2025年高中生物竞赛课件第五章细菌和病毒的遗传

第六章 细菌和病毒的遗传 第一节 细菌和病毒的结构（P154） 一、细菌的结构 细菌属于单细胞原核生物，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不尽相同。 细菌属原核细胞，染色体是一个很长的共价闭合环状双链DNA 分子，一般不与蛋白质结合。很多细菌细胞内还有一个或多个能自主复制的小型环状DNA(质粒） (一）细菌基因组的特点： （1）不具备成形的核结构，只有DNA 的集中区，称拟核。 （2）基因组很小，只有一条环状染色体，一个复制起点。 （3）基因的结构简单，重复序列和不编码的序列很少，大部分为功能基因；无断裂基因，不含内含子。 （4）染色体不与组蛋白结合，基因调控方式多样； （5）存在转录单元； （6）常通过接合方式传递遗传物质 （二）细菌质粒 （1）质粒的概念和结构 质粒---- 指独立于细菌染色体外能自主复制的小型环状裸露的DNA 分子。 质粒结构大致由3部分组成：P157 转移区(tra);自我复制区（rep);插入区 ②质粒的种类(p157-159)： 致育因子（F因子）、抗性因子（R因子）和大肠杆菌素因子（col因子) 质粒的性质： （1）能与染色体配对、结合，整合到细菌细胞的染色体内。 （2）使带有该质粒的细菌具有免疫性。 （3）受外界环境影响，质粒可自行消失。 F+ 菌株与Hfr菌株的差异： （1）F因子在细菌细胞内存在的状态不同； （2）与F-菌株杂交的结果不同。F+×F- 使，F因子利用滚环复制很快转移到F-细菌细胞中，使F-变为F+,但染色体基因重组频率很低；而Hfr× F- ,两细菌的重组率相当高，但很少能使F-变为F+。 (3)理化因素处理结果不同。Hfr 菌株经吖啶橙处理后变化不大而F+ 菌株比较敏感。 P161 细菌表现型和基因型的符号遵守的规则： 二、病毒的结构P162-164 病毒甚至不进行分裂，它在宿主细胞内以集团形式产生。仅含有一种核酸（DNA 或RNA)和蛋白质外壳。依遗传物质性质可分： 单链DNA ;单链RNA; 双链DNA;双链RNA 病毒等。 遗传上应用最广泛的病毒是噬菌体。依其与宿主细胞的相互关系可分为：烈性噬菌体和温和噬菌体。 病毒基因组特点： 1.遗传物质种类复杂（单链DNA ;单链RNA; 双链DNA;双链RNA 病毒）； 2.基因组绝大多数属于能编码的结构基因（很少含重复序列，多为结构基因）； 3.存在重叠基因（如大基因套小基因或前后基因共用一段DNA 序列） 4.基因调控方式多样（主要是自我调控，也受宿主调节基因的制约。 细菌和病毒在遗传研究中的重要性 第二节 细菌的遗传分析 细菌遗传物质转移方式：转化、接合、性导和转导。 共同特点： ①DNA 从一方向另一方单方向转移； ②接受DNA 的一方，在细胞内形成染色体的部分二倍体； ③所接受的染色体基因只有整合到自己的染色体上才能稳定遗传。 一、转化 （一）细菌的遗传研究方法 一、转化 P170—172 (一) 转化的概念 转化：某些细菌(或其他生物)通过其细胞膜摄取周围供体的染色体片段，并将此外源DNA片段通过重组整合到自己染色体组的过程. 　转化三种细菌：肺炎双球菌；枯草杆菌；流感嗜血杆菌。 一般认为：感受态出现在细菌对数生长后期。 图6-11：细菌转化过程示意图P171 图6-2 外源DNA穿入受体细胞示意图 细胞壁 细胞膜 DNA 结合蛋白复合体 核酸外切酶 供体 DNA 影响转化的因素包括： (1)转化片段大小:肺炎双球菌的成功转 化，转化DNA片段至少要有800bp， 枯草杆菌最少需要16000bp。 (2)转化片段形态:转化片段必须是双链 (3)转化片段浓度：每个细胞摄取的DNA 分子数不超过10个。 (4)受体细胞生理状态:感受态。 供体 受体 trp2+ his2+ tyr1+×trp2 his2 tyr1 ↓ 重组型数 Trp2-his2重组率 = ×100% 亲型数+重组型数 Trp2-his2 → 0.34 Trp2-tyr1 → 0.40 His2-tyr1 → 0.13 trp2 his2 tyr1 ∣←──34─→ ∣←───13──∣ ∣←─────40──────→∣ 二、接合P165 接合：在原核生物中，是指遗传物质从供体-“雄性”转移到受体-“雌性”的过程 1946年，Lederberg和Tatum发现E.coli细胞之间通过接合可以交换遗传物质。