细菌和病毒的遗传作.ppt
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1、本章重点本章重点 1 1细菌影印法。细菌影印法。3 3细菌和病毒的四种遗传分析方法:细菌和病毒的四种遗传分析方法:转化、接合、性导、转导。转化、接合、性导、转导。4 4掌握掌握F F+、F F-、FF、HfrFHfrF+的特点。的特点。5 5理解和掌握中断杂交和重组作图的原理。理解和掌握中断杂交和重组作图的原理。2 2噬菌体结构和基因重组特点。噬菌体结构和基因重组特点。自主学自主学习题习题解释下列名词解释下列名词:基本培养基基本培养基 完全培养基完全培养基 原养型原养型 营养缺陷型营养缺陷型 溶源性细菌溶源性细菌 转化转化 接合接合 性导性导 转导转导 普遍性转导普遍性转导 特殊性转导特殊性转
2、导 烈性噬菌体烈性噬菌体 温和噬菌体温和噬菌体 中断杂交作图中断杂交作图 F F+菌株菌株 F F菌株菌株 Hfr Hfr菌株菌株部分二倍体部分二倍体 一、细菌一、细菌1 1、大小:、大小:比较小的单细胞,大约比较小的单细胞,大约1 1 2m2m长,宽长,宽 2 2、结构:简单,包括细胞壁、细胞膜、拟核、核糖体、结构:简单,包括细胞壁、细胞膜、拟核、核糖体、细胞质及内含物;细胞质及内含物;特殊结构:特殊结构:如荚膜和鞭毛如荚膜和鞭毛 见教材:见教材:145145页图页图7-167-16 第一节第一节 细菌和病毒遗传研究的意义细菌和病毒遗传研究的意义细菌细菌 细菌属于原核生物,不进行典型的有丝分
3、裂和减细菌属于原核生物,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。不尽相同。4 4、涂布和繁殖:、涂布和繁殖:细菌每个细胞在较短时间内(如一夜)能繁殖细菌每个细胞在较短时间内(如一夜)能繁殖10107 7个子细胞个子细胞 成为肉眼可见的菌落或克隆。成为肉眼可见的菌落或克隆。单个主染色体,一个或多个小染色体(质粒)单个主染色体,一个或多个小染色体(质粒)3 3、遗传物质:、遗传物质:5 5、细菌遗传的研究方法、细菌遗传的研究方法-平板培养平板培养6 6、细菌菌落的表现型、细菌菌落的表现型、原养型原养型(野生型):
4、在基本培养基上能正常(野生型):在基本培养基上能正常生长的细菌。生长的细菌。、突变型突变型:在基本培养基上不能正常生长的细菌。:在基本培养基上不能正常生长的细菌。、生理突变型生理突变型A A、营养缺陷型、营养缺陷型B B、抗性、抗性:抗药或抗感染抗药或抗感染、表型突变型表型突变型菌落大小、颜色、形状菌落大小、颜色、形状7 7、突变发生的测定、突变发生的测定影印培养法影印培养法完全培养基完全培养基选择培养基选择培养基选择培养基选择培养基选择培养基选择培养基二、病毒二、病毒1 1、病毒的一般特性病毒的一般特性无细胞结构无细胞结构:为:为蛋白质蛋白质外壳包裹外壳包裹核酸核酸而成的颗粒。而成的颗粒。遗
5、传物质遗传物质:只含一种只含一种核酸核酸(DNADNA或或RNARNA)。)。繁殖方式繁殖方式:只能依赖:只能依赖宿主宿主活细胞的代谢机器,通过活细胞的代谢机器,通过核酸复制和蛋白质合成后再装配成完整的病毒颗粒的方核酸复制和蛋白质合成后再装配成完整的病毒颗粒的方 式进行繁殖。式进行繁殖。其体积大小相差悬殊,绝大多数直径在其体积大小相差悬殊,绝大多数直径在1010300 300 nmnm之间。其形态多种多样。之间。其形态多种多样。病毒的形态结构借助电子显微镜才可以观察到。病毒的形态结构借助电子显微镜才可以观察到。2 2、病毒的分类、病毒的分类宿主宿主、细菌病毒细菌病毒噬菌体噬菌体、植物病毒植物病
