第十章 细菌及病毒的遗传分析 (2h)
第一节 细菌和病毒遗传研究的意义第二节 噬菌体的基因重组第三节 细菌基因重组本章要求思考题第一节 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
①繁殖世代所需时间短；
②易于管理和进行化学分析；
③遗传物质较简单，便于用作研究基因结构、功能及调控机制的材料。
④便于研究基因的突变；
⑤便于研究基因的作用；
⑥可作为研究高等生物的简单模型；
二、细菌和病毒的拟有性过程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。
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,类似于真核生物减数分裂过程中形成的重组体结构。
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 。
三、病毒的种类根据宿主划分：
微生物病毒
植物病毒
无脊椎动物病毒
脊椎动物病毒
亚病毒
类病毒
拟病毒
朊病毒细菌病毒一般称为 噬菌体（ phage）
噬菌体的类型根据噬菌体的生活周期可分为：
（一）烈性噬菌体（ virulent phage）
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。
（二）温和性噬菌体
侵入后并不使细菌裂解，而是以原噬菌体或质粒的形式存在的一类噬菌体称为温和性噬菌体。
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原噬菌体四、细菌细胞结构的特点
①无真正的细胞核。
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。
五、细菌 DNA与质粒
①细菌 DNA
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。
DNA分子无组蛋白与之结合，仅与一些 碱性蛋白 结合。
细菌 DNA中有一定比例（约 1%）的碱基甲基化。
②质粒
细菌体内含有的一种染色体外小型环状 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。
能独立于染色体存在和复制，还能在细胞间传递。
③附加体
有些质粒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）。
第二节 噬菌体 (T2)的基因重组噬菌体的突变：
噬菌斑的形态宿主范围
（ 1）噬菌斑突变,T噬菌体的 r-突变体（速溶）
正常噬菌体,r+,产生的菌斑小而边缘模糊突变噬菌体,r-,产生的菌斑大两倍而边缘清晰
（ 2）宿主范围突变,T2噬菌体的 h-突变体正常噬菌体,h+,只能以大肠杆菌 B株 (Ttor)为宿主突变噬菌体,h-,能以 B株和 B/2株 (Ttos)为宿主
T2噬菌体的基因重组将两种不同的 T2突变体进行杂交，对其杂交子代进行重组分析杂交方法：
将 Ttor和 Ttos两种大肠杆菌细胞混合
同时接种高浓度的 T2噬菌体的 h-r+和 h+r-两种突变体，
保证绝大多数细菌都被一个以上噬菌体感染
两种不同的噬菌体 DNA可能在宿主细胞内进行重组，从而产生 非亲本型子代 h+r+和 h-r-。
亲本型重组型
×
T2噬菌体的基因重组
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-
混浊，大 透明，小 混浊，小 透明，大见教材 P199~201。
%1 0 0)(
总噬菌斑数重组噬菌斑数重组值 Rf
h+r-× h-r+培养所产生的四种噬菌斑
h+r-
h-r-
h+r+
h-r+
第三节 细菌的染色体作图一,接合二,转化三,性导四,转导一个细菌细胞的 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、接合
（一）接合现象的发现
1946年,J.Lederberg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 (++++)。
（二）接合的概念通过一系列的实验，排除了该实验结果是由当时已知原因（回复突变、互养作用、转化作用、杂合二倍体）所产生。
接合 (conjugation)：
两种菌株的细胞直接接触后，遗传物质从供体
(donor)转移到受体 (receptor)的重组过程。
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。
大肠杆菌的两种类型
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,雌性与雄性,
分别作为接合过程中遗传物质的受体与供体。
（ 二） F因子及其在杂交中的行为
①致育因子
细菌染色体外的一个决定细菌 雄性 性别的共价环状 DNA
分子，称为致育因子 (fertility factor),又称为 F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－ 。
