提取DNA，转化链霉素敏感的细菌，在每个细胞具有10个DNA分子以前，抗性转化子的数目与供体DNA分子数目成正比。这是因为在细菌的细胞壁或细胞膜上有一定数量的DNA接受位点，一旦它们达到饱和，再增加DNA也不能提高转化子数量。 另外只有受体细胞在生理上处于感受态(competence)时，才能接受外源DNA，实现转化。研究证明，这种感受态只能发生在细菌生长周期的某一时期。有人认为感受态是细胞的DNA合成刚刚完成，而蛋白质合成仍然于活跃状态，合成的蛋白质使细胞发生变化，易于接受外源DNA。 (二)转化DNA的摄取和整合 细菌的遗传转化是一种遗传物质的重组。它包括供体DNA的结合和穿八，联会和整合，最后，供体DNA的一条单链片段通过重组而整合到受体DNA中。 1、结合与穿入(binding and penetration) 当细菌处于感受态时，几个双链DNA分子可结合在受体细胞表面的几个受体位点上，例如，这种结合在流感嗜血杆菌上平均为两个。最初的结合是可递的。结合的DNA可 被DNA酶降解或冲洗掉。这个可遂阶段很短，有时只4——55。只有具备一定长度的，但不一定具有亲缘关系的DNA才能与受体结合。一旦受体细胞上的受体位点饱和后，遂阻止其他双链DNA的结合，稳定结合在受体位点上的DNA，随后纵向地被细菌所摄取，这个过程是不可逆的。此时，供体DNA不会再受到培养基中DNA酶的破坏。在摄取供体DNA时，由外切酶或DNA移位酶(translocase)降解其中的一条链。并利用降解这条链产生的能量，将另一条DNA链拉进细胞中。这个过程可能因不同物种而有差异。 2、联会(synapsis):供体的单链DNA片段一旦进入细胞，各上不同位点即与其相应的受体DNA片段联会。联会也可以发生在异种DNA之间，这主要取决与种间亲缘关系的远近。亲缘关缘愈远，联会的可能性愈小，转化的中能性也不。反之则大。 3、整合(integration): 整全是指单链的供体DNA与受体DNA对应位点的置换，从而稳定地渗主到受体DNA中。整龠呈DNA重组对同源DNA具有特异性，视供体DNA的亲缘关系，有可能发生不同频率的整合。 (三)转化和基因重组作图:DNA片段进入受体细胞之后，可以和受体染色体发生重组。由于DNA是以小片段的形式进入受体的，所以距离很远的两个基因很难同时存在于 一个片段中，同时转化受体，除非分别包括这两个基因的两 个片段同时进入受体。按照概率定律，两个片段同时转化的 概率应为它们单独转化概率的乘积。 ———+++表7-4 trphistyr(供体)×trphistyr1(受体)的转化子2 类型及重组值计算 座位 转化子类型 + — 2trp + — + + — + + 2his + + — — — + + 1tyr — — + — + 11940 3360 418 2600 107 1180 数目 685 亲本类型 重组类型 重组值 6785 11940 3360+418 0.34 6785 19905 trp2-his2 13120 2600+107 1180 11940 3360+685 8125 8125 0.40 trp2-tyr1 12047 2600+1180 20172 107 11940 685+107 2390 2390 0.13 his2-tyri 15600 418+1180 17990 3360 —his有重组的转化体 trp2 trp—his间重组率= 22 ×100% (trp—his间有重组的转化体)+2 (trp-his间无重组的转化体) 2 所以这种情况的概率是很低的。但是，当两个个因紧密连锁时，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。例黎德伯格等人用枯草杆菌作了如下实验，即 ———以trp+his+tyr+为供体，trphistyr为受体进行转化，221221 结果如表7-4。 从表7-4的 资料 新概念英语资料下载李居明饿命改运学pdf成本会计期末资料社会工作导论资料工程结算所需资料清单 可以看出，trp、his和tryr是连锁的，221其中his和tyr连锁紧密这是因为它们并发转化的频率很21 高，根据重组值计算结果，可知trphis的重组值为0.34%，22 tptyr的重组值40%，histyr的重组值为13%，因此，trp、2 1212his及tyr的排列顺序为: 21 trp 34 his 13 2 2tyr 1 转化时细菌染色体的重组与下面介绍的接合时的重组一样，相反的重组体因遗传物质不完整而不能成活，故不存在，而只有双交换和偶数的多交换才是有效的。 