6、毒、无脊椎动物病毒无脊椎动物病毒、脊椎动物病毒脊椎动物病毒 、亚病毒亚病毒、类病毒(、类病毒(viroidviroid)、拟病毒(、拟病毒(virusoidvirusoid)、朊病毒(朊病毒(prion)prion)三、细菌和病毒在遗传研究中的优越性三、细菌和病毒在遗传研究中的优越性(6)(6)、便于进行遗传操作。、便于进行遗传操作。(1)(1)、世代周期短。大肠杆菌每、世代周期短。大肠杆菌每2020分钟可繁殖一代,分钟可繁殖一代,病毒每小时可繁殖数百个后代。病毒每小时可繁殖数百个后代。(2)(2)、易于管理和进行化学分析。、易于管理和进行化学分析。(3)(3)、是单倍体,便于研究基因的突变和
7、重组。、是单倍体,便于研究基因的突变和重组。(4)(4)、遗传物质简单,便于研究基因结构、功能。、遗传物质简单,便于研究基因结构、功能。(5)(5)、可用作研究高等生物的简单模型。、可用作研究高等生物的简单模型。第二节、噬菌体的遗传分析第二节、噬菌体的遗传分析一、噬菌体的结构一、噬菌体的结构二、二、T T2 2噬菌体的基因重组与作图噬菌体的基因重组与作图三、三、噬菌体的基因重组与作图噬菌体的基因重组与作图细菌病毒细菌病毒是研究得比较清楚的病毒。是研究得比较清楚的病毒。噬菌体侵染细菌后在均匀生长的细菌培养板上噬菌体侵染细菌后在均匀生长的细菌培养板上形成噬菌斑(形成噬菌斑(plaqueplaque
8、)。)。根据噬菌斑的形态和生长特点可以鉴别不同的根据噬菌斑的形态和生长特点可以鉴别不同的噬菌体。噬菌体。一、噬菌体一、噬菌体bacteriophage,phage的结构的结构T T4 4噬菌体形态噬菌体形态T T4 4 phage phage的结构模式的结构模式噬菌体的分类噬菌体的分类按其在宿主细胞中的生活方式分为:按其在宿主细胞中的生活方式分为:温和噬菌体:温和噬菌体:在噬菌体侵入后,细菌并不裂解,而是在噬菌体侵入后,细菌并不裂解,而是以溶源体或质粒的形式存在的一类噬菌体称为温和性噬以溶源体或质粒的形式存在的一类噬菌体称为温和性噬菌体。菌体。烈性噬菌体:烈性噬菌体:噬菌体侵入宿主细胞,利用宿
9、主细胞内噬菌体侵入宿主细胞,利用宿主细胞内的物质进行自身合成子噬菌体,并使宿主细胞裂解而释的物质进行自身合成子噬菌体,并使宿主细胞裂解而释放子噬菌体,这类噬菌体称为烈性噬菌体。放子噬菌体,这类噬菌体称为烈性噬菌体。烈性噬菌体烈性噬菌体virulent phage 噬菌体的生活周期噬菌体的生活周期烈性噬菌体的生活周期烈性噬菌体的生活周期 吸附吸附 、侵入、核酸的复制、转录与蛋白侵入、核酸的复制、转录与蛋白质的生物合成质的生物合成 、装配、装配 、释放。释放。、吸附、吸附、侵入侵入、核酸复制、核酸复制、转录、转录、装配、装配、释放、释放温和噬菌体的生活周期温和噬菌体的生活周期 具有溶原性(具有溶原
10、性(lisogenylisogeny)的生活周期。)的生活周期。侵入细菌以后,细菌细胞并不马上裂解。侵入细菌以后,细菌细胞并不马上裂解。噬菌体(噬菌体(phage phage)侵入细菌后,细菌并不裂解。侵入细菌后,细菌并不裂解。噬菌体的噬菌体的DNADNA通过交换整合到细菌染色体上。通过交换整合到细菌染色体上。随着细菌随着细菌DNADNA一起复制。一起复制。噬菌体噬菌体溶原性细菌(溶原性细菌(lysogenic bacteriumlysogenic bacterium)。)。u DNADNA整合在寄主染色体中的噬菌体称为原噬整合在寄主染色体中的噬菌体称为原噬菌体(菌体(prophageprop
