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第7章-细菌的遗传分析.ppt
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1、7.1 细菌细菌(xjn)的细胞和基因组(掌握)的细胞和基因组(掌握)7.2 大肠杆菌的突变型及其筛选(了解)大肠杆菌的突变型及其筛选(了解)7.3 细菌的接合与中断杂交染色体作图(掌握)细菌的接合与中断杂交染色体作图(掌握)7.4 F因子与性导(自学了解)7.5 细菌的转化与转导作图(掌握)细菌的转化与转导作图(掌握)7.6 细菌同源重组的机制(自学了解)第七章 细菌的遗传(ychun)分析第一页,共六十八页。本章主要以本章主要以大肠杆菌(大肠杆菌(E.coli)为材料为材料(cilio)(cilio),讨论:,讨论:1 1、细菌的遗传物质的传递规律、细菌的遗传物质的传递规律 2 2、细菌染
2、色体作图、细菌染色体作图 3、细菌同源重组的分子机制第二页,共六十八页。7.1 细菌细菌(xjn)的细胞和基因组的细胞和基因组7.1.1 细菌细菌(xjn)的细胞的细胞7.1.2 细菌的基因组细菌的基因组第三页,共六十八页。7.1.1 细菌细菌(xjn)的细胞的细胞E.coli 的菌落的菌落colonyE.coli 细胞细胞E.coli 的拟核的拟核 nucleoid第四页,共六十八页。细菌细菌:真细菌(真细菌(eubacteria)如大肠杆菌(如大肠杆菌(Escherchia coli)古细菌(古细菌(archaebacteria)如詹氏甲烷球菌如詹氏甲烷球菌 (Methanococcus
3、jannaschii)多种形态存在:球菌(多种形态存在:球菌(cocci)杆菌(杆菌(bacilli)螺旋菌(螺旋菌(sprilla)等)等大小:随种类大小:随种类(zhngli)不同而异不同而异 杆菌一般长杆菌一般长15,宽,宽0.51;球菌以直径大小表示,一般为球菌以直径大小表示,一般为0.51;螺旋菌一般长为螺旋菌一般长为150,直径为,直径为0.51 第五页,共六十八页。细菌的基本结构:细菌的基本结构:细胞壁、细胞膜、拟核、核糖体、细胞壁、细胞膜、拟核、核糖体、细胞质及内含物;细胞质及内含物;细菌的特殊结构:细菌的特殊结构:如荚膜和鞭毛如荚膜和鞭毛遗传物质遗传物质环状环状核酸分子,也可
4、称染色体。核酸分子,也可称染色体。单细胞单细胞菌落(菌落(clone)/菌株(菌株(strain)世代世代(shdi)时间短时间短,20分钟一代,容易得到生化突变型。分钟一代,容易得到生化突变型。原养型原养型prototroph 营养缺陷型营养缺陷型auxotroph细菌与细菌之间可有细菌与细菌之间可有遗传物质的交换遗传物质的交换第六页,共六十八页。经渗透处理经渗透处理(chl)的的E.Coli 释放出来的释放出来的DNA,其染色体长,其染色体长度度1200m细菌染色体细菌染色体不凝缩,没有着丝粒,也没有纺不凝缩,没有着丝粒,也没有纺锤体结构。锤体结构。细菌繁殖细菌繁殖:双链环形:双链环形DN
5、A分子随着细胞分子随着细胞(xbo)伸长而采取伸长而采取二分分裂二分分裂(binary fission)的方)的方式分开。式分开。细菌染色体的复制与细胞二分细菌染色体的复制与细胞二分(r fn)分裂分裂第七页,共六十八页。7.1.2 细菌细菌(xjn)的基因组的基因组细菌染色体大多为细菌染色体大多为裸露裸露(lul)的的环状闭合环状闭合DNA双链双链,没有组蛋白和其,没有组蛋白和其他蛋白质结合,也不形成核小体结构。位于细胞内一个称为他蛋白质结合,也不形成核小体结构。位于细胞内一个称为“拟核拟核”(nucleoid)的区域中。这种结构有利于外源的区域中。这种结构有利于外源DNA的插入。细菌的染色
6、的插入。细菌的染色体长度为体长度为25035 000m不等。不等。第八页,共六十八页。拟核结构拟核结构(jigu)电镜观察表明:电镜观察表明:拟核结构最显著的特征是其拟核结构最显著的特征是其DNA被被包裹压缩包裹压缩成一个成一个个有序的环状结构域个有序的环状结构域(loop domain)。大肠杆菌基因组长大肠杆菌基因组长 4639229 bp,在松弛状况,在松弛状况(zhungkung):1 333 m长,长,而其细胞长度约为而其细胞长度约为2 m、宽宽1m,必须压缩最少,必须压缩最少1 000倍后才能装入细倍后才能装入细胞中。胞中。对对拟核成分拟核成分分析表明,分析表明,DNA占占80,其
7、余为,其余为RNA和和蛋白质蛋白质。已分离出。已分离出HU、H1等等DNA结合蛋白,类似于真核染色体的结构蛋白,可能与结构结合蛋白,类似于真核染色体的结构蛋白,可能与结构域的形成有关。大肠杆菌拟核中约有域的形成有关。大肠杆菌拟核中约有100个个结构域结构域,每个相当于,每个相当于40 kb,各个结构域具有相对的独立性各个结构域具有相对的独立性。染色体。染色体(拟核拟核)的结构域是超螺旋结构。这的结构域是超螺旋结构。这是是DNA双螺旋的螺旋轴盘绕而形成的螺旋,是双螺旋的螺旋轴盘绕而形成的螺旋,是DNA三级结构的一种形式。三级结构的一种形式。第九页,共六十八页。如用如用DNA酶处理酶处理大肠杆菌拟
