第七章+细菌和噬菌体的遗传分析

二、F因子 1．细菌的性别： 1952年 海斯（W. Hayes） 菌株A:met-thr+leu+thi+ (str s, strr) 菌株B:met+thr-leu-thi- (str s, strr)
A strs XB strr or A strr X B strs
基本培养基
有菌落生长
A strrX B strs A strsX B strr
细胞壁 细胞膜 鞭毛
纤毛(pili) 拟核 核糖体
每个细胞在较短时间内(如一夜)能 裂殖到107个子细胞 成为肉眼可见 的菌落或克隆(clone)。
4. 大肠杆菌的突变型及其筛选： (1).合成代谢突变型（anabolic functional mutants）： 丧失合成某种营养物质能力，不能在基本培养基 上生长； 原养型：野生菌株则可在基本培养基上生长。 用不同的选择性培养基， 测知突变的特性。 影印培养法筛选
(3). 抗性突变型(resistant mutants)： 如抗药性突变型或抗噬菌体突变型。 抗性突变型的筛选方法： 通过将细菌涂布在含有某种 抗生素或噬菌体的培养基上， 能形成菌落的就是抗性突变菌 株。 例如：青霉素（penr）抗性突 变的菌落。
二、细菌在遗传研究中的优越性： 1．细菌结构简单、繁殖力强、世代周期短： 大肠杆菌（E.coli）20分钟可繁殖一代。 2．便于管理和生化分析： 个体小，一般在1 µ至几µ之间，操作管理方便。 3．便于研究基因突变： 裸露的DNA分子（有的病毒为RNA分子）， 容易受环境条件的影响而发生突变；单倍体生物， 不存在显性掩盖隐性问题，隐性突变也能表现出 来。
大肠杆菌Hfr thr+leu+lac+gal+azistonsstrs× F－ thr－leu－lac－gal－azir tonr strr 的结果 标记基因 转入的时间（分钟） 频率 thr+ 8 100(经选择的) leu+ 8.5 100(经选择的) azis 9 90 tons 11 70 lac+ 18 40 gal+ 25 25
Hfr: thr+ leu+ azir tonr lac+ gal+ strs F-: thr- leu- azis tons lac- gal- strr
苏 氨 酸 酸 钠 体 亮 氨 化 菌 叠 氮 乳 糖 糖 半 乳 素 链 霉 Tl 噬
2．不同时间取样 搅拌器中断杂交 稀释 涂在含链霉素完全培养基 杀死Hfr细菌 抗 str的细菌菌落 影印培养法：鉴定各基因转移 时间。
A+B菌株混合培 养，在完全培养 基上，几小时后 离心，涂布基本 培养基上，长出 原养型（Met+ bio+ thr+ leu+） 菌落。
这种原养型细胞如何出现？ A、B菌株分别培养在基 本培养基上 一边加压和 吸引使培养液充分混合 结果任何一臂的培养基上均 未长出原养型细菌。 ∴直接接触(接合)是原养 型细胞出现的必要条件。 原养型细胞产生的原因是菌株A和菌株B的细菌接 触后发生了杂交，遗传物质有了交换，产生了与两 个与亲代菌株不同的野生型met+bio+thr+thi+
病毒： 单倍体，仅一条染色体。病毒������������ 酸。 遗传物质：DNA 或RNA。
蛋白质外壳+ 核
一、噬菌体的结构和形态 根据噬菌体DNA在宿主细菌内的特点，又将 噬菌体分为两类： ① 烈性噬菌体：T噬菌体系列（T1~T7）； ② 温和性噬菌体: P1和λ噬菌体。
lac-ade+ RFlac-ade = ×100% +ade++lac-ade+ lac 220 = ×100%=22%=22cM 1000
用重组频率（RF）所测得的基因距离与 用中断杂交技术以时间为单位的基因距离 基本上是成正比的，大致是1分钟相当于 20%重组值，即：1min=20cM
四、性导（sexduction） F 因子整合过程： 可逆：发生环出时，F 因子又可重新离开染色 体。
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F 因子的三种状态：