④ Hfr菌株 （ 高频重组菌株）
指 F因子整合到宿主染色体中的菌株，其重组频率比 F+高
1000多倍。
F因子在杂交中的行为
F因子在宿主染色体上有许多特定的插入位点和方向,整合频率为每代 10-5～ 10-7。
性伞毛形成结合桥，进而诱导 F因子上 traYz基表达，
产生核酸内切酶，该酶在 oriT转移起始点处一条单链上切开一个口，供体 DNA从 5′末端开始向受体转移。
接合过程
（ F+ → F-）,细菌间接触 → 接合管形成 → 单链断裂 → 单链 DNA从供体向受体转移 → 环化
（ Hfr → F-）,细菌间接触 → 接合管形成 → 单链断裂 →
单链 DNA从供体向受体转移 → DNA双链的形成（部分二倍体） → 重组交换（奇偶次交换）。
F因子在杂交中的行为 ——接合过程
（三）中断杂交实验作图中断杂交实验
1957年 E.Wollman和 E.Jacob设计完成
将对链霉素敏感的 Hfr菌株与对链霉素有抗性的
F-菌株混合培养，每隔一段时间间隔取样，然后剧烈震荡以中断杂交，分开已经紧密接合的供体和受体杂交对。然后将震荡后的培养物接种到含链霉素的完全培养基，杀死所有 Hfr细菌，以选择含有供体基因的抗链霉素受体细菌。对形成菌落的 F-细胞用影印培养法测定基因型。
该方法主要根据基因转移的先后次序,以时间为单位,求基因间的遗传距离。
中断杂交实验作图
1分钟 ≈20% 的重组值二、转化转化 (transformation),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。
（一）转化的过程非感受态细胞 外源 DNA被洗掉了转化因子 感受态细胞 外源 DNA仍与细胞结合整合 吸收整合
供体单链 DNA进入受体细胞后与受体染色体的某一部分联会,并进一步置换受体的对应染色体区段的过程。
吸附 洗涤两种核酸酶：
切为约 14kb的片段使外源 DNA片段变为单链
（二）转化在细菌遗传分析中的应用双转化
供体一条 DNA片段上的两个基因同时转化的现象称为双转化。
应用：
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）
杂交实验,trp2+his2+tyr1+ × trp2- his2-tyr1-
结果 (转化子类型 ):
基因座位
trp2 + - - - + + +
his2 + + - + - - +
tyr1 + + + - - + -
数目 11940 3660 685 418 2600 107 1180
trp2+ his2+ tyr1+转化 trp2- his2- tyr1- 实验
trp2 34 his2 13
tyr1
三、性导 ——概念
（一） F?因子
Hfr菌株在切除 F因子时发生错误切除，分离出一个携带 F
因子和部分宿主染色体基因的遗传因子，这种 带有宿主染色体基因的 F因子 称为 F?因子 。
（二）性导
带有 F?因子 的细菌在接合时,由 F?因子 所携带的外 源
DNA转移到宿主细菌的染色体的过程称为性导。
（三） F?因子 的特点
① F?因子 以 极高的比率 转移 它携带的基因；如同 F+高效转移 F因子一样。
② F?因子 有极高的自然整合率,而且 整合在一定的基因座位上,因有与细菌同源的染色体区段，不同于 F因子随机插入。
四、转导
（一）概念
以噬菌体为媒介所进行的细菌遗传物质重组的过程，称为转导。
（二）转导现象的发现
Lederberg及其研究生 Zinder（ 1952） 首先在鼠伤寒沙门氏菌中发现转导现象。
LA22 LA2
phe- trp- met+his+ phe+trp+met-his-
基本培养基培养是否形成原养型的菌落,否 是 否单独培养单独培养混合培养
（三）转导的类型
①普遍性转导
在噬菌体感染的 末期,细菌染色体被断裂成许多小片段，在形成噬菌体颗粒时，少数噬菌体将细菌的 DNA误认为是它们自己的 DNA,并包裹进其蛋白质衣壳内，从而形成 转导噬菌体,该噬菌体再去感染其他宿主时，就将所携带的细菌染色体片段带入受体菌中，形成部分二倍体，进而重组整合。这种转导类型称为普遍性转导。
（三）转导的类型
②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交换，又不随宿主 DNA复制而复制，而是稳定地存在于细胞之中。由于细菌不断增殖，故该转导类型的细菌所占比例越来越少，以至最终消失，故称为流产转导。
③局限转导
由温和噬菌体（如 λ）介导的转导类型。原噬菌体离开细菌染色体时,偶尔可将噬菌体插入位点两边的细菌基因一起环落下来而形成混杂的 DNA片段,该 DNA片段由噬菌体蛋白质衣壳包裹，再去 侵染 其他宿主细菌，可将特定的细菌基因带入新的受体菌，进而重组整合，这种转导称为局限转导。
本章要求理解细菌和病毒在遗传研究中的优越性和意义；
掌握 F-菌株,F+菌株,Hfr菌株的概念、区别和用途；
区别 F因子,F′因子的异同；
掌握转化、接合、性导与转导的概念与基本原理；
了解细菌和病毒遗传作图的原理和基本过程。