他们选择了两个不同营养缺陷型的E.coli菌株： 图 10-12 黎德伯格和泰特姆的杂交试验， 证明大肠杆菌发生遗传重组 + - 需加甲硫氨酸和生物素 需加苏氨酸和亮氨酸 发现长出了一些原养型的菌落。这种原养型细胞的出现是由于转化还是由于细胞与细胞直接接触而发生的遗传物质交换和重组？ 就必须排除三种解释：P144-145 -7 -14 “交换转化因子”原因的排除 为了解答这个 问题，Davis (1950)设计了 U型管实验 (P167) A菌株 B菌株 大肠杆菌不能直接接触，允许0.1微米以下分子通过 Hayes（1952)试验证明，在接合过程中遗传物质的交换是一种单向的转移： 供体（雄性）→ 受体（雌性） 1、F因子 Hayes和Cavalli-Sforza（1953)发现，供体有一个性因子即致育因子--F因子 ，由DNA组成， 是染色体外的 遗传物质。其 组成结构： E.coliF因子存在状态有三种类型： ①没有F因子，即“F–” ②自主状态的F因子，即“F+” ③整合的F因子，即“Hfr” 自主状态时F因子独立进行分裂 Hfr细胞的形成及染色体的转移 2、接合过程 F+×F- ↓ F+ → F+ F- → F+ F因子偶然地(10000个F+细胞中有一个)能整合到细菌染色体中去，就可能引起染色体的转移 5’ 图 10－16 两个E.Coli 细胞杂交的电子显微镜照片(X 34,300) 性伞毛/接合管 Hfr×F- ↓ Hfr → Hfr F- → F- 接合开始，F因子仅有一部分进入F–细胞，剩下部分基因只有等到细菌染色体全部进入到F–细胞之后才能进入，然而转移过程常常中断 5’ 受体细胞常常只接受部分的供体染色体，这些染色体称为供体外基因子，而受体的完整染色体则称为 受体内基因 子，这样的 细菌称为部 分二倍体或 部分合子、 半合子 发生单交换时： 发生双交换时： 中断杂交试验：是雅各布（F.Jacob)和沃尔森（E.Wollman)在1956年首创的，指在不同时间人为地中断Hfr×F- 杂交，然后测定受体菌的遗传标记，根据基因进入受体细胞的先后顺序和间隔时间，将细菌基因定位在染色体DNA 上，称中断杂交试验。 　Hfr1和HfrAB312菌系的中断杂交试验及其连锁图（左下图）： 差异：不同Hfr菌株转移的原点(O)和转移方向不同。进一步说明了F 因子和细菌染色体都是环状。见上右图。 三、性导 性导：指接合时由F´因子所携带的外源DNA转移到细菌染色体的过 程。 F因子整合到宿主细菌染色 体的过程是可逆的，当发 生环出时，偶然不够准确， 携带有细菌染色体的一些基因， 称这种F因子为F´因子。 整合 环出 性导产生的F´因子 F'因子携带染色体的节段大小：从一个标准基因到半个细菌染色体 雅科和阿代尔伯格发现：特殊的Hfr菌株能把lac+ 等位基因高频率地转移到F-受体中。 　　∵①．lac基因位于远端，中断杂交实验中只有1/1000重组率； 　　　②．由F'携带lac+ 基因进入受体后可在lac位点上形成部分二倍体F'lac+ / lac-。 F´因子特点 （1）以极高的比率转移它的基因； （2）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； 性导作用 （1）确定等位基因的显隐性关系； （2）利用并发性导进行细菌染色体作图 （3）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。 第三节 噬菌体的遗传分析 P155-164 一、噬菌体的结构 遗传学上应用最广泛的是大肠杆菌的T噬菌体系列(T1到T7)。其结构大同小异，呈蝌蚪状。T系列噬菌体结构如下： 1、烈性噬菌体 (1).结构大同小异，外貌一般呈蝌蚪状： T偶列噬菌体 头部：双链DNA分子的染色体； 颈部：中空的针状结构及外鞘； 尾部：由基板、尾针和尾丝组成。 