二、接合(conjuation) 大肠杆菌一般进行无性繁殖，但有时也进行个体间的接合生殖。在原核生物中，接合是指遗传物质从供体(donor)——“雄性”，转移到受体(receptor)“雌性”的过程。 在1946年，莱德伯格和塔特姆发现大肠杆菌细胞之间通过接合可以交换遗传物质。他们选择两个不同营养缺陷型的 --++++biothrleuthrleu它需要在基大肠杆菌菌株:A菌株是met 本培养基上补充甲硫氨酸和生物素;B菌株是 ++--metbiothrleu，它需要在基本培养基上补充苏氨酸和亮氨酸，为了避免自然的回复突变，所以他们采用这种多营养缺 -6-陷型。通常约有10的细胞，在每个世代可以由met自发回 +复突变成met。但是在多种营养缺陷中，几个位点同时自发回复突变的几率小到几乎等于0。 A菌株和B菌株在基本培养基上都不能生长。但是若将A主B混事培养在完全的液体培养基上，数h后，把培养物离心，并且把洗涤的沉淀细胞涂 布在基本培养基上， ++++发现长出一些原养型(metbiothrleu)的菌落。这种原养型是怎么产生的呢,是由于转化呢,还是由于细胞直接接触而发生的遗传物质交换和重组呢,为搞清这个问题，戴准 斯 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 了一种U型管的实验。在这个U型管中，左右两臂分别放入A菌株和B菌村的液体培养物，底部中间有滤片把A、B培养物机械地隔开。滤片的孔很小，细菌不能透过，但大分子(包括DNA)可以自由通过。在U型管中培养一些时候，再测定每一臂的细菌，没有发现一个细菌能在基本培养基上生长。 从U型管第一臂轮流用加压和吸引的办法使培养液和大分子相互混合，待两臂的细胞在U形管完全培养中停止生长后，将它们分别涂面在基本培养基上，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)是原养型细胞出的必要条件。 海斯后来通过试验证明，在接合过程中遗传物质的交换是一种单向转移。例如，就本例来说A菌株的遗传物质向B菌株转移，因此一般可以把供体看作“雄性”受体看做“雌性”。 +-F的转移 (F)因子及F 进一步研究发现，在接合过程中A菌株之所以能成为供体，坚固耐用为它有一个性因子(sex factor)，即致育因子(fertility factor)，简称F因子。F因子具有赋予中性细菌以性别的性质，是一种封闭的。 1、F因子 (1)概念:具有赋予细菌以性别的性质，是一种封闭的环状DNA分子，由3个不同区域组成。 (2)特点:可以从二种方式存在，或者以游离状态存在于细胞质内或者以整合状态存在于细菌的染色体组内。 附加体(episome);在细胸中或以游离态或以与染色体相结合的状态存在着的遗传结构，它的存在给细胞带来一定的遗传性状，但它们的缺失并不造成细胞的死亡。 +-向F的转移 2、F —— F:没有F因子的菌株，称F菌株 ++三种大肠杆菌 F:含有一个游离状态的F因子，称F Hfr(high frequency recombination):包含一个整合到自己染色体组内的F因子，称Hfr菌株。 环状DNA分子，它是独立于细菌染色体外的遗传物质，由3个不同的区域组成。F因子或者以游离状态存在于细胞质内或者以整合状态存在于细菌的染色体内。具备这样两种状态的遗传颗粒称附加体，它既能作为细胞质成分存在，又能作为染色体整体的一部分存在。对大肠杆菌来说，据F因子的有无和F因子的存在状态可有3种类型:?没有F —+因子，即F;?包含一个游离状态的F因子，即F?包含一个整合到自己染色体组内的F因子，即Hfr(高频率重组)。 在自然群体内，带有F因子的细菌是很少的。具有F 因子的菌杆可作为供体。因为F因子中伞毛形成的基因。F性伞毛是由供体细胞表在伸出的一种长附属物，当供体与受体细胞相互结合，F性伞行就成了两个细胞之间原生质的通 —+道，或叫接合管。F细胞的F因子由接合管问F传递，使F—+受体变成F。转移时F因子双链中的一条链切开，这切开 ——111的链从5端先进入受体F，在F中从5——3的方向复制形成一个完整的F因子。另一条没有切口的完整链留在供体内作为模板，进行复制，也形成一个完整的F因子。两上接 +合的产物，即接合后体(exconjugant)都是F，各具备一个F因子。 上述F因子的传递，与细菌染色体无关。但是F因子偶1 +然地(10000个F细胞中有一个)能整合到细菌染色体中去。