11、hage)。)。u 含原噬菌体的宿主细菌称为溶原性细菌。含原噬菌体的宿主细菌称为溶原性细菌。溶源周期溶源周期裂解周期:裂解周期:u 原噬菌体通过诱导(原噬菌体通过诱导(inductioninduction)可转变为烈)可转变为烈性噬菌体,进入裂解周期。性噬菌体,进入裂解周期。u 诱导方式:诱导方式:UVUV、温度改变、与非溶原性细菌、温度改变、与非溶原性细菌接合等。接合等。u 诱导使阻遏物失活,噬菌体的基因表达,进诱导使阻遏物失活,噬菌体的基因表达,进入裂解周期。入裂解周期。P P1 1 噬菌体噬菌体(P(P1 1 phage)phage)u 感染感染以后,不整合到细菌以后,不整合到细菌DNA
12、DNA上,而是独立存在上,而是独立存在于寄主细胞内。于寄主细胞内。u 不影响宿主细胞的正常代谢不影响宿主细胞的正常代谢u P P1 1 DNA DNA 自主复制,并分配到宿主的子细胞中去,自主复制,并分配到宿主的子细胞中去,而且可以多于一个拷贝。而且可以多于一个拷贝。u受受P P1 1 噬菌体感染的细菌也可以因诱导而进入裂解噬菌体感染的细菌也可以因诱导而进入裂解周期。周期。u 一个正常的一个正常的T T2 2 phage phage产生的噬菌斑小而边缘模糊,产生的噬菌斑小而边缘模糊,记为记为r r;u 突变体突变体r r-产生的噬菌斑大而边缘清晰。产生的噬菌斑大而边缘清晰。u r r-T T2
13、 2 噬菌体是速溶(噬菌体是速溶(rapid rapid lysislysis)突变体。)突变体。二、二、T T2 2噬菌体的基因重组与作图噬菌体的基因重组与作图噬菌体遗传性状噬菌体遗传性状噬菌斑的形态噬菌斑的形态u 正常的正常的T T2 2 噬菌体能感染噬菌体能感染 B B株株,h h。u 的的突变型突变型B/2B/2株株能抗能抗T T2 2的感染。的感染。u h h的突变型的突变型h h-能克服能克服B/2B/2株的抗性,既能侵染株的抗性,既能侵染B B株株又能侵染又能侵染B/2B/2株。株。宿主范围宿主范围T T2 2 phage phage 和和 的关系的关系B BB/2B/2h h+
14、能感染能感染不能感染不能感染h h-能感染能感染能感染能感染混合感染(混合感染(mixed infectionmixed infection):):l 两个基因型不同的噬菌体同时感染一个宿主细胞,两个基因型不同的噬菌体同时感染一个宿主细胞,又称为双重感染(又称为双重感染(double infectiondouble infection)。)。l 共同生存在同一个宿主细胞中的两个噬菌体共同生存在同一个宿主细胞中的两个噬菌体DNADNA也可以发生交换,产生基因重组。也可以发生交换,产生基因重组。T T2 2 基因重组试验:基因重组试验:u用基因型为用基因型为r rh h-和和 r r-h h的两种
15、的两种T T2 2 噬菌体同噬菌体同时感染时感染 B B株株(双重感染)(双重感染)。u 将双重感染后释放出来的子代噬菌体接种将双重感染后释放出来的子代噬菌体接种在同时长有在同时长有B B株和株和B/2B/2株的培养板上,记录噬株的培养板上,记录噬菌斑的数目和形态。菌斑的数目和形态。h hr r 半透明,大半透明,大 h hr r 透明,小透明,小 h hr r 透明,大透明,大 h hr r 半透明,小半透明,小亲本型亲本型重组型重组型u 重组率(重组率(RfRf)100100基因型基因型表现型表现型重组噬菌斑重组噬菌斑总噬菌斑总噬菌斑T2 plaquesh+r+hr+h+rhr半透明,大半
