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7 细菌的遗传分析

7 细菌的遗传分析. 主要内容 : 1 、细菌的细胞和染色体的特征； 2 、大肠杆菌的突变型、筛选； 3 、大肠杆菌的性别特征和重组特征； 4 、中断杂交实验作图及重组作图的方法及原理； 5 、性导、转导、转化的概念，转化作图和转导作图的方法。. 7.1 细菌的细胞和基因组. 7.1.1 细菌的细胞. 细菌细胞的结构：基本结构为细胞壁、细胞膜、拟核、核糖体、细胞质及内含物。特殊结构如荚膜、鞭毛等。. 细菌的繁殖方式：二裂式均等分裂，1代/20 min。. 7-2 细菌染色体的复制和细胞分裂.

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7 细菌的遗传分析

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  1. 7 细菌的遗传分析 主要内容: 1、细菌的细胞和染色体的特征； 2、大肠杆菌的突变型、筛选； 3、大肠杆菌的性别特征和重组特征； 4、中断杂交实验作图及重组作图的方法及原理； 5、性导、转导、转化的概念，转化作图和转导作图的方法。

  2. 7.1 细菌的细胞和基因组 7.1.1 细菌的细胞 细菌细胞的结构：基本结构为细胞壁、细胞膜、拟核、核糖体、细胞质及内含物。特殊结构如荚膜、鞭毛等。 细菌的繁殖方式：二裂式均等分裂，1代/20min。

  3. 7-2 细菌染色体的复制和细胞分裂

  4. 7.1.2 细菌的基因组 染色体：环状裸露的双链DNA分子，长度为250～35000um,，以折叠或螺旋状态存在；每个细胞中有1～２个染色体，染色体附着于细胞膜的一定区域。 细菌染色体的遗传特征：１）通过杂交使细菌将一部分遗传物质传递给另一细菌，无细胞融合过程；２）杂交子代中含有受体菌的部分遗传物质和共体菌的全套遗传物质，称为部分二倍体。

  5. 7-3

  6. 7-4

  7. 7.2　大肠杆菌的突变型及其筛选 7.2.1 大肠杆菌的突变类型 ⑴ 合成代谢功能的突变型：由于合成代谢功能相关的基因发生了突变，阻碍了整个合成代谢功能的实现，从而不能合成细菌生长所需的物质。 表型表示： 以不能合成的物质命名，Met-甲硫氨酸缺陷型, Bio-生物素缺陷型, Thr-苏氨酸缺陷型。metA和metB表型都是Met-。

  8. ⑵ 分解代谢功能的突变型：不能利用比葡萄糖更为复杂的糖如乳糖、甘露糖、木糖等,或者不能将一些复杂的分子如氨基酸或脂肪酸等降解为乙酸或三羧酸循环的中间物。 表型表示：以不能分解或利用的物质命名。Lac-乳糖不能利用，Gal-半乳糖不能利用。

  9. ⑶ 抗药型突变型 抗药机理：核糖体30S亚基S12蛋白变异，不能和链霉素结合。青霉素不能抑制细胞壁的形成。　 表型表示：药物敏感型，如pens， strs。 　　　　　抗药型：如penr, strr, ⑷ 抗噬菌体突变型 　　原理：改变细菌膜蛋白, 噬菌体不能吸附或吸附能力降低。 表型表示：T1噬菌体 Tonr Tons T2噬菌体 Ttor Ttos

  10. 7.2.2 细菌的培养和突变型筛选 细菌的培养:液体培养和固体培养。 细菌突变体的筛选：影印培养法，先在一个母板上使细菌长成菌落，然后用一个比培养皿略小、包裹一层消过毒的丝绒木板，印在母板上，将菌落吸附在丝绒上，再将这块丝绒印到含有各种不同成分的培养基上。凡不能出现在影印培养基上的菌落，说明缺乏合成某一物质的能力，或对某类药物等有抗性，是突变的菌落。

