Chapter8 细菌及病毒的遗传

1. Chapter8 细菌及病毒的遗传 • 10.1 细菌和病毒遗传研究的意义 • 10.2 病毒的一般特性及类型 • 10.3 噬菌体的染色体作图 • 10.4 细菌的细胞和染色体结构 • 10.5 细菌的染色体作图 • 本章要求 • 复习思考题

2. 10.1 细菌和病毒遗传研究的意义 • 一、细菌和病毒在遗传研究中的优越性 • 二、细菌和病毒的拟有性过程 • 三、细菌遗传的实验研究方法

3. 一、细菌和病毒在遗传研究中的优越性 • 1.繁殖世代所需时间短。每个世代以分钟或小时计，如大肠杆菌每20分钟即可繁殖一代。 • 2.易于管理和进行化学分析。用一支试管就可贮存数以百万计的细菌或病毒，在短期内累积大量产物，为化学分析提供条件。 • 3.遗传物质较简单。只有一个位于细胞质内裸露的DNA或RNA分子。 • 4.便于研究基因的突变。细菌和病毒属于单倍体，所有突变都能立即表现出来。 • 5.便于研究基因的作用。细菌可以生活在基本培养基上，易于获得营养缺陷型，也易于测知各种营养缺陷型所需要的物质，是研究基因作用的好材料。 • 6.可作为研究高等生物的简单模型。可以从微生物的研究中得到模型，并从中获得启发，为开展对高等生物的的遗传研究开拓思路。

4. 二、细菌和病毒的拟有性过程 • 1.真核生物基因分离、自由组合及连锁交换均通过有性过程(减数分裂——受精)实现。细菌和病毒均属于原核生物不存在严格意义上的有性过程。 • 2.但细菌细胞内除了染色体外还有一些寄生性复制因子(如噬菌体和质粒，也被称为核外或染色体外因子)，它们可以在细胞间传递，并且形成细菌染色体间以及细菌染色体与核外遗传因子间的重组体。这种重组体结构类似于真核生物减数分裂过程中形成的重组体结构。 • 3.拟有性过程——引起细菌、病毒间遗传物质转移与重组的过程。拟有性过程的存在是细菌、病毒在遗传学研究，特别是作为真核生物的模型研究遗传重组和基因结构的重要前提。

5. 三、细菌遗传的实验研究方法 • 1.细胞计数(培养物细胞浓度) • 2.建立纯系的方法 • 3.选择培养法鉴定突变型与重组型 • 4.突变型与重组型的批量筛选方法 培养基的类型 • 基本培养基（野生型） • 完全培养基（突变型） • 选择培养基（鉴定突变类型） • 补充培养基（具体突变类型的确定）

6. 1.细胞计数(培养物细胞浓度) • 培养物中微生物计数方法是微生物学的基本实验技术，其基本思路是： • 对原培养物进行连续稀释； • 进行平板涂抹培养； • 由于每个细胞形成一个菌落，计数菌落数； • 根据稀释倍数计算原培养物中的细胞浓度。

7. 2.建立纯系的方法——纯培养 • 挑取由单个细胞繁殖而来的菌落进行培养就可以获得由一个细胞繁殖而来的纯系。 • 通常采用平板表面涂布法或划线法可以获得单菌落。这种方法获得的纯系，称为“菌种纯”。 • 有时采用显微操纵器进行菌丝尖端切割等方法从单个细胞直接培养建立纯系。采用这种方法获得的纯系称为“菌株纯”。

8. 3.选择培养法鉴定突变型与重组型 许多细菌的突变都与培养基营养成分及培养条件有关。 • 营养缺陷型的筛选、鉴定——选择培养法是根据菌株在基本培养基和营养培养基上的生长表现将菌株分为原养型(也称为原生营养型)与营养缺陷型(在基本培养基上不能正常生长，只能在相应的营养培养基上生长)。 • 其它突变类型的筛选、鉴定——对于其它的突变类型(如温度敏感型)，也可以通过培养条件的选择培养来筛选与鉴定。

9. 4.突变型与重组型的批量筛选方法 • 选择培养法一次可鉴定、筛选一种突变型，但要检测分离含有多种突变型的混和菌株，仅采用选择培养法要进行多次试验才能够达到目的、效率太低。 • 为高效检测、分离混和群体中不同突变型，黎德伯格夫妇设计了影印培养法——该方法原理与选择培养法一致，但是采用影印法将在完全培养基上单菌落同时接种到不同选择培养基上同时对所有菌落进行选择培养，鉴定效率大大提高。 注意： (1)最初的培养基必须是非选择性的，即各种突变型都能够在其上生长； (2)必须采用适当的方法如涂布或划线法，以使培养物菌落之间要分开。