在整合状态F的接合就可能引起染色体的转移。 1 (二)HFf细胞的形成及染色体的转移 1、Hfr细胞:带有一个整合的F因子的细胞叫做高频重组细胞。 F因子可以通过与主染色体之间的一次交换，插入到主染色体中，带有一个整合的F因子的细胞叫做高频重组细胞，Hfr细胞，因为这类细胞可以把部分甚至全部细菌主染 —色体传递给F受体细胞，而当供体和受体带有不同的标记基因时，在它们之间经常可以通过接合而发生重组Hfr细胞 比故比得名。 2、Hfr细胞转移细菌染色体 F因子在游离状态时可以单独复制，在整合到主染色体以后就失去了单独复制的能力。在接合时，整合的F因子的复制机器首先活跃了起来。在它的一条链上切开形成切口， 1并同时开始复制，借助于DNA复制的动力，带切口的链5 —+进入接合管，这种转移方式正和F向F转移相似，所不同 —的是细菌的染色体和转移链相连，也随着进入F细胞。转 11移的链进入受体内立即按5-3方向进行复制。 在图7-15a中假定F因子带有A、B、C和D区域，切口发生在C和D之间，这意味着F因子在转移时分成两部 —分。接合开始，F因子仅有一部分进入F细胞，剩下部分 —基因(A和D)只等到细菌染色体全部进入F细胞之后才 —能进入。然而转移过程常常中断，所以在Hfr×F接合时F细胞得到的仅仅是F因子的一部分，而不是全部，所以仍旧 —-属于F细胞。如果全部染色体转移了，F就可以得到完整的F因子，取得Hfr的性质，变成Hfr细胞。 实际上受体细胞常常是只接受部分的供体染色体，这些染色体称为供体外基因子(exogenote)，而完成受体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(partial diploid)或部分合子(merozygote)。细菌接合后的重组主是在 —内基因子与供体外基因子之间进行的。部分二倍体的重F 组与真核生物中完整的二倍体之间的重组有两点不同;(1)部分二倍体中发生单数交换是没有意义的，因为单数交换使环状染色体打开，产生一个线性染色体，这种细胞是不能成活的，只有双交换或偶数的多次交换才能保持重组后细菌染色体的环状完整性。(2)重组后的游离DNA片段只带有部分基因组，不能单独复制和延续下去，最后消失。这样，重组后F细胞不再是部分二倍体，而是单倍体，得到的重组体。 (三)细菌的交换过程 前面我们介绍了杂交中，遗传信息的转移过程。这是根据杂交中产生的重组子推抡出来的。然而在重组子被检出以前，转移过去的基因必须通过一种交换过程整合到受体的基因组去，我们现在来介绍这种交换过程的某此特异点。原核生物中的遗传产换并不是在二整套基因组间进行，象在真核 —类那样，而是在一完整的基因组(称作F内基因子)与一不完整的基因组(称作供体外基因子)间进行，所以是在部分二倍体或部分杂合子间进行。 — 若在部分二倍体中的F染色体与部分Hfr染色体发生单交换是没有用的，因为环断裂后，只能产生不平衡的部分二倍体线性染色体。 — F染色体与部分Hfr染色体间发生偶数的产换，才能产 生有活性的重组子和片段，片段是闻分基因组，大都在以后的细胞分裂中丢失。所以在细菌的重组中，有两个特点: 1)只有偶数交换才能产生平衡的重组子。 2)相反的重组子不出现，重组类型只有一种，因此， —细胞不再是部分二倍体，而是单倍体。 重组后的F 部分二倍体(partial diploid): ——Hfr的细菌染色体进入F后，在一个短时期内，F细胞中对某些位点来说总有一段二倍体的DNA，这样，的细菌称为部分二倍体或部分合子(merozygote)。 (四)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，在50年代，雅各布和沃尔曼设计了一个著名的中断杂交试验(interrupted mating experiment)。他们采用的菌株基因型为: ++ss + +s Hfr : thr leu azi ton lac gal str —————RR RF : th lelu azi ton lac galstr 这里，thr代表苏AA，leu代表亮AA，lac代表乳糖，gal代表半乳糖，十代表原养型或发酵型，一代表营养缺陷型或不发酵型， azi和ton分别代表叠氮化钠和T噬菌体;1str表示链霉素，R代表抗性，S代表敏感性。 将两种细胞混合培养，每隔一定时间取样，把菌液放在 食物搅拌器内搅拌，以中断接合，将中断接合的细菌接种到含有链霉素的几种不同培养基上，测定形成了什么样的重组 —细胞体(链霉素能杀死所有的Hfr供体细胞)。