  11. 细菌的培养

  12. 细菌突变体的筛选

  13. 7.3 细菌的接合与染色体作图 7.3.1 细菌接合现象的发现 菌株A 菌株B Met-bio-thr+leu+thi+×Met+bio+thr-leu-thi- 无菌落　　 10-7无菌落 ？ Met+bio+ thr+ leu+thi+ 推测：1 回复突变；2 遗传转导； 3 营养互补；4 遗传重组。

  14. 菌株A 菌株B 7.3.2 U 型管试验(Davis,1950) 结论: 1 两菌株细胞直接接触对野生型的产生是必要的。 2 细菌发生了基因重组，产生了原养型 ： Met+bio+ thr+ leu+thi+ 问题：细菌间基因重组如何进行？

  15. 7.3.3 F因子及其转移 反交 正交 A:met-bio-thr+leu+thi+strs ×加链霉素 B:met+bio+thr-leu-thi-strr ↓ 基本培养基:出现菌落 met-bio-thr+leu+thi+ strr ×加链霉素 met+bio+thr-leu-thi-strs ↓ 无菌落 解释: 1) E-coli的遗传物质单向传递的。 2) 菌株A和菌株B在杂交中的作用不同, Ａ为供体（♂），菌株Ｂ为受体（♀）。

  16. F因子(F factor or Felement):即可育因子(fertility factor)、性因子(sex factor)，是细菌的一种附加体，是环状的DNA分子，它的存在使宿主具有供体的能力。 附加体:既可存在于染色体外作为一个独立的复制子,也可整合到细菌染色体作为细菌复制子的一部分的遗传因子。

  17. F+菌株：带有F因子的菌株，作为供体提供遗传物质。F+菌株：带有F因子的菌株，作为供体提供遗传物质。 F-菌株：不带有F因子的菌株，作为受体接受遗传物质。 Hfr菌株：高频重组菌株，F因子通过配对交换，整合到细菌染色体上的菌株。 质粒（plasmid)：染色体外能进行自主复制的遗传单位，专指细菌、酵母菌和放线菌等生物中染色体以外的DNA分子。

  18. F+×F-的特点： 1）F因子转移的频率很高（1/10）。 2）染色体转移频率很低（10-7）。F＋品系为低频重组品系。

  19. Hfr×F-转移特点: (1) F整合后呈线状； (2) 转移起点（原点）位于中间； (3) 首先转移F因子的一部分,再转移细菌染色体,F因子的剩余部分最后转移。 (4)细菌染色体转移频率很高，F质粒转移频率低。Hfr为高频重组品系。

  20. 7.3.4 细菌基因重组的特点 1) F-细胞得到的只是F因子的一部分,因此, Hfr×F-选出的大多数重组子仍为F-。 2)F-受体细胞只接受部分的供体染色体,这样的细胞为部分二倍体或半合子,也称局部融合. 部分二倍体:指含有一个完整基因组和部分基因组的细胞.(半合子)。

  21. 内基因子:受体完整基因组。 外基因子:供体部分基因组。 3) 内、外基因子之间发生单交换,不能产生 重组子。 4）偶数次的交换才能产生有活性的重组 子，且相反的重组子不出现。

  22. 7.4 中断杂交与重组作图 7.4.1 中断杂交实验原理 1 中断杂交实验 Hfr ： thr+ leu+ azir tonr lac+ gal+ strs × F-： thr- leu- azis tons lac- gal- strr 问题1：如何确定基因转移的顺序和时间？ 问题2：如何检出某一基因的重组子？ 问题3：在发生重组的菌落中，如何检出非选择 标记基因？