第一节 细菌和病毒遗传研究的意义第二节 噬菌体的基因重组第三节 细菌基因重组本章要求思考题第一节 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
①繁殖世代所需时间短；
②易于管理和进行化学分析；
③遗传物质较简单，便于用作研究基因结构、功能及调控机制的材料。
④便于研究基因的突变；
⑤便于研究基因的作用；
⑥可作为研究高等生物的简单模型；
二、细菌和病毒的拟有性过程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。
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,类似于真核生物减数分裂过程中形成的重组体结构。
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 。
三、病毒的种类根据宿主划分：
微生物病毒
植物病毒
无脊椎动物病毒
脊椎动物病毒
亚病毒
类病毒
拟病毒
朊病毒细菌病毒一般称为 噬菌体（ phage）
噬菌体的类型根据噬菌体的生活周期可分为：
（一）烈性噬菌体（ virulent phage）
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。
（二）温和性噬菌体
侵入后并不使细菌裂解，而是以原噬菌体或质粒的形式存在的一类噬菌体称为温和性噬菌体。
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原噬菌体四、细菌细胞结构的特点
①无真正的细胞核。
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。
五、细菌 DNA与质粒
①细菌 DNA
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。
DNA分子无组蛋白与之结合，仅与一些 碱性蛋白 结合。
细菌 DNA中有一定比例（约 1%）的碱基甲基化。
②质粒
细菌体内含有的一种染色体外小型环状 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。
能独立于染色体存在和复制，还能在细胞间传递。
③附加体
有些质粒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）。
第二节 噬菌体 (T2)的基因重组噬菌体的突变：
噬菌斑的形态宿主范围
（ 1）噬菌斑突变,T噬菌体的 r-突变体（速溶）
正常噬菌体,r+,产生的菌斑小而边缘模糊突变噬菌体,r-,产生的菌斑大两倍而边缘清晰
（ 2）宿主范围突变,T2噬菌体的 h-突变体正常噬菌体,h+,只能以大肠杆菌 B株 (Ttor)为宿主突变噬菌体,h-,能以 B株和 B/2株 (Ttos)为宿主
T2噬菌体的基因重组将两种不同的 T2突变体进行杂交，对其杂交子代进行重组分析杂交方法：
将 Ttor和 Ttos两种大肠杆菌细胞混合
同时接种高浓度的 T2噬菌体的 h-r+和 h+r-两种突变体，
保证绝大多数细菌都被一个以上噬菌体感染
两种不同的噬菌体 DNA可能在宿主细胞内进行重组，从而产生 非亲本型子代 h+r+和 h-r-。
亲本型重组型
×
T2噬菌体的基因重组
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-
混浊，大 透明，小 混浊，小 透明，大见教材 P199~201。
%1 0 0)(
总噬菌斑数重组噬菌斑数重组值 Rf
h+r-× h-r+培养所产生的四种噬菌斑
h+r-
h-r-
h+r+
h-r+
第三节 细菌的染色体作图一,接合二,转化三,性导四,转导一个细菌细胞的 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、接合
（一）接合现象的发现
1946年,J.Lederberg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 (++++)。
（二）接合的概念通过一系列的实验，排除了该实验结果是由当时已知原因（回复突变、互养作用、转化作用、杂合二倍体）所产生。
接合 (conjugation)：
两种菌株的细胞直接接触后，遗传物质从供体
(donor)转移到受体 (receptor)的重组过程。
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。
大肠杆菌的两种类型
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,雌性与雄性,
分别作为接合过程中遗传物质的受体与供体。
（ 二） F因子及其在杂交中的行为
①致育因子
细菌染色体外的一个决定细菌 雄性 性别的共价环状 DNA
分子，称为致育因子 (fertility factor),又称为 F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－ 。