例如检查F +R+是否得到thrstr可能生长，所生长的细胞就是供体thr已经进入受体并发生了重组的细胞。试验结果列于表7-5。 —+ 结果表明，thr最先进入F细胞，接合8min后便出现 +了重组体，1eu随后0.5min出现，azis在9min出现等等。不同的基因经过一定时间就上升到一个稳定水平。(图7-17)。 s 例如在11min时ton首次在重组体中出现，15分钟后达到40%，25min后达到80%，其后即使增加时间其重组百分数也不会改变。 上述事实说明，Hfr菌株的基因是按一定的线性顺序依 —次进入F菌株的，也就是说，染色体从原点(origin 简写 —作0)开始，是以直线方法进入F细胞的(图7-18)。其因 —位点离原点愈近，进入F细胞的(图7-18)。基因位点离原 —点愈近，进入F细胞愈早，反之则晚。由于在自然状态T1不经食品搅拌器搅拌了经常能中断杂交，因此，距离0点愈 —远的基因进入F菌株的机会也愈少。 — 根据中断杂交的实验，用Hfr基因在F细胞中出现的时间为标准，可能作为大肠杆菌的遗传连锁图，如雅各布和 沃尔曼曾把表7-4的实验绘制在图7-18的直线连锁图。 图7-18根据中断杂交试验作出的大肠杆菌直线边锁图 数字单位:min 0是原点 F是因子 用不同的Hfr菌朱进行中断杂交实验所作出的大肠杆 —细胞转移的顺序大不相同，见菌基因连锁图，其基因间F 表7-6。 表7-6 用中断杂交法确定的几个Hfr菌株的基因顺序 Hfr的类 基因转换顺序 型 HfrH 0 thr pro lac pur qal his qly thi 1 0 thr thi qly his qal pur lac pro 2 0 pro thr thi qly his gal pur lac 3 0 pur lac pro thr thi qly his qal AB312 0 thi thr pro lac pur qnl his qly 初看起来，似乎每个菌株的的因转移顺序有所不同，其实，转移的顺序并一是随机的。例如，所有的his基因都有qal在一边，qly在另一边。其他基因也是如此。表7-6所看到的基因转移顺序序的差异是由于各Hfr菌株间转移的原点(o)和转移方向不同。这个实验进一步说明F因子和细菌染色全都是环状的，而Hfr细染色体的形成，则因F因子 插入环状染色体的不同位置，而形成了不同的转移原点和转移方向。 图7-19 Hfr的线性连锁锁形成 (五)重组作图:在中断杂交试验中，可以根据基因转移的先后次序，以时间为单位，求出基因的连锁关系。 如果两个基因间的转移时间上于2min，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(recombination mapping)。例如有两个紧密连锁的基因: —+1acc(乳糖发酵)和ade(腺嘌呤缺陷型)。为了求得这两 ———++个基因间的距离，可采用HfralcadexFlacade的杂交实验。用完全培养基但不如腺嘌噙，其他需要的营养物齐全， ——+可以选出Fade菌落。由于ade进入F细胞的顺序较1ac —+为晚，因此，1ac自然也已经进入，如果选出ade，同时也 +是1ac，说明在1ac——ade间没有发生过交换;如果是1ac—，说明两者之间发生过交换。 — 两基因间的重组频率是1ac +ade/1ac+ade+1ac-ade+×100%。 其重组值约为22%。但这两个位点间的时间单位约为1min，1个时间单位(min)大约相当于20%的重组值。用 重组频率与中断杂交法所测得的基因距离是大致符合的。 三、性导(sexduction) 1因子所携带的外源DNA转移到细菌染 是指接合时，F 色体的过程。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(looping out)时，F因子又重新离开染色体。然而F因子偶尔在环出时不够准确，它携带有染色体的一些 1基因。称这种F因子为F因子。例如是一个Hfr菌株中，F1 +因子是插入到基因ton(对噬菌体T1的抗性)和1ac之间 +的F因子游离出来时，错误地把1ac部分包括进去了，结合 +1+形成了F-1ac，这就是F因子，这里可以写成F-1ac，这 1种F因子所携带的细菌染色体的节段大小不限，可从一个 1标准基因到半个细菌染色体。F因子使细菌带有某些突出的 1+特点。