  23. Hfr ： thr+ leu+ azir tonr lac+ gal+ strs × F- ： thr- leu- azis tons lac- gal- strr 问题1：如何确定基因转移的顺序和时间？ 中断杂交实验：混合培养液进行通气培养,每隔一定时间取样,把菌液放入搅拌器内以打断配对的接合管,使接合的细胞分开以中断杂交,然后检查某一基因是否发生重组,这种用来研究细菌接合过程中基因转移顺序和时间的实验即中断杂交实验。

  24. Hfr ： thr+ leu+azir tonr lac+ gal+strs × F- ： thr- leu-azis tons lac- gal-strr 问题2：如何检出某一基因的重组子？ 用thr+、leu+和strr这三个基因作为选择标记，把中断杂交的细菌稀释接种到含有链霉素的基本培养基上,如能形成菌落,它的基因型必定为thr+ leu+strr,说明thr+ leu+已经进入受体并发生重组。

  25. Hfr ： thr+ leu+azir tonr lac+ gal+strs × F- ： thr- leu-azis tons lac- gal-strr 问题3：在发生重组(thr+ leu+strr)的菌落中，如何检出非选择标记基因？ 对每一时刻的重组thr+ leu+strr的菌落影印培养到不同的培养基上，如接种在含叠氮化钠，含噬菌体T1、含乳糖无葡萄糖，含半乳糖无葡萄糖的培养基上，记录重组子中每一非选择标记基因出现的时间、出现的频率和持续时间。

  26. 10

  27. Hfr的未选择性标记基因进入F-所需时间： 基因 转入时间/min 频率/% thr+ 8 100 leu+ 8.5 100 azir 9 90 tonr 11 70 lac+ 18 40 gal+ 25 25

  28. 7.4.2 中断杂交作图 中断杂交作图: 利用中断杂交实验方法，以Hfr菌株基因出现在Ｆ-的时间（min)为图距单位,对大肠杆菌染色体基因作图的方法。 作图原理：离原点愈近的基因进入F-愈早,出现在F-中的比例愈大,反之,则愈小。 0 5 10 15 20 25（min) (原点) azi ton lac gal

  29. 不同Hfr品系中基因转移的顺序 原因：F因子在不同的位点插入细菌染色体,且配对方向不同。 结论：大肠杆菌染色体呈环状。

  30. Hfr1 HfrH thr azi thi ton gly Hfr2 lac his Hfr3 pur gal 大肠杆菌染色体呈环状

  31. 7.4.3 重组作图 1 条件 1）已知两个基因紧密连锁; 2）已知两个基因进入受体菌的先后顺序。 2 原理 部分二倍体内如果不发生重组，无法鉴别。 只有最后一个基因进入受体细胞，且两基因间 发生了重组才能鉴别。即最后一个基因发生重 组的条件下，计算两基因间的重组率。

  32. 3 杂交实验 Hfr ：lac+ ade+ X F-： lac- ade- ⑴在缺乏腺嘌呤的培养基上，表型为lac+ade+,交换发生在两个基因之外。 lac+ ade+ ⑵表型lac+ade-, 交换发生在①②间，lac+进入，而ade+未进入。 ② ① ③ lac- ade- ⑶表型为lac-ade+，交换发生在②③间，这是真正的重组子。

  33. 4 计算重组率 重组作图与中断杂交作图的图距关系: 1分钟图距 ≈ 20% 重组值 Ecoli染色体全长： 100min, 含有4×106bp 20×100 ≈ 2000 cM

  34. 7.5 F‘因子与性导 7.5.1 F’因子与F’菌株 F’因子：整合态的F因子从Hfr上错误切割下来，且带有细菌个别基因的F因子。 F‘菌株：指带有F`因子的细菌。 7.5.2 性导 利用F’因子将供体菌的基因导入受体形成部分二倍体的过程。 Hfr × F- → F- F` × F- → F`

  35. 图 7-12 图 7-13

  36. 7.5.3 F+、F-、F’、Hfr的关系 1、F+菌株是带有F因子的细菌,F因子存在于细胞质中。F+菌株能以很高的频率转移F因子，但转移细菌染色体的频率很低。 2、F-菌株是不带有F因子的菌株，可以与F+、F‘、Hfr 菌株接合，接受遗传物质。