10. 影印培养法

11. 10.2 病毒的一般特性及类型 • 一、病毒的一般特性 • 二、病毒的类型 • 三、噬菌体的生活周期

12. 一、病毒的一般特性（自学） • ①形体极微小，只有在电子显微镜下才能观察到； • ②化学组成简单，主要是核酸和蛋白质； • ③只含一种核酸（DNA或RNA）； • ④无细胞结构，为蛋白质外壳包裹核而成的颗粒； • ⑤缺乏独立代谢能力； • ⑥繁殖方式独特，只能依赖宿主活细胞的代谢机器，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式进行繁殖； • ⑦具有双重存在方式，或营专性寄生在活细胞内，或在细胞外以大分子颗粒状态进行传播； • ⑧对干扰素敏感，而对抗生素不敏感。

13. 二、病毒的类型（自学） • 1.微生物病毒 • 2.植物病毒 • 3.无脊椎动物病毒 • 4.脊椎动物病毒 • 5.亚病毒 • 类病毒 • 拟病毒 • 朊病毒

14. 三、噬菌体的生活周期 • 1.烈性噬菌体（virulent phage）——噬菌体侵入宿主细胞后，利用宿主细胞内的物质进行自身遗传物质和蛋白质的合成，组装出许多子噬菌体，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。 裂解周期：吸附 侵入 核酸的复制、转录与蛋白质的生物合成 装配 释放 • 2.温和性噬菌体（temperate phage） • 原噬菌体（prophage）——某些噬菌体侵染细菌后，其DNA整合到宿主染色体中，这种处于整合状态的噬菌体称为~。 • 溶源性细菌（lysogenic bacteria）——含有原噬菌体的宿主细菌称为~，或溶源体。 • 温和性噬菌体——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~。 • 原噬菌体通过诱导（induction）可转变为烈性噬菌体。诱导方式有多种，如温度改变、与非溶源性细菌的接合等 。

19. 10.3 噬菌体的染色体作图 • 一、T2噬菌体的基因重组与作图 • 二、λ噬菌体的基因重组与作图 • 三、基因的细微结构作图 • 四、互补测验和顺反测验

20. 一、T2噬菌体的基因重组与作图 噬菌体遗传性状可分为 形成的噬菌斑形态 宿主范围 • 1.噬菌斑突变：T噬菌体 r-突变体 正常噬菌体，r+，产生的菌斑小而边缘模糊 突变噬菌体，r-，产生大两倍而边缘清晰的菌斑 • 2.宿主范围突变 大肠杆菌B株是T2的宿主，大肠杆菌B/2株对T2产生抗性 一种发生在T2上的h-突变体，能利用B和B/2株 而h+只能利用B株

22. 一、T2噬菌体的基因重组与作图 h+r-×h-r+ 接种在同时长有 B和B/2株的培养基上 h+r- h-r+ h+r+ h-r- 半透明,大 透明,小 半透明,小 透明,大 重组值=重组噬菌斑数/总噬菌斑数 ×100% 由于不同速溶性噬菌体的突变体在表型上不同，可分别写成ra-、rb-、rc-等。用rx-h+ × rx+h-可对其进行基因定位。

23. 一、T2噬菌体的基因重组与作图 由rx-h+ × rx+h-实验结果（表8-1，P200）可知 Rf ra-h =24% Rf rb-h =12.3% Rf rc-h =1.6%， 据重组值可知3个r基因和h基因的排列方式有 ra rb rc h ra rc h rb ra rb h rc ra h rc rb 又rc-rb+ × rc+rb- Rf rc-rb =14% h位于rb 和rc之间。 rc h rb ra

24. 二、λ噬菌体的基因重组与作图 溶源性受到干扰，只能进入裂解周期，故斑清亮 凯泽（Kaiser，1955）用UV照射处理λ噬菌体，得到5个λ噬菌体的突变系： S——小噬菌斑 mi——微小噬菌斑 C——完全清亮的噬菌斑 C01——除中央一个环其余 部分都清亮的噬菌斑 C02——比C01更浓密的中 央环噬菌斑