(1)F因子极高的比率转移它的基因，如用F细菌 +1通以极高的比率转移它的F因子一样;(2)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。这与正常F因子可以整事在不同座位上形成对比。 + 雅各布和阿代尔伯格发现一个Hfr菌株能把1ac以很高 ——的频率转移到F1ac受体。根据我们前面讲过的中断杂交 +试验，我们知道1ac位于染色体的远端，在中断杂交试验中， +11ac是较晚(18min)转移的基因。最好的解释是因为F携 +基因进入受体细胞。因此使它在1ac位点成为部分二带1ac ——1++部体F1ac/1ac，使受体细胞在表型上成为1ac，因为1ac ——1+1对1ac是显性。部分二倍体F1ac/1ac是不稳定的，F因 —1子可能丢失，产生1ac单倍体，或是在F和染色体间重组 +产生稳定的1ac。 1 性导在大肠杆菌的遗传研究中十分有用。?不同的F因子带有不同的细菌DNA片段，包括全部染色体基因。因此 1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，这和后面讲的转导一样，也可以利用不同基因在一起发生性导的频率来作图。?观察由性导形成的杂合部发二倍体中某一性状的表现，来确定这一性状的等位基因的显隐性关系。?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。 四、转导(transduction) 转导是指以噬菌体为媒介所进行的细菌遗传物质重组的过程。它是细菌遗传物种传递呼交换的另一种重要方式。它与上述的转化、接合、性导的主要不同之处，在于它是以噬菌体为媒介的。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。 转导最早是在鼠伤寒沙门氏菌中发现的。黎德伯格及其 研究生津德用沙门氏菌的两个营养缺陷型杂交，一个不能合 ———、trp、tryr)另一个成苯丙氢酸，色氨酸和酷氨酸(phe ——不能合成甲硫氨酸和组氨酸(met、his)结果在基本培养基 发现原养型的菌落。从表面上看，沙门氏菌也发生了接 -5合，因为原养型菌落出现的频率是10，这样高的频率不可能是回复突变的结果。 为了进一步确定沙门氏菌是否也发生了接合他们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，以防止细菌直接接触，但可以允许比细菌小的物质通过，竟然也获得了野生型重组体。这样就排除了沙门氏菌的基因重组是由于接合的结唯一可能的结论是这样重组是通过一种滤性因子(FA)而实现的。 由于FA不受DNA酶的影响，这样就排除了转化作用的可能性。进一步研究证明，A是一种噬菌体，称为P，它22是属于溶原性的噬菌体，也就是说，P的遗传信息可以整22 合到宿主的染色体中。支持这个结论的证据是?FA的大小和质量与P相同;?FA用抗P血清处理失活。 222 后来发现，转导可分为普遍性转导和特殊性转导两大类。 (一)普遍性转导(generalized transduction) 1、普遍性转导的过程 在噬菌体感染的未末期，细菌染色体被断裂成许多小片段，在形成噬菌体颗粒时，烽数噬菌体将细菌DNA误认做是它们自己是DNA将其包入外壳蛋白质内，从而形成转导噬菌体。由于可以转导细菌染色体组的任何不同部分，因此， 噬菌体为例，说明普遍性转导的称为普遍性转导。现以P22 过程。 P侵染细菌后，细菌染色体断裂成片段，在形成噬菌22 体颗粒时，偶尔(千分之一的几率)错误地把细菌染色体片段包装有噬菌体蛋白质小壳内，其中并不包含噬菌体的遗传物质，这种假噬菌体称为转导颗粒(transducing particle)。当这种转导颗粒吸附到细菌上。这种颗粒由于不携带颗粒将它的内含物注入受体细菌后，就会形成一个部分二倍体，导入的基因经过重组，整合到宿主的染色体上。 2、转导作图 2、转导与细菌的基因定位 由此形成的具有重组遗传结构的细菌细胞叫做转导体(transductant), 转导的细菌DNA片段大内为一个噬菌体基因组的大小。细菌染色体比噬菌体的染色体大得多，在转导过程中，被包进去的究竟是哪一段是不定的，而是随机的。 如果细菌两个基因的距离大于病毒的染色体长度，一般不能同时进行转导，除非两个转导颗粒碰巧同时感染同一个 细菌细胞，这种情况是极少的。 两个基因在一起转导就是合转导(cotransduction)，合转导的频率愈高，表明两个基固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就可以确定基因之间的次序和距离，下面先介绍基因次序的确定。 