  37. 3、F’菌株是带有F‘因子的菌株。整合到Hfr染色体上的F因子不规则的脱落，导致F因子丢失自身的DNA片段而带有染色体的片段。F’因子可转移部分细菌染色体，转移顺序和方向与原来的Hfr一样。3、F’菌株是带有F‘因子的菌株。整合到Hfr染色体上的F因子不规则的脱落，导致F因子丢失自身的DNA片段而带有染色体的片段。F’因子可转移部分细菌染色体，转移顺序和方向与原来的Hfr一样。 4、Hfr菌株是F因子整合到细菌染色体上的菌株，能以很高的频率转移细菌染色体，而F因子很少进入。

  38. 7.6 细菌的转化与转导作图 7.6.1 细菌的转化与作图 1 概念 转化：游离的细菌DNA片段被吸收到不同的细菌细胞内（受体），并整合到受体基因组中。 转化子：通过转化而形成的重组体。 共转化：同时转化细菌的两个或两个以上的标记基因。

  39. 2 转化的条件 1）受体细胞的生理状态（是否为感受态）； 感受态细胞：能接受外源DNA分子并被转化的细菌细胞。 感受态因子：促进转化作用的酶或蛋白质分子。 2）细胞壁或细胞膜上有固定数目的DNA受体部位。 3）DNA片段的大小等； 如肺炎双球菌要求外源DNA大于800bp，枯草杆菌要求大于16kb。 4）外源DNA片段与受体DNA的同源程度。

  40. 3 细菌转化的机制 1）双链DNA分子和细胞表面受体部位可逆性结合。 2）供体DNA片段被吸入受体细胞，并要防止受体DNA酶的破坏。 3）供体DNA进入受体后，立即从双链转变成单链，其中一条链被降解。 4）未被降解的一条单链DNA插入受体DNA链中，与同源区段结合形成杂合的DNA分子。 5）杂合DNA经细胞内的修复系统校正，复制、分离后，形成各种类型的转化子。

  41. 4 细菌的转化作图 表7-4 trp2+his2+tyr1+×trp2-his2-tyr1-结果分析

  42. trp2 his2 tyr1 34 13 40

  43. 3）与转导有关的概念 转导：以病毒为载体把遗传信息从一个细菌细胞传递到另一个细菌细胞。即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受体菌中。 转导子：通过转导形成的重组体细菌细胞。 转导噬菌体：携带供体细菌染色体片段的噬菌体。

  44. 原噬菌体：温和噬菌体侵入细菌后通过交换整合到细菌染色体上，随细菌染色体一起复制和遗传的噬菌体。即溶源性细菌所携带的噬菌体。原噬菌体：温和噬菌体侵入细菌后通过交换整合到细菌染色体上，随细菌染色体一起复制和遗传的噬菌体。即溶源性细菌所携带的噬菌体。 溶源性：噬菌体在细菌体内通过整合酶的作用而整合到寄主染色体上成为原噬菌体状态，并与寄主染色体一起复制，这种现象即细菌的溶源性。 溶源性细菌：细胞中含有原噬菌体的细菌。

  45. 4）细菌的普遍性转导与作图 ①普遍性转导：转导噬菌体携带的供体染色体片段是完全随机的，即能够转导细菌染色体上的任何基因。 流产转导:转导DNA分子进入受体细胞后,既不与受体基因组发生基因交换,又不随细胞DNA复制而复制,而是稳定地存在于细胞之中的现象。

  46. ②普遍性转导特点： a 频率很低。转导每一个基因的频率约为3×10-5。 b 两个基因始终是一起被转导或同时被转导频率较高，则两基因是连锁的。 共转导（并发转导）：两个基因同时被转导的现象。

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