8、核,各结构域大肠杆菌拟核,各结构域DNA链将会断裂,超螺旋结构受到破链将会断裂,超螺旋结构受到破坏,变为松弛型结构。拟核的中央坏,变为松弛型结构。拟核的中央(zhngyng)部分为支架蛋白和部分为支架蛋白和RNA。若用若用RNA酶处理酶处理,拟核中,拟核中DNA的折叠结构即不能保持,说明的折叠结构即不能保持,说明RNA和支架蛋白是和支架蛋白是保持拟核结构的重要因素保持拟核结构的重要因素细菌染色体以高度细菌染色体以高度(god)组装的形式存在组装的形式存在第十页,共六十八页。E.coli的染色体为闭合双链环状的染色体为闭合双链环状DNA,长约,长约1333m.1997年测定完成年测定完成 E.c
9、oli K-12 MG1655菌株全基因组菌株全基因组:4639229(约(约4.7106)bp其中其中(qzhng):87.8 编码蛋白质编码蛋白质 0.8 编码稳定性编码稳定性RNA 0.7%无编码功能的重复序列无编码功能的重复序列 11 属调节序列和具有其它功能属调节序列和具有其它功能在编码蛋白质序列:总共编码在编码蛋白质序列:总共编码4288种种已知和未知的蛋白质(可读框)已知和未知的蛋白质(可读框),其中,其中约约38功能不明功能不明。E.coli 的全基因组概况的全基因组概况(gikung)第十一页,共六十八页。在在K-12 MG1655菌株中,基因的平均长度为菌株中,基因的平均长
10、度为950bp,基因之间的平均间基因之间的平均间隔约为隔约为118bp,但是菌株之间可能会有很大的差别。,但是菌株之间可能会有很大的差别。2005年报道了第二个菌株年报道了第二个菌株E.coli K-12 W3110基因组的完整序列。基因组的完整序列。比较比较K-12 MG1655菌株和菌株和K-12 W3110菌株,发现两者基因组大小并不菌株,发现两者基因组大小并不是一致是一致(yzh)的:的:K-12 W3110基因组大小为基因组大小为 4646332bp,基因总数为,基因总数为4464个个K-12 MG1655基因组大小为基因组大小为4639229bp,基因总数为,基因总数为4288个个
11、E.coli 的全基因组概况的全基因组概况(gikung)第十二页,共六十八页。E.coli 的全的全基因基因组组仅显示部分基因仅显示部分基因注意图距单位:注意图距单位:min第十三页,共六十八页。7.2 大肠杆菌大肠杆菌(d chn n jn)的突变型及其的突变型及其筛选筛选7.2.1 大肠杆菌的突变类型大肠杆菌的突变类型(1)合成代谢功能的突变型)合成代谢功能的突变型(anabolic functional mutants)野生型品系在基本培养基上具有合成所有代谢和生长所必需的复杂野生型品系在基本培养基上具有合成所有代谢和生长所必需的复杂有机物的功能,这称为有机物的功能,这称为合成代谢功能
12、合成代谢功能(anabolic function)。)。这需要大量基因这需要大量基因(jyn)的表达,其中任何一个必需的基因的表达,其中任何一个必需的基因(jyn)发生了发生了突变都不能进行一个特定的生化反应,从而阻碍整个合成代谢功能突变都不能进行一个特定的生化反应,从而阻碍整个合成代谢功能的实现,这种突变型称为的实现,这种突变型称为营养缺陷型营养缺陷型。它们多是。它们多是条件致死突变条件致死突变(condition lethal mutation),因为能通过在基本培养基中添加所需),因为能通过在基本培养基中添加所需的有机成分使具有这种突变的细菌存活。的有机成分使具有这种突变的细菌存活。第十
13、四页,共六十八页。(2)分解代谢功能的突变型)分解代谢功能的突变型(catabolic functional mutants)野生型大肠杆菌能利用比葡萄糖复杂的不同碳源,因为它能使复野生型大肠杆菌能利用比葡萄糖复杂的不同碳源,因为它能使复杂的糖类转化成葡萄糖或其他简单的糖类,也能将复杂分子,如杂的糖类转化成葡萄糖或其他简单的糖类,也能将复杂分子,如氨基酸或脂肪酸降解为乙酸或三羧酸循环的中间物。这些降解功氨基酸或脂肪酸降解为乙酸或三羧酸循环的中间物。这些降解功能称为能称为分解代谢功能分解代谢功能(catabolic function)。)。同样,一系列降解功能的实现也需要许多有关基因的表达,其中
14、任同样,一系列降解功能的实现也需要许多有关基因的表达,其中任何一个基因的突变都会影响降解功能的实现。何一个基因的突变都会影响降解功能的实现。如如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基本(jbn)培养基中,而野生型培养基中,而野生型Lac细菌都能利用乳糖。细菌都能利用乳糖。Lac表型可表型可能是因为能是因为lacZ或或lacY基因发生突变,分别产生了基因型为基因发生突变,分别产生了基因型为lacZ或或lacY的突变型菌株。