16、透明,大透明,大透明,大T T2 2 phage phage重组试验结果重组试验结果 注:不同速溶性噬菌体的突变型在表现型上不注:不同速溶性噬菌体的突变型在表现型上不 同,可分别写成同,可分别写成rara、rb rb、rc rc等等根据上表结果可以分别作出根据上表结果可以分别作出3 3个连锁图个连锁图 有四种可能的排列顺序有四种可能的排列顺序基因顺序的精确确定基因顺序的精确确定杂交:杂交:r rc cr rb b r rc c r rb bRfRfrcrcrbrb1414rc h rb可以先只考虑可以先只考虑 rc rc、rb rb 及及h h来确定三者的顺序来确定三者的顺序由于噬菌体的连锁图
17、是环状,所以由于噬菌体的连锁图是环状,所以2、3排列都对。排列都对。hrcrbra作图作图 Kaiser(1955)Kaiser(1955),噬菌体的重组作图。噬菌体的重组作图。用用UVUV照射获得了照射获得了5 5个个phagephage的突变型:的突变型:s s型,噬菌斑较小,型,噬菌斑较小,mi mi型,噬菌斑特别小,型,噬菌斑特别小,c c型,噬菌斑完全清晰,型,噬菌斑完全清晰,co1 co1型,噬菌斑中间模糊,四周清晰,型,噬菌斑中间模糊,四周清晰,co2 co2型,噬菌斑的中部较型,噬菌斑的中部较co1co1型更为浓密。型更为浓密。三、三、噬菌体的基因重组与作图噬菌体的基因重组与作
18、图溶源性受到干扰,只能进入裂解周期,故斑清亮噬菌体噬菌体s cos co1 1 mi mi 的杂交结果及分析作图的杂交结果及分析作图 s co1 miRf双交换双交换(513)/2091X1000.86%Rfsco1(3032)/2091X1000.86%3.76%Rfmico1(6151)/2091X1000.86%6.16%噬菌体噬菌体s cos co1 1 mi mi 基因连锁图基因连锁图细菌遗传物质的重组有四种不同的方式:细菌遗传物质的重组有四种不同的方式:转化(转化(transformationtransformation)接合(接合(cojugationcojugation)性导(
19、性导(sexductionsexduction)转导(转导(transductiontransduction)第三节第三节 细菌的遗传分析细菌的遗传分析一、转化(一、转化(transformationtransformation)细菌通过细胞膜摄取周围环境中细菌通过细胞膜摄取周围环境中DNADNA片段,片段,并通过重组将其整合到自身并通过重组将其整合到自身ChrChr中,中,而使它而使它的基因型和表现型发生相应变化的现象。的基因型和表现型发生相应变化的现象。野生型肺炎双球菌菌野生型肺炎双球菌菌落为落为光滑型光滑型,一种突,一种突变型为变型为粗糙型粗糙型,两者,两者根本差异在于荚膜形根本差异在于
20、荚膜形成成荚膜荚膜菌菌落落毒性毒性类型类型光滑型光滑型S S发达发达光光滑滑有有I,I,II,II,IIIIII粗糙型粗糙型R R无无粗粗糙糙无无I,III,II荚膜的主要成分是多糖,具特殊的抗原性。不同荚膜的主要成分是多糖,具特殊的抗原性。不同抗原性是遗传的、稳定的,一般情况下不发生互抗原性是遗传的、稳定的,一般情况下不发生互变。变。GriffithGriffith肺炎双球菌转化试验及其结果肺炎双球菌转化试验及其结果转化试验转化试验转化特征:转化特征:转化现象在细菌中是一种普遍现象。不同细菌转化转化现象在细菌中是一种普遍现象。不同细菌转化过程有一定差异,但是它们都存在几个方面的特征,过程有一