1、烈性噬菌体 　T偶列噬菌体的侵染过程（如T4噬菌体） 尾丝固定于大肠杆菌，遗传物质注入 破坏寄主细胞原有的遗传物质 合成大量的噬菌体遗传物质和蛋白质 组装许多新的子噬菌体 溶菌酶裂解细菌 释放出大量噬菌体。 2、温和性噬菌体 溶源性噬菌体的生活周期： 　　①.λ噬菌体：噬菌体侵入后，细菌不裂解 附在E.coli染色体上的gal和bio位点间的attλ座位上 通过交换整合到细菌染色体，并能阻止其它λ噬菌体的超数感染。 ②P1噬菌体：不整合到细菌的染色体上，而是独立存在于细胞质内。 　　原噬菌体：整合到宿主基因组中的噬菌体。仅少数基因活动，表达出阻碍物关闭其它基因。原噬菌体经诱导可转变为烈性噬菌体裂解途径。 图：6-16 温和噬菌体的生活周期 P1和λ噬菌体的特性： 　　①P1和λ各代表不同的溶源性类型： 　　P1噬菌体：侵入后并不整合到细菌的染色体上，独立存在于细胞质内； 　　λ噬菌体：通过交换整合到细菌染色体上。 　　②溶源性细菌分裂 两个子细胞： 　　P1噬菌体复制则使每个子细胞中至少含有一个拷贝； 　　λ噬菌体随细胞染色体复制而复制，细胞中有一个拷贝。 　　③共同特点：核酸既不大量复制，也不大量转录和翻译。 二、噬菌体的基因重组与作图 噬菌斑形态 正常r+:小、边缘模糊 噬菌体 突变r-:大、边缘清楚 性状 宿主范围：感染和裂 正常h+:B株 解的菌株 突变h-:B株 不同： 或B/2株 二、噬菌体的基因重组与作图 由于h–和h+均能感染B株，用T2的两亲本h–r+和h+r–同时感染B株，称为双重感染。 透明、小 h-r+ × h+r- 半透明、大 ↓B株 h-r+ h+r- h-r- h+r+ ↓ 接种在同时长有B株及B/2株的培养基上 亲型噬菌斑 h-r+：透明、小 h+r-：半透明、大 重组型噬菌斑 h-r-：透明、大 h+r+：半透明、小 重组型噬菌斑 重组值= × 100% 总噬菌斑 h+r+ + h-r- = ×100% h-r+ + h+r- + h-r- + h+r+ ra–h+  ra+h– → 24% rb–h+  rb+h– → 12.3% rc–h+  rc+h– → 1.6% 分别作出ra、rb、rc与h的连锁图 ra 24 h rb 12.3 h rc1.6 h × ra rb rc h √ ra rb h rc √ ra rc h rb × ra h rc rb 为了确定基因排列顺序，可先只考虑rb、rc及h来确定是rchrb还是hrcrb。 为此作： rb+rc- × rb-rc+ ↓ 重组值约14% 可知h应位于rb及rc 之间，又因为T2噬菌 体的连锁图是环状的 三、噬菌体的基因重组与作图 sco1mi × +++ 凯泽（Kaiser　A.D.,　1955）最先进行λ噬菌体的重组作图试验。紫外线照射处理 获5个λ噬菌体突变系，产生不同噬菌斑： 　　s　系：小噬菌斑； 　　mi 系：微小噬菌斑； 　　c　系：完全清亮的噬菌斑； 　　co1系：中央环之外部分表现清亮的噬菌斑； 　　co2系：更浓密的中央环噬菌斑。 　　凯泽利用λ噬菌体sco1mi与噬菌体+++进行杂交作图：   三、转导 转导：指以噬菌体为媒介所进行的细菌遗传物质重组的过程，是细菌遗传物质传递和交换方式之一。 特点： 以噬菌体为媒介 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 通过感染转移到另一个受体细胞内。 　　∵ 感染细菌的能力决定于噬菌体的蛋白质外壳。 图6-18 鼠伤寒沙门氏菌的U形管试验 1、普遍性转导 转导噬菌体可以转移细菌染色体组的任何不同部分的转导 。 →两个基因同在一起转导就是合转导 或叫并发转导 →合转导的频率愈高，表明两个基因 在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 频率很低，就说明它们之间距离较 远 →因此，测定两基因的合转导频率就 可以确定基因之间的次序和距离 （1）两因子转导：通过观察两个基因的转导，计算并比较每两个基因之间的合转导频率，就可以确定三个或三个以上基因在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，a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，这三个基因的次序就应为：bac （2）三因子转导：（不讲） 只需分析一个实验的结果就可以推出3个基因的次序 例如：供体大肠杆菌具有基因型a+b+c+，受体的基因型为abc。 