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第 10 章 细菌和病毒的遗传
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遗传学的发展与研究材料密切相关: 性状遗传 植物(豌豆) 细胞遗传 果蝇 分子遗传 细菌和病毒 遗传学从细胞水平发展到分子水平的另一 个重要原因是对基因的化学和物理结构的 深入了解。
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第 1 节 细菌和病毒
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真核生物 (eukaryote) 原核生物 (prokaryote) 原核细胞: 没有核膜和明确的核结构,没有细胞器, 不进行有丝分裂和减数分裂,只通过简单 的裂殖方式增殖。 遗传物质简单
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一、细菌( Bacteria ) 细菌是单细胞原核生物 是地球上生物量最大的一类生物,占据了 地球上大部分的生物干重。
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大肠杆菌 E.coli
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E.Coli 的拟核
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细菌的繁殖非常快 在适宜的条件下,每 20 分钟繁殖一代 一个细胞繁殖 n 代,就有 2 n-1 +1 个细胞。 一昼夜 24 小时, 72 代, 2 71 +1 = 2.36×10 21
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细菌遗传研究的方法 : 基本培养基( minimal medium ) 完全培养基( complete medium )
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细菌的表现型: 菌落形态 颜色、大小、边缘状态等 营养需求 野生型( prototroph ) 营养缺陷型( auxotroph ) 对药物、噬菌体和其他因素的反应 青霉素( penicillin ): pen s pen r
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细菌的平板培养
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细菌的稀释培养及菌落
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影印培养法
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二、病毒 virus 病毒按寄主可分为: 动物病毒,植物病毒,细菌病毒。 病毒按遗传物质可分: RNA 病毒, DNA 病毒。
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噬菌体 bacteriophage , phage 细菌病毒 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 板上形成噬菌斑( plaque )。 根据噬菌斑的形态和生长特点可以鉴别不 同的噬菌体。
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噬菌体的分类 按其在宿主细胞中的生活方式分为: 温和噬菌体 烈性噬菌体
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T 4 噬菌体形态
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T 4 phage 的结构模式
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烈性噬菌体 virulent phage
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温和噬菌体( temperate phage ) 具有溶原性( lisogeny )的生活周期。 侵入细菌以后,细菌细胞并不马上裂解。
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λ 噬菌体( λ phage ) 侵入细菌后,细菌并不裂解 λ 噬菌体的 DNA 通过交换整合到细菌染色体 上。 随着细菌 DNA 一起复制。
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溶原性细菌( lysogenic bacterium )。 被溶原性噬菌体感染了的细菌。 整合在寄主染色体中的噬菌体 DNA 称为原 噬菌体( prophage )。
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溶源周期 → 裂解周期: 原噬菌体通过诱导( induction )可转变为 烈性噬菌体,进入裂解周期。 诱导方式: UV 、温度改变、与非溶原性细 菌接合等。 诱导使阻遏物失活,噬菌体的基因表达, 进入裂解周期。
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P 1 噬菌体 P 1 phage 感染 E.coli 以后,不整合到细菌 DNA 上, 而是独立存在于寄主细胞内。 不影响宿主细胞的正常代谢 P 1 DNA 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。 受 P 1 噬菌体感染的细菌也可以因诱导而进 入裂解周期。
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三、细菌和病毒在遗传研究中的优越性 ①世代周期短 ②易于管理和进行生物化学分析 ③遗传物质比较简单 ④是单倍体,便于研究基因的突变 ⑤便于遗传操作 ⑥可用作研究高等生物的简单模型。
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四、细菌和病毒的拟有性过程 真核生物有性生殖的本质:遗传物质的交流与重组。 细菌和病毒不能进行有性生殖。 细菌和病毒的遗传物质也可以传递。 这种遗传物质的传递,被称之为拟有性过程。 拟有性过程指的是细菌或病毒获取外源遗传物质的 方式。
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拟有性过程: 当不同的病毒颗粒同时感染一个细菌时,他们在 细菌体内可以交换遗传物质,形成重组体。 细菌获取外源遗传物质有 4 种方式: 转化( transformation ) 接合( conjugation ) 性导( sexduction ) 转导( transduction )
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第 2 节 噬菌体的遗传分析
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混合感染( mixed infection ): 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( double infection )。 共同生存在同一个宿主细胞中的两个噬菌 体 DNA 也可以发生交换,产生基因重组。
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T 2 phage 的重组作图 一个正常的 T 2 phage 产生的噬菌斑小而边缘 模糊,记为 r + ; 突变体 r - 产生的噬菌斑大而边缘清晰。 r - T 2 噬菌体是速溶( rapid lysis )突变体。
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T 2 phage 的重组作图 正常的 T 2 噬菌体能感染 E.coli B 株, h + 。 突变型 E.coli B 株能抗 T 2 的感染,记为 B/2 株。 h + 的突变型 h - 又能克服 B/2 株的抗性,既能侵 染 B 株又能侵染 B/2 株。
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T 2 phage 和 E.coli 的关系 BB/2 h+h+ 能感染不能感染 h-h- 能感染
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T 2 基因重组试验: h - 和 h + 噬菌体均能感染 E.coli B 株。 用基因型为 r + h - 和 r - h + 的两种 T 2 噬菌体同 时感染 E.coli B 株(双重感染)。 将双重感染后释放出来的子代噬菌体接种 在同时长有 B 株和 B/2 株的培养板上,记录 噬菌斑的数目和形态。
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T 2 plaques
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h + r - 42 半透明,大 h - r + 34 透明,小 h - r - 12 透明,大 h + r + 12 半透明,小 亲本型 重组型 重组率( Rf )= 24 %= 24cM
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T 2 phage 重组试验结果
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根据上表结果可以分别作出 3 个连锁图
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有四种可能的排列顺序
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思考题: 你能否确定这 4 个基因座的关系?还缺什么条 件?怎么解决 ?