25. 二、λ噬菌体的基因重组与作图 Rf s-c01 =3.76% Rf s-mi =6.16% Rf c01-mi=9.92% 0.86% 3.76% ×6.16% 负干扰：在λ噬菌体的三点测验中发现一个单交换发生后，会增加另一个单交换发生的概率，这时干扰系数为负值，这种现象称为~。 S C01 mi ×+ + + + + + 975 S C01 mi 924 S + + 30 + C01 mi 32 S C01 + 61 + + mi 51 S + mi 5 + C01 + 13 2091 2.9% C= =3.71＞1 5.3% 0.86% S 3.76 C01 6.16 mi

26. 10.4细菌的细胞和染色体结构 • 1.形态特征 ①细菌是单细胞生物，细胞结构包括细胞壁、细胞膜、细胞质和核区，部分细菌还有某些特殊结构，如鞭毛、伞毛、荚膜、芽胞、气泡等； ②生活周期短，易培养； ③易获得其生化突变型； ④大小不一，形态各异。常见细菌的形状有杆状、球状和螺旋状，其中以杆状最常见。

27. 10.4细菌的细胞和染色体结构 • 2.细菌细胞结构的特点 ①无真正的细胞核。细菌细胞只在菌体中央有一个遗传物质集中区——核区，无核膜和核仁，其功能与细胞核相当，由一个环状DNA分子高度缠绕而成，其中央部分是RNA与支架蛋白，这样的细胞核称为拟核。 ②缺乏线粒体、叶绿体等细胞器。

28. 10.4 细菌的细胞和染色体结构 • 3.细菌DNA与质粒 细菌的遗传物质比较简单，适宜用作基因结构和功能的研究。细菌DNA是一个很长的共价闭合环状双链分子（dsDNA），通常以超螺线体的形式存在于细菌体内。细菌无典型的染色体结构，没有组蛋白与DNA分子结合，DNA仅与一些碱性蛋白相结合。细菌DNA中有一定比例（约1%）的碱基甲基化，其中以腺嘌呤居多，胞嘧啶次之。除染色体DNA外，很多细菌还含有一种染色体外遗传成分——质粒。质粒实质上是一些小型环状DNA，携带着决定细菌某些遗传特性的基因，如抗药、产毒、致病、形成芽胞、产生色素或抗生素等的基因。质粒能独立于染色体存在和复制，还能在细胞间传递。它们中有的也能整合到细菌染色体中，在染色体的控制下随染色体一起复制，这类质粒称为附加体（episome）。

29. 10.5 细菌的染色体作图 一个细菌细胞的DNA与另一个细菌细胞的DNA的交换重组可以通过4种方式进行 • 一、转化 • 二、接合 • 三、性导 • 四、转导

30. 一、转化 转化（transformation）：是指某些细菌（或其它生物）能通过其细胞膜摄取周围介质中的DNA片段，并将此外源DNA片段整合到自己染色体组中的过程。 • 1.转化的发现 • ① F.Griffith（1928） 肺炎双球菌转化现象 • ② Avery （1944） 进一步探明转化实质 • 2.转化的过程 • ①转化因子的吸附（感受态，一般吸附双链DNA） • ②吸收（吸收一条单链入细胞，两种DNA酶参与） • ③整合（同源区段联会重组整合，同源性越高转化效率越高） • 3.转化在遗传分析中的应用

31. Griffith转化研究(1928)

32. Avery的转化实验(1944)

34. 转染：用除去蛋白质外壳的病毒核酸感染细胞或原生质体的过程称为~。转染：用除去蛋白质外壳的病毒核酸感染细胞或原生质体的过程称为~。

35. 3.转化在遗传分析中的应用 双转化：供体的两个基因紧密连锁在一条DNA片段上，它们同时转化的现象称为~。 • ①两个基因同时转化的效率（连锁或不连锁） • ②基因定位（遗传作图）（枯草杆菌） trp2+ his2+tyr1+ × trp2- his2-tyr1- 基因座位 转化子类型 trp2 + - - - + + + his2 + + - + - - + tyr1 + + + - - + - 数目 11940 3660 685 418 2600 107 1180

36. 3.转化在遗传分析中的应用 11940 13120 1180 2600+107 6785 3660+418 亲本类型 重组类型 重组值 trp2-his2 34% trp2 -tyr1 40% his2 -tyr1 13% 双交换 11940 4.21% 11940 12047 107 2600+1180 8125 3660+685 11940 15600 3660 418+1180 2390 107+685 107 525 418 trp2 34 his2 13 tyr1