21、定差异,但是它们都存在几个方面的特征,感受态感受态指细菌能够从周围环境中吸收指细菌能够从周围环境中吸收DNADNA分子进分子进行转化的生理状态。行转化的生理状态。感受态主要受一类蛋白质感受态主要受一类蛋白质(感受态因子感受态因子)影响,感受影响,感受态因子可以在细菌间进行态因子可以在细菌间进行转移转移,从感受态细菌中传递到,从感受态细菌中传递到非感受态细菌非感受态细菌中,可以使后者中,可以使后者变为感受态变为感受态。一般认为感一般认为感受态只能发生在细胞生长周期的某一阶段。受态只能发生在细胞生长周期的某一阶段。1、只有当细菌处于感受态时,细菌才能转化。、只有当细菌处于感受态时,细菌才能转化。2
22、 2、并非所有外源、并非所有外源DNADNA片段都适合转化,只有片段都适合转化,只有双链、双链、而且相当大而且相当大的外源的外源DNADNA片段才能够转化。片段才能够转化。如:转化肺炎双球菌的如:转化肺炎双球菌的DNADNA片段至少要有片段至少要有800bp800bp,而,而枯草杆菌最少需要枯草杆菌最少需要16000bp16000bp。3 3、只有当整合的、只有当整合的DNADNA片段片段产生新的表现型产生新的表现型时,才能时,才能测知转化的发生。测知转化的发生。4 4、因为在细菌的细胞壁或细胞膜上有一定数量的、因为在细菌的细胞壁或细胞膜上有一定数量的DNADNA接受位点。在达到饱和之前,对某
23、一个特定基因来接受位点。在达到饱和之前,对某一个特定基因来说,说,存在的供体存在的供体DNADNA分子数目与转化子数目成正比分子数目与转化子数目成正比。感受态感受态转化过程转化过程、结合结合(binding)(binding):、穿入穿入 当细菌细胞处于感受态时,供体当细菌细胞处于感受态时,供体(donor)(donor)双链双链DNADNA分分子可结合在受体子可结合在受体(receptor)(receptor)细胞表面的结合位点上。一细胞表面的结合位点上。一旦受体位点饱和后,将阻止其它双链旦受体位点饱和后,将阻止其它双链DNADNA的结合。的结合。稳定结合在受体位点上的双链供体稳定结合在受体
24、位点上的双链供体DNADNA,由外切酶或,由外切酶或DNADNA移位酶降解其中的一条链,而另一条链进入细胞中。移位酶降解其中的一条链,而另一条链进入细胞中。、联会联会、整合整合(integration)(integration)供体的单链供体的单链DNADNA片段与其相应的受体片段与其相应的受体DNADNA片段联会,片段联会,联会也可发生在异种联会也可发生在异种DNADNA之间,这主要取决于种间亲缘之间,这主要取决于种间亲缘关系的远近。关系的远近。是指单链的供体是指单链的供体DNADNA与受体与受体DNADNA对应位点的置换,对应位点的置换,从而稳定地渗入到受体从而稳定地渗入到受体DNADNA
25、中。它对同源中。它对同源DNADNA具有特异具有特异性,异源性,异源DNADNA视亲缘关系远近,也可发生不同频率的视亲缘关系远近,也可发生不同频率的整合。整合。ABABA单转化单转化A AB单转化单转化B BAB并发转化并发转化A A、B B转化作图转化作图 并发转化:当两个基因紧密连锁时,它们就有机会并发转化:当两个基因紧密连锁时,它们就有机会同时被转化。并同时整合到受体细胞染色体上。同时被转化。并同时整合到受体细胞染色体上。、转化作图原理、转化作图原理 相邻基因共转化的频率与基因间距离成反比,即相邻基因共转化的频率与基因间距离成反比,即基因间距离越近,发生共转化频率越高;反之越低。基因间距
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