最少的一类转导体应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，这种转导体的两边应为供体基因，而中间为受体基因，如为a+bc+ ，则正确次序就应为abc。假定由实验得到的最少的转导体类别为a+b+c，则可以确定，这3个基因的正确次序应当是acb或bca。 图10－27 转导颗粒与受体染色体之间，通过四交换形成转导体，这种转导体的频率最低   利用并发转导进行细菌基因重组作图 （不讲） P1侵染带leu+ thr+aziR E.coli  用转导颗粒P1再侵染带leu- thr- azis E.coli  将受体细菌特定培养：培养在一种可选择1-2个标记基因而不选择其余标记基因的培养基上 例如：0azi+thr培养基，leu为标记基因 因为：只有leu+才生长，leu-不生长 thr可能为thr+/thr- azi可能为aziR/aziS               表10-7 用P1噬菌体普遍性转导测定大肠杆菌基因间的连锁关系 实验 选择的标记基因 未选择的标记基因 1 leu+ 50%aziR2%thr+ 2 thr+ 3%leu+0%aziR 3 leu+ thr+ 0%aziR             实验1 说明leu和azi相近 leu和thr则远 leu azi thr ──┴───┴───┴─ azi leu thr 或 ──┴──┴───┴─ 实验2 说明leu比azi更接近thr azi leu thr ──┴───┴────┴── 实验3 说明这个顺序是正确的，因为leu+thr+片段从未携带有aziR 这也说明了转导片段的大小。在 thr和leu之间的DNA长度已接近于 这个片段大小的极限 如果把三个基因中每两个基因的合转导频率算出来，还可根据这一频率推算出三个基因之间的物理距离： d =L(1- 3 X ) 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 由以上公式可知： 　　转导DNA的平均长度约为１个病毒基因组的大小； 2、特殊性转导 特殊性转导或局限性转导：指一些温和性噬菌体只能转导细菌染色体基因组的某些基因。 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； 形成特殊性转导颗粒，这种颗粒能把细菌的基因由一个细胞转移到另一个细胞。 λ原噬菌体的环出与携带有大肠杆菌gal位点的缺陷噬菌体的形成 特殊性转导 97 噬菌体的侵入，导致重组性转导 细菌染色体图 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E. coli就已定位了近100个基因(图)，而截至1990年定位的基因已超过1400个。1997年完成全部测序：4639221对碱基，其功能基因已基本了解。 99 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 本章小结： 1．细菌研究的影印培养法： 　2．噬菌体的类型； 　　⑴．烈性噬菌体：能破坏寄主细胞原有的遗传物质 组装成许多子噬菌体 使细菌裂解释 放出子噬菌体。 　　⑵．温和性噬菌体： 　　特点： 　　①.核酸不大量复制、转录和翻译，具有溶源性的生活周期； 　　②.λ噬菌体能通过交换而整合到细菌染色体上； 　　③.P1噬菌体独立存在于细菌细胞质内； 　　④.通过诱导(如紫外线)可转变为烈性噬菌体。 　　⑶. 噬菌体的基因重组与作图： 　⑶. 噬菌体的基因重组与作图： 通过双重感染两种噬菌体进行杂交重组的噬菌斑两基因之间的遗传距离。 　　3．细菌遗传分析中的基因转移： $$