通过观察两个基因的转导，即两因子转导(two-factor transduction )，计算并比较每个基因之间的合转导，计算并比较每两个基因之间的合转导频率，就可以确定3个或3个以上基因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，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3个基因的次序就就为bac。 如果研究3因子转导(three- factor transduction )，只需分析一个实验结果就可以推出3个基因的次序。举个例子。供 +++---体大肠肝菌有基因型abC，受体的基因型为abc，供体p，噬菌体感染，再用P的后代来感染受体细胞，然后把受体1 细胞在选择培养基上，如果通过中断杂交知道3个基因中的 ++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，就可以把生产的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进行选择的培养基 +++上，检查a细胞是否同时具有b和c. 在3因子的转导过程中，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，象我们在连锁遗传介绍的三点测验那样，出现最少的是双交换，在这里，也同样是这种情况，但在这里就不是双交换，而是四交换，这种转导体的两边应为供体基因，而中间 +-+bc。假定由实为受体基因，如正确次序为abc，就应为a ++-验得到的最少的转导体类别为abc，那么就可以确定，这3个基因的正确次序应当是acb或bca，而不是abc。 如果把3个基因和两个基因的合转导频率算出来，还可根据这一频率推算出3个基因之间的物理距离。 由于两个基因紧密连锁，它们就可能经常在一起转导，合转导的频率将接近于1。如果两个基因从来或者几乎不包含在一同一转导DNA片段中，那么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，经过一系列推导，得到了以下的 计算公式 六西格玛计算公式下载结构力学静力计算公式下载重复性计算公式下载六西格玛计算公式下载年假计算公式 。 3 d=L(1-x ) 这里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的平均长度知道后，就可以依据上述公式估算出两个较近基因间的分子距离。 在普遍性转导中，由于p噬菌体可以携带大肠杆菌1 DNA的任何部分，所以在分析大肠杆菌因的连锁关系上是 噬菌体所进行的并发转导被广泛用于大很有效的。通过P1 肠杆菌的基因定位中。下面我们看一个例子。 ++ 首先利用普遍性转导噬菌体P。侵染带有1eu,thr，1 +azi3个基因的大肠肝菌，然后再用带有供体的P侵染带有1 ---1euthrazi基因型的大肠杆菌受体，然后将受体细菌进行特定的培养，在受体中，选择一个或几个供体的标记基因以测定该3个基因的连锁关系。办法是把受体细菌培养在一种可以选择1-2个标记基因的培养基上。然后，检测未选择的标记基因出现的频率。3个实验的结果见表7-7。 表7-7用P噬菌体普遍性转导测定大肠杆菌基因间的1 连锁关系 实验 选择标记基因 未选择的标记基因 +R+1 1eu 50%azi2%thr ++R2 thr 3% leu0%azi ++R3 Leuthr 0%azi 利用上述3个实验可以说明3个位点之间的边锁关系。 +实验1说明leu和azi相近，leu和thr则不相近。因为有一 +R半时间从供体携带的leu基因是由azi拌随的;而只有2%的时间由thr伴随。基于这个分析，可以有下面两种可能的排列。 Leu azi thr 或 azi leu thr + 实验2说明leu比azi更接近thr，因为有3%的时间1eu +Rr和thr是并发转导的，但azi和 thr则没有发生过并发转导，从此可以肯定基因的顺序应是 azi leu thr ++ 实验3说明这个顺序是正确的，因为leu thr片段从未 R携带azi. 利用普通性转导不仅可用于基因连锁关系的分析，而县城还能说明转导片段的大小。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。由此可以得出结论，这个转导片段的最大极限是从thr位点到leu和az位点之间。 