①．没有F因子，即F－； ②．一个自主状态F因子，即F＋； ③．一个整合到自己染色体内的F因子，即Hfr。
象F因子这样即可作为一个复制子独立存在， 又可以整合到细菌染色体上，作为细菌复制子的 一部分的质粒或遗传因子称为附加体(episome)。
三、中断杂交试验及染色体连锁图： 50年代，Jacob F. 和Wollman E. ： 中断杂交试验：发现接合时遗传物质转移是直线进行。 其方法为： 1．Hfr菌株与F－菌株混合培养。
链霉素培养基
没有菌落
有菌落
链霉素培养基
接合过程是一种单向转移，A菌株遗传物质 B菌株，从供体(donor）到受体（receptor）。
供体和受体的性别差异，是由F因子引起 的：供体细菌(雄性)细胞质中具有F因子(F＋)， 受体细菌(雌性)则没有F因子(F－)。 F+细菌 表面有性伞毛(sex pili)，即F纤毛。
以基因出现的时间为标准������������
作出E. coli的遗传连锁图。
3．用一种大肠杆菌的不同Hfr菌株进行中断杂交实 验，作出连锁图，其基因向F-细胞转移的顺序不同。
转移的顺序是不是随机？例如：thr thi gly 。
Hfr1和HfrAB312菌系的中断杂交试验：
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F因子 和细菌染色体都是 环状。
Adelberg和Burns(1959)： F 因子偶尔在环出时 不够准确，会携带出染 色体上的一些基因，这 种因子称为F' 因子。 性导：指接合时由F' 因 子所携带的外源DNA 整合到细菌染色体的过 程。
F’因子使细菌带有某些 突出的特点： 第一，F′因子以极高的 比率转移它的基因， 如同F +细菌以极高 的比率转移它的F + 因子一样； 第二，F′因子有极高的自 然整合率，而且整合在一 定的座位上. ∵ 携带与细菌染色体一 样的同源区段；而正常F 因子可在不同座位整合。
4．便于研究基因的作用： 影印培养，易检出营养缺陷型突变，有 利于从生化角度来研究基因的作用。 5．便于研究基因的精细结构： 细菌具有转化、转导和接合作用，可以 进行精密的遗传分析，从而进行基因定位。
第二节细菌的遗传分析
一、细菌的杂交 不同营养缺陷型的大肠杆菌： A菌株： Met- bio-thr+leu+thi+， 需加甲硫氨酸和生物素。 B菌株： Met+ bio+thr- leu- thi- ， 需加苏氨酸、亮氨酸和B1。 A菌株和B菌株营养缺陷型，不 能在基本培养上生长。
1、Hfr细胞的形成及染色体的转移：
2、细菌重组
部分二倍体： 当F＋或Hfr 的细菌染色体进 入F－后，在一 个短时期内，F －细胞内的某些 位点就会成为二 倍体DNA。
外基供体因子 单交换
内基受体因子
转化DNA
降解 部分二倍体中发生交换: 单数交换：打开环状染色体，产生一个 线性染色体，这种细胞是不能成活的。 偶数交换：产生可遗传的重组体和片段。
3、细菌的交换和重组的特点
1) F-受体很少得到完整的F因子，因此大多 数重组子仍为F-。只有整条Hfr染色体都 转移时，F-才能得到完整F因子, 变成 F+/Hfr。 2）只有偶数次交换才能产生平衡的重组 子。重组子只有一种类型，不会出现相反 的重组子。所以细菌的交换不是一个交互 过程，而是单向的。
3、F’因子是一种质粒，是由F因子和部分 染色体基因一起形成的环状质粒。F’×F －中，使F－变成F＋，而且也使所携带的 染色体基因转移到受体细胞中。 4、F因子当与细菌染色体通过单交换而 整合到染色体时，F＋则变成Hfr；F因 子也可以从Hfr染色体上切离下来，而 恢复到F＋状态；当切离不准确而使F因 子带有部分染色体基因时，则F因子变成 F’因子；F’因子也可以整合到染色体而 成为Hfr。
第七章 细菌和噬菌体的 遗传分析
第一节细菌的遗传分析
一、细菌的概述： 1.细菌的细胞：原核生