④ Hfr菌株 （ 高频重组菌株）
指 F因子整合到宿主染色体中的菌株，其重组频率比 F+高
1000多倍。
F因子在杂交中的行为
F因子在宿主染色体上有许多特定的插入位点和方向,整合频率为每代 10-5～ 10-7。
性伞毛形成结合桥，进而诱导 F因子上 traYz基表达，
产生核酸内切酶，该酶在 oriT转移起始点处一条单链上切开一个口，供体 DNA从 5′末端开始向受体转移。
接合过程
（ F+ → F-）,细菌间接触 → 接合管形成 → 单链断裂 → 单链 DNA从供体向受体转移 → 环化
（ Hfr → F-）,细菌间接触 → 接合管形成 → 单链断裂 →
单链 DNA从供体向受体转移 → DNA双链的形成（部分二倍体） → 重组交换（奇偶次交换）。
F因子在杂交中的行为 ——接合过程
（三）中断杂交实验作图中断杂交实验
1957年 E.Wollman和 E.Jacob设计完成
将对链霉素敏感的 Hfr菌株与对链霉素有抗性的
F-菌株混合培养，每隔一段时间间隔取样，然后剧烈震荡以中断杂交，分开已经紧密接合的供体和受体杂交对。然后将震荡后的培养物接种到含链霉素的完全培养基，杀死所有 Hfr细菌，以选择含有供体基因的抗链霉素受体细菌。对形成菌落的 F-细胞用影印培养法测定基因型。
该方法主要根据基因转移的先后次序,以时间为单位,求基因间的遗传距离。
中断杂交实验作图
1分钟 ≈20% 的重组值二、转化转化 (transformation),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。
（一）转化的过程非感受态细胞 外源 DNA被洗掉了转化因子 感受态细胞 外源 DNA仍与细胞结合整合 吸收整合
供体单链 DNA进入受体细胞后与受体染色体的某一部分联会,并进一步置换受体的对应染色体区段的过程。
吸附 洗涤两种核酸酶：
切为约 14kb的片段使外源 DNA片段变为单链
（二）转化在细菌遗传分析中的应用双转化
供体一条 DNA片段上的两个基因同时转化的现象称为双转化。
应用：
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）
杂交实验,trp2+his2+tyr1+ × trp2- his2-tyr1-
结果 (转化子类型 ):
基因座位
trp2 + - - - + + +
his2 + + - + - - +
tyr1 + + + - - + -
数目 11940 3660 685 418 2600 107 1180
trp2+ his2+ tyr1+转化 trp2- his2- tyr1- 实验
trp2 34 his2 13
tyr1
三、性导 ——概念
（一） F?因子
Hfr菌株在切除 F因子时发生错误切除，分离出一个携带 F
因子和部分宿主染色体基因的遗传因子，这种 带有宿主染色体基因的 F因子 称为 F?因子 。
（二）性导
带有 F?因子 的细菌在接合时,由 F?因子 所携带的外 源
DNA转移到宿主细菌的染色体的过程称为性导。
（三） F?因子 的特点
① F?因子 以 极高的比率 转移 它携带的基因；如同 F+高效转移 F因子一样。
② F?因子 有极高的自然整合率,而且 整合在一定的基因座位上,因有与细菌同源的染色体区段，不同于 F因子随机插入。
四、转导
（一）概念
以噬菌体为媒介所进行的细菌遗传物质重组的过程，称为转导。
（二）转导现象的发现
Lederberg及其研究生 Zinder（ 1952） 首先在鼠伤寒沙门氏菌中发现转导现象。
LA22 LA2
phe- trp- met+his+ phe+trp+met-his-
基本培养基培养是否形成原养型的菌落,否 是 否单独培养单独培养混合培养
（三）转导的类型
①普遍性转导
在噬菌体感染的 末期,细菌染色体被断裂成许多小片段，在形成噬菌体颗粒时，少数噬菌体将细菌的 DNA误认为是它们自己的 DNA,并包裹进其蛋白质衣壳内，从而形成 转导噬菌体,该噬菌体再去感染其他宿主时，就将所携带的细菌染色体片段带入受体菌中，形成部分二倍体，进而重组整合。这种转导类型称为普遍性转导。
（三）转导的类型
②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交换，又不随宿主 DNA复制而复制，而是稳定地存在于细胞之中。由于细菌不断增殖，故该转导类型的细菌所占比例越来越少，以至最终消失，故称为流产转导。
③局限转导
由温和噬菌体（如 λ）介导的转导类型。原噬菌体离开细菌染色体时,偶尔可将噬菌体插入位点两边的细菌基因一起环落下来而形成混杂的 DNA片段,该 DNA片段由噬菌体蛋白质衣壳包裹，再去 侵染 其他宿主细菌，可将特定的细菌基因带入新的受体菌，进而重组整合，这种转导称为局限转导。
本章要求理解细菌和病毒在遗传研究中的优越性和意义；
掌握 F-菌株,F+菌株,Hfr菌株的概念、区别和用途；
区别 F因子,F′因子的异同；
掌握转化、接合、性导与转导的概念与基本原理；
了解细菌和病毒遗传作图的原理和基本过程。