由此看来，应用普遍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。所以当发现一个新的突变基因以后，首先是用中断杂交法对它作粗略的定位，然后再用普遍性转导等方法作精确定位。 (二)特殊性转导 由温和噬菌体进行的转导叫特殊性转导。 温和噬菌体如像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，像这样有两种状态的遗传 颗粒叫做附加体(episome)。(F因子也有两种状态，因此也是附加体)。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。例如入噬菌体，在大肠杆菌中的附着点(att入)一边具有半乳糖合成基因gal，另一边具有生物素合成的基因bio。原噬菌体离细菌染色体地，偶尔可形成某些细菌基因和某些噬菌体基因连在一起的DNA片段。这种混杂的DNA片段由噬菌体基因连在一起的DNA片段。这种混杂的DNA片段由噬菌体外壳包装，就形成了特殊性转导颗粒，这种颗粒能把细菌的基因由一个细胞转移到另一个细胞。转导仅限于靠近原噬菌体附着点的基因。如入噬菌体专门转导大肠杆菌的gal和bia基因。所以这种转导叫做特殊性转导或局限性转导(restriced transduction)。 在特殊性转导颗粒中被包装的DNA总长度和普遍性转导那样，也约与正常噬菌体DNA长度相同。可能的原因是，如果这段DNA片段不与噬菌体DNA相当的话，就难于迁合地包进噬菌体的头壳。这样，一个特殊性转导的颗粒中，在噬菌体DNA上加进很大一段细菌DNA，必然要减少相应长度的一段噬菌体DNA，才能保持转导颗粒DNA长度与噬菌体DNA长度相当。例如入原噬菌体从一端到另一端依次包括NRAJ4个区，当N区的一端接上细菌的gal时，另一端J区就缺失了。因此，以入作媒介的gal的特殊性转 导颗粒用入dgal表示，d代表噬菌体缺失(defective)。对bio的特殊性转导颗粒则用入dbio表示。入dgal颗粒的形成过程见图7-24。首先入噬菌体整合在细菌染色体的gal和bio之间。原噬菌体向外形成一个圈。然后通地断裂和重新接合产生一个缺失的细菌染色体，并带有噬菌体的一部分(J)，同时形成一个dgal颗粒。 —+ 当含有入dgal 的溶菌液(lysate)用来感染gal细胞可产生半乳糖的转导体。转导体形成的过程见图7-25。 + 进入受体的入dgal+DNA首先以gal区域和同源的受体 —染色体的gal区配时，发生交换，通过交换形成转导体。在这里，和转化及普遍性转导不同，供体基因不是置换受体基 +因。而是入dgal整个地插入配对的地方，正常的入在大肠杆菌中的附着丝点并没有被占据，这附着丝点通常被与入 +dgal同时进入的正常入所插入。这样形成的转导子多数噬菌体基因带有两份少数细菌基因如gal也带有两份，即 ——++gal/gal。gal/gal细胞及它的所产生的后代都是能发酵半 —+乳糖的，因为gal对gal为显性。用紫外线处理这种转导体可以诱导入溶解。所产生的溶菌产物将包含约一半正常的噬 +菌体，和一半入dgal转导噬菌体的溶菌产物叫做高频转导(high frequency transduction, HFT)溶菌产物，其中包含有大量的细菌qal基因。 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。早在1963年对月肠杆菌就已定位了100个基因，百截至1990年定位的基因已超过1400个。图7-27表示1990年绘制的大肠杆菌连锁遗传图的一部分。些部分仅包括5min距离。 本章小结 1、细菌和病毒遗传研究的意义:主要是(1)多为单倍体;(2)行无性繁殖，很少行有性生殖;(3)繁殖迅速;(4)代谢作用旺盛，可用代谢物研究内部的遗传物质;(5)环境条件对个体均而直接的影响。 2、细菌的遗传分析:(1)突变型和杂交结果:Hfr×F—杂交后，必须通过两种菌株接合、才能发生基因重组。(2)++菌株与Hfr菌株之间的关系:Hfr菌株是由F菌株产生，F 但它能高频率地转移供体基因。(3)细菌基因定位的方法: —中断杂交作图法是利用Hfr菌株和F菌株杂交时，离转移起点远近决定了转移频率多和的原理进行的，离得越近、转移频率越高，从而会制连锁图。重组作用法是根据部分二倍体的偶数次的交换形成的重组子的频率而进行基因定位的。 1(4)性导:Hfr菌株再经非原位交换产生的F因子转移到受体。(5)转导:分为普通性转导和局限性转导。