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λ 噬菌体的基因重组与作图 Kaiser(1955) , λ 噬菌体的重组作图。 用 UV 照射获得了 5 个 λphage 的突变型: s 型,噬菌斑较小, mi 型,噬菌斑特别小, c 型,噬菌斑完全清晰, co 1 型,噬菌斑中间模糊,四周清晰, co 2 型,噬菌斑的中部较 co 1 型更为浓密。
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λ 噬菌体 s co 1 mi × + + +的杂交结果及分析作图
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λ 噬菌体 s co 1 mi 基因连锁图
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第 3 节 细菌的遗传分析 细菌与细菌之间的遗传物质的交流(拟有性 过程)有四种不同的方式: 转化( transformation ) 结合( cojugation ) 性导( sexduction ) 转导( transduction )
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一、转化( transformation ) 细菌通过细胞膜摄取周围环境中 DNA 片段, 并通过重组将其整合到自身 Chr 中的过程。
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转化示意图转化示意图
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转化示意图
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trp 2 + his 2 + tyr 1 + (供体) ×trp 2 - his 2 - tyr 1 - (受体) 的转化类型及重组率计算
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根据上表计算结果绘制的连锁图
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二、接合 conjugation 在原核生物中,两个细胞在相互接触过程 中,遗传物质从一个个体转移到另一个个 体的现象称为结合。
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细菌的接合试验细菌的接合试验
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细菌接合的电镜照片
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F 因子 A 菌株之所以能成为供体,是因为它含有 一个性因子( sex factor ),又称致育因子 ( fertility factor ),简称 F 因子。 附加体:
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质粒质粒
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相关概念: F F + F - Hfr : High frequency recombination F′
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F′ 因子的形成
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接合过程示意图接合过程示意图
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接合过程示意图
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Hfr 菌 株 的 形 成 及 其 基 因 转 移
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部分二倍体: 当 Hfr 菌的部分染色体进入 F - 细胞后, F - 细胞中就成为部分二倍体( partial diploid ) 或部分合子( merozygote )。 新转入的 DNA 片断称为供体外基因子 ( exogenote ),而受体的染色体称为受体 内基因子( endogenote )。
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部分二倍体及其交换
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中断杂交试验 Hfr 中的 DNA 向 F - 转移时,是从酶切端点 开始直线式进行的。 因此可以用于基因作图。
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中断杂交试验: Hfr : str s thr + leu + azi s tonA s galb + lac + F - : str r thr - leu - azi r tonA r galb - lac - str r 对链霉素有抗性 azi r 对叠氮化合物有抗性 tonA r 对 T 1 噬菌体有抗性 thr + leu + galb + lac + 对苏氨酸、亮氨酸、半 乳糖和乳糖为原养型
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中断杂交后,接合后体中各个性状出现的频率
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大肠杆菌 Hfr str s thr + leu + azi s tonA s galb + lac + × F - str r thr - leu - azi r tonA r galb - lac - 的结果
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根据中断杂交试验绘制的连锁图
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用中断杂交试验确定的几个 Hfr 菌株的基因顺序
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F 因子插入的位置及方向
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重组作图 a 重组体的基因型是 lac + ade + b 重组体的基因型是 lac - ade +
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大肠杆菌染色体图大肠杆菌染色体图
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三、性导 性导( sexduction ): 以 F′ 因子为媒介,将供体细胞的部分遗传物 质导入受体细胞形成部分二倍体。 并发性导( co - sexduction ): 两个相邻的基因,同处于一个 F′ 因子上被转 移,称为并发性导。
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性导过程示意图性导过程示意图
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四、转导 transduction 以噬菌体为媒介,将细菌的小片段染色体 或基因从一个细菌细胞转移到另一个细菌 细胞的过程。
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转导颗粒 transducing particle 将宿主 DNA 片断包装在蛋白质外壳内的假 噬菌体。
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普遍性转导
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普遍性转导普遍性转导
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共转导( cotransduction ) 两个基因被包装在一个转导颗粒中转导。
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以 E.coli 的 P 1 噬菌体进行下列转导: 供体 thr + leu + azi r 受体 thr - leu - azi s 先用 P 1 噬菌体感染供体菌株,再用来自供 体的新一代 P 1 噬菌体感染受体菌株。 然后检测受体菌基因型。
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检测结果: 选择标记 非选择标记 1 leu + 50% azi r , 2% thr + 2 thr + 3% leu + , 0 % azi r 3 thr + leu + 0% azi r
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转导颗粒与染色体之间通过四次交换 形成转导体,这种转导体的频率最低
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作业: 7 、 8 、 10
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