物，没有细胞核，DNA是 裸露的，不与蛋白质结合。 2.细菌的染色体：细菌 为单倍体，其染色体为环 形双链DNA分子。 3. 分裂和繁殖：不进行 减数分裂和有丝分裂。而 是简单地复制和一分为二， 进行分裂生殖。
①．8分钟时：thr+ 进入F-细胞； 8.5分钟时：leu+进 入F-细胞； ②．9分钟时：出现 叠氮化物抗性的菌 落，少数azir基因进 入F-细胞； ③．11分钟时：出 现抗噬菌体T1的F细菌； ④．18和25分钟时： 分别出现乳糖和半 乳糖发酵基因，即 lac+和gal+进入F细胞。
①．重组体中各标志 基因进入F- 细胞中时 间不同，达到最高水 平的时间也不同； ②．随时间的推迟， 某个基因的重组率增 加；一定程度后，重 组率便不再增加。 如：10’tonr首次出现， 15’时40%、25’后80%。 ∴Hfr中基因是按一定 的线性顺序依次进入 F-菌株的。
基本培养 基
营养缺陷型(auxotrophic)的表示方法： 一般根据该菌株所不能合成的物质来命名。取这 一物质的前3个字母，第一个字母大写表示。 例如： Met-（甲硫氨酸methionine）、Thi-(硫胺 thianmin)和Pur-（嘌呤purine）。 (2).分解代谢突变型（catabolic functional mutants）： 丧失降解某种营养物质能力，不能在基本培养基 上生长；根据菌落和特点进行筛选。 如：Lac- /Lac + ： Lac-在伊红-美蓝培养基（EMB）上形成白色或粉 红色菌落，而Lac+菌落为有金属光泽的紫色菌落。
F+与F-之间的杂交只有F因子的转移， 因此尽管F因子的转移频率很高，但是供受 体细菌染色体的重组频率却很低，约为10-7， 因此F+品系称为低频重组品系(菌株)。
三、高频重组 (High frequency recombination ，Hfr)：
1954年 Hayes 也分离了Hfr品系，发现： (1)Hfr使重组能力增加，但无传递F因子的能力， Hfr ×F － F －。 (2)Hfr只能将供体基因组的一部分传给受体。
3． F＋向F－的转移：
1. F+细胞与F-细胞接触并结合，形成细胞质桥(cytoplasm bridge)，即结合管(conjugation tube). 2. F因子进行滚环复制，通过结合管转移到F-细胞。 3. F-细菌转变成F+细菌。
低频重组(low frequency recombination，Lfr)：
低频重组
吖黄素 与F+结合 结合
F+
切离 整合
F与F’结合
Hfr
高频重组
不准确切离
F’
重组频率较低
第二节噬菌体的遗传分析
病毒： 病毒根据其寄主的不同可分为: (1). 动物病毒：寄生于动物组织中 (2). 植物病毒：寄生于植物组织中 (3). 细菌病毒：寄生于细菌中，以又称噬菌 体 (bacteriophage, phage)
-, F+, Hfr, F’细菌的相互转化 五. F
1、F因子是一种质粒，有游离态F因子的细 胞为F＋，没有F因子的细胞为F－，当F＋ ×F－杂交时，F因子供体进入受体细胞， 使F－变成F＋，但染色体基因很少转移。 2、Hfr细菌中含有结合态的F因子，此时的 F因子是与染色体整合在一起，作为一个 整体遗传。Hfr×F－中，染色体基因转 移频率很高，但F因子转移频率很低。
4、重组作图：
两基因转移时间间距＜2分钟 时，中断杂交法的图距不够精确， 应采用传统的重组作图法。 例：二个基因紧密连锁: lac-（乳糖不发酵） ade-（腺嘌呤缺陷型）
影印到EMB培 养基上
紫红色菌落：lac+ ade+ 780（亲本型） 粉红色菌落：lac- ade+ 220（重组型）
基因间重组频率：
2. F因子的结构
F因子（F-factor)是一种质粒，又称性因子（sex factor） 或致育因子(fertility factor)，它由3个区域组成： 1)原点(origin)：转移的起点 2)致育基因(fertility gene)：使细菌具有感染力， 其中有编码性纤毛的基因。 3)配对区域(pairing region)：与细菌染色体的核苷 酸序列相对应，与整合有关