第五章 细菌的遗传分析

转导（transduction）就是以病毒作为载体
将遗传信息从一个细菌细胞传递到另一 个细菌细胞。
转导颗粒：把细菌染色体片段包装在噬
菌体蛋白质外壳内而产生的假噬菌体， 其中并不包含噬菌体的遗传物质。
转导
普遍性转导 局限性转导
2.普遍性转导与作图 普遍性转导（general transduclion）： 能够转导细菌染色体上的任何基因。 如：P 和P 这类噬菌体所进行的转导。
2.分解代谢功能的突变型 ■ 野生型的分解代谢功能正常 ■ 突变型由于基因的改变影响了分解代 谢功能 如：Lac-突变型不能分解乳糖，因此就 不能生长在以乳糖为唯一碳源的基本培养 基中，而野生型细菌Lac+都能利用乳糖。
3.抗性突变型 细菌由于某基因的突变而对某些噬菌体或 抗菌素产生抗性。 如：抗链霉素突变型Str-，相应的野生型 为Str+。
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
F+ F+ FHfr Hfr FFF+
第五节 F′因子与 性导
一、F′因子
F＋
Hfr
1959年，Adelberg和Burns发现： 整合到细菌染色体上的F因子，在环出时不够准 确，携带出细菌染色体上的一些基因，这种带 有染色体基因的附加体称为F′因子（ F′factor） 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。
3.转化的过程
4.转化作图 在转化过程中，DNA小片段 → 受体。 ■相距很远的二个基因很难同时存在于一个DNA 片段中，一般不能同时进行转化。 ■两个基因紧密连锁时，它们就有较多的机会包 括在同一个DNA片段中，并同时整合到受体染 色体里——共转化（cotransformation），共 转化的基因一般是连锁的。
但是当他们将两个亲本菌株分别置于“U”型管的两臂 时，出乎意外地在LT22的一臂也出现了野生型细菌。
进一步实验证明在两个菌株之间传递遗传物质的因子 是沙门氏菌中的一种温和噬菌体P22。 因为： （1）滤板孔径允许通过的这种因子的大小和质量与 P22相同。 （2）免疫学试验证实这种因子可以被P22抗血清灭活。 （3）如用抗P22的LT2菌株来代替敏感的LT2，那么在 “U”型管两端都不出现野生型重组体。 （4）进一步研究也证明LT22是携带了P22原噬菌体的 溶源性细菌，LT2是对P22敏感的非溶源性细菌。
5 1 2 3 4 O O L O
6 M M O L
7 M M O L
8 O O M O
5 1 2 3 4 O O L O
6 M M O L
7 M M O L
8 O O M O
■细菌的遗传物质的转移是单方向性，即只能 从Hfr或F+转向F-。 ■Hfr×F-有大量重组体，F+×F-有少量重组体， 其他的接合没有重组体。
解决方法： (1)一般要对受体细胞进行处理：化学处理或 用强电场处理（electroporation，电穿孔）。目 的：是增加受体细胞膜对供体DNA的可透性。 (2)制备感受态细胞（competent recipient cell）：能吸取DNA分子而被转化的细菌细胞叫 做感受态细胞。在某一细菌群体中，只有极少 数细胞是感受态的，它们具有感受因子 （comptencefactor），可能是细胞表面的一种 蛋白质或是一种转化酶（translocase），它参 与DNA的吸收。
例：用E.coli trpA+supC+pyrF+ 供体细胞和 trpA-supC-pyrF- 作为受体由P1噬菌体媒介转 导进行三因子转导杂交实验结果： 转导型数目 1.supC+trpA+pyrF+ 36 2.supC+trpA+pyrF- 114 3.supC+trpA-pyrF+ 0 4.supC+trpA-pyrF- 453 总计：603 问：它们的基因顺序？共转导频率？