37. trp2 + + his2 + tyr1

38. 二、接合 • 1.接合现象的发现和证实 • 2.F因子及其在杂交中的行为 • 3.中断杂交实验作图

39. 1.接合现象的发现和证实 1946年，黎德伯格（J.Lederberg）和塔特姆（E.Tatum）的大肠杆菌杂交试验： • 材料：大肠杆菌(Escherichia coli)K12菌株的两个营养缺陷型品系： 菌株A—甲硫氨酸缺陷型met-和生物素缺陷型bio-； 菌株B—苏氨酸缺陷型thr-和亮氨酸缺陷型leu-。 • 方法：将A、B两菌株混和，在基本培养基(固体)上涂布培养。 • 结果：平板上长出原养型菌落(++++)。

40. 频率为10-7

41. 几种可能解释及其分析 上述试验结果原养型菌落可能产生于： • ①亲本菌株A或B发生了回复突变； • ②两品系细胞通过培养基交换养料—互养作用； • ③两品系间发生了转化作用； • ④发生细胞融合，形成了异核体或杂合二倍体。 为了验证这些原养型菌落产生的可能而进行的研究最终表明：这些解释均不成立。

42. 回复突变可能的排除 Lederbery和Tatum利用的双营养缺陷型菌株进行试验，已基本排除A或B品系发生回复突变产生原养型细菌的可能。因为， • 单基因回复突变的频率约为10-6； • 双基因回复突变的频率则为10-12，频率很低。 • 但试验中产生原养型菌落产生的频率非常高（10-7），因此基本可以排除回复突变的可能。

43. 互养作用及其排除 • 试验材料 • A品系：A-B+ T1S(met-bio-thr+leu+T1S)； • B品系：A+B- T1R(met+bio+thr-leu-T1R)。 • 试验方法 • 将A、B品系混合接种在基本培养基表面； • 短时间后喷噬菌体T1杀死A品系，使其不能持续产生thr与leu供B品系持续生长。 • 结果与结论 • 仍然出现原养型菌落。 • 从而表明互养并非原养型菌落出现的原因，而可能发生了遗传重组。

44. 转化作用及其排除 • ① Lederbery和Tatum曾把品系A的培养液经加热灭菌，加入到B品系的培养物中，未得到原养型菌落，表明原养型菌落可能不是由转化作用产生。 • ②戴维斯(Dawis, 1950)的U型管试验(结果没有得到原养型细菌)。 • 结论：细胞直接接触是原养型细菌产生的必要条件，从而否定了转化。

45. 异核体和杂合二倍体的可能性 出现原养型菌落的另一种可能是细菌细胞发生融合，产生异核体或双杂合二倍体。这两种情况类似于二倍体生物的杂合体,将产生原养型菌落。 异核体指由于细胞融合而在细胞内含有遗传组成 不同的两个或多个细胞核。 双杂合二倍体则是异核体进一步发生核融合，形 二倍体细胞核，核内含有两种遗传物质。 细菌为单倍配子体生物，异核体和二倍体只能暂存在。培养繁殖过程中必将发生分离，产生各种缺陷型菌落对试验中得到的原养型菌落后代研究表明：后代没有出现预期的性状分离现象。

46. W.Hayes的实验（1952） 链霉素处理A菌 完全培养基培养一段时间 洗涤离心 B菌 重组体未减少 基本培养基 链霉素处理B菌 完全培养基培养一段时间 洗涤离心 A菌 无重组体产生 基本培养基 该实验说明细菌接合过程中遗传物质的转移是单向的，即遗传物质从A株转移到了B株。

47. 1.接合现象的发现和证实 经过上述分析可以认为：在Lederbery和Tatum及其它类似试验中，发生了一种不同于转化的遗传重组方式，称之为接合。 Hayes(1952)研究表明： • 大肠杆菌两种不同菌株(品系)接合过程中遗传物质的转移是单向的； • 从而认为大肠杆菌存在两种类型品系：雌性与雄性，分别作为接合过程中遗传物质的供体与受体。 • 接合(conjugation)：遗传物质从供体(donor)转移到受体(receptor)的重组过程。

48. 2.F因子及其在杂交中的行为 • ①致育因子：决定细菌雄性的是染色体外的一个共价环状DNA分子，称为致育因子（fertility factor），又称为F性因子或F质粒 。 • ②供体菌（雄性菌）：含有F因子的细菌，F因子游离于宿主染色体外，记为F+。 • ③受体菌（雌性菌）：不含有F因子的细菌，记为F－。 • ④Hfr菌株（高频重组菌株）：指F因子整合到宿主染色体中去的菌株，其重组频率比F+高1000多倍。

50. F因子的存在状态