P1是普遍性转导常见的噬菌体，其头部可以包裹 高达91.5kb的供体DNA，如果标记基因之间两 两相距分别为60kb、30kb和10kb，则以P1为媒 介的并发转导的预期频率分别为4%、30%和70%。 细菌基因的平均大小为1kb，则紧密连锁的2个基 因发生并发转导的概率为97%。
3 X=（1-d/L）
第一节
细菌的细胞 和基因组
一、细菌的细胞
二、细菌的基因组
有些细菌还含有小的，可自我复制的 环状DNA分子，该小的DNA分子称为质 粒（plasmid）。
第二节 大肠杆菌的突 变型及筛选
一、大肠杆菌的突变类型 1.合成代谢功能的突变型 ■ 野生型的合成代谢功能正常，可以在 基本培养基上生长。 ■ 突变型由于基因的改变影响了合成代 谢功能，不能在基本培养基上生长，只能 在相应的选择培养基上生长。 如：Met-、Thi-和Pur-表明这些突变品系 分别需要甲硫氨酸、硫胺和嘌呤，而相应 的野生型的表型记为Met+、Thi+和Pur+。
图 8-13 利用中断杂交进行 E.coli 染色体作图
几个Hfr菌株的基因顺序 菌 株 H 1 Hfr 2 0 0 0 基 因 转 移 顺 序
thr pro lac pur gal his gly thi thr thi gly his gal pur lac pro pro thr thi gly his gal pur lac
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。
F+×F-杂交
Hfr×F-杂交
三、细菌重组的特点
因此，在细菌的重组中有下列两个特 点： （a）只有偶数次交换才能产生平衡的 重组子。 （b）不出现相反的重组子，所以在选 择培养基上只出现一种重组子。
为了验证在沙门氏菌（Samlonella typhmiurium） 中是否也存在类似于大肠杆菌中的接合现象， J.Lederberg和N.Zinder进行了下列杂交试验： LT22 phe- trp- tyr- his+ × LT2 phe+ trp+ tyr+ his结果发现：在基本培养基上以10-5频率出现野生 型菌株。
二、性导 利用F′因子将供 体细胞的基因导入 受体细胞的过程称 作性导（sex duction）。
F′因子
F+、F-、Hfr、F′之间的关系：
获得
F+
丢失
脱离
整合
F整合 丢失
Hfr
脱离
F′
第六节
转化与转导作图
一、转化 1.转化的发现 肺炎双球菌转化实验 1927 F.Griffith（格里菲思） 肺炎链球菌的转化实验为了证明遗传物质是 DNA，但没有进行单因子转化实验。 1944 O.T.Avery 进行单因子转化实验证明 DNA是遗传物质。
3
AB 312
0
0
pur lac pro thr thi gly his gal
thi thr pro lac pur gal hiБайду номын сангаас gly
1960，J.Cairns利用电 子显微镜观察到大肠杆 菌的DNA确实是环状。
大 肠 杆 菌 的 环 状 基 因 图
有四株大肠杆菌分别为1、2、3、4，它们的基因型为 a+b，另外四株分别为5、6、7、8，基因型为ab+。将 基因型不同的菌株两两混合培养，在基本培养基上测 定重组子a+b+出现情况如下表。写出每一个菌株的性 别（F+、F-、Hfr）。（表中O代表无重组体，M代表 有重组体，L代表有大量重组体）
第四节
中断杂交与 重组作图
一、中断杂交实验原理 1954年 Wollman 和 Jacob 大肠杆菌： Hfr：azir tonr lac＋ gal＋ strs F- ：azis tons lac- gal- strr
链霉素敏感
二、中断杂交作图
0
5
10
15
20
25
(分钟)
起点 thr,leu azi ton lac gal
推测：（1）基因重组；（2）遗传转化。
U形管实验(B.Davis)
结论：（1）否定了遗传转化； （2）证明A与B菌株的直接接触是基因重组的前提。
接合：细胞之间通过暂时连接，进行 物质交流的现象。即遗传物质从供体 （雄性）转移到受体(雌性)内的过程 。 特点：需通过细胞的直接接触。
二、F因子 1.Hayes的实验 ① A菌（链霉素处理）× B菌→原养型菌落 ② A菌 × B菌（链霉素处理）→无菌落 说明： （1）细菌接合中遗传物质的转移是单向的。 （2）菌株A和菌株B虽然来自同一野生型菌株 K12，但在杂交中显然起着不同的作用，菌株A 相当于雄性，是遗传物质的供体（donor），而 菌株B相当于雌性，是遗传物质的受体 （receptor）。
2.转化的定义 细菌细胞（或其他生物）将周围的供体DNA 摄入到体内，并整合到自己染色体组上 的过程称为转化（transformation）。 显然，转化就是细菌细胞摄取周围游离的 外源DNA片段，通过同源区段的交换而实 现基因重组的过程。所以转化也是细菌 传递DNA而实现基因重组的途径之一。
通常从一个供体菌株分离出来的DNA与另一 受体菌株活细胞接触，大约只有1％的受体细 菌细胞可吸收外源DNA，并发生遗传转化。转 化频率低的原因可能是： ■ 受体细菌细胞壁并非任何区域都允许外源 DNA片段通过，而只是在特定区域形成临时性 通道，因此将这一区域称为受体部位，而在受 体细胞表面这一部位的数目是有限的。 ■ 外源DNA进入除受体部位允许通过外，还必 须有酶或蛋白质分子以及能量等的协同作用。
大肠杆菌中供体和受体菌株的区别就在于它们 是否有一种微小的质粒 —— F因子。 F因子（F factor或 F element）又称性因子（sex factor）或致育因子（fertility factor）。 它是一种封闭的环状 DNA 分子，相对分子质量 约为 4.5×106，全长约为9×104 bp，大约为大 肠杆菌环状染色体全长的2%，以游离状态存在 于细胞质中。
解：上述三个基因在遗传图上的顺序可以从第3 种转导型上立即判断出来，因为它的数目最少 （等于0）。 三个基因的次序：supC trpA pyrF supC+和trpA+二基因共转导形成第1和第2两种转 导型，因此，supC—trpA的共转导频率是： 36+114 / 603 =0.25 同理：supC—pyrF的共转导频率是：36/603＝ 0.06 三基因在遗传图上顺序和间隔距离是：
二、突变型筛选
处理
细菌
涂布
完全培养基
影印
选择培养基
获得
突变体
抗青霉素的菌生长
第三节
大肠杆菌的性 别
一、细菌接合现象的发现 1946年 J.Lederberg和E.Tatum 大肠杆菌K12 两种不同营养缺陷型菌株： 菌株A：met- bio- thr+ leu+ thi+ 菌株B：met+ bio+ thr- leu- thi注：bio生命素；met蛋氨酸；thr苏氨酸；leu 亮氨酸；thi硫氨素。
普遍性转导中，在基本培养基上除了出现正常菌落外， 还有大量小菌落，这两者之比大约1:10， 这一现象称为流产转导（abortive transduction）。
1 22
两个基因同时转导的现象称为共转导 （cotransduction），两个基因共转导频率愈高，表 明两个基因连锁愈紧密，相反，共转导频率愈低，则 表明这两个基因距离愈远。 1966年，T.T Wu (Harvard University) 共转导频率与图距的关系式:
X=（1-d/L）3
d—同一染色体上两个基因之间的图距 L—转导DNA的平均长度（约为一个噬菌体基因组大小） x—两个基因共转导的频率
一个菌株的基因型为ACNRX，但基因的顺序 不知道。用它的DNA去转化一个基因型为 acnrx的菌株，发现下列的基因型： AcnRx、acNrX、aCnRx以及AcnrX，还有 一些仅有单个基因被转化的菌株（如 aCnrx）。问ACNRX基因的顺序如何？
基因的顺序为：CRAXN
二、转导
1.转导现象的发现
第五章 细菌的遗传 分析
细菌
是遗传学研究中常用的实验材料 ■ 结构简单 ■ 个体数量多 ■ 繁殖力强 ■ 世代周期短 ■ 易于突变 ■ 易于培养
第一节 细菌的细胞和基因组 第二节 大肠杆菌的突变型及筛选 第三节 大肠杆菌的性别
第四节 中断杂交与重组作图 第五节 F′因子与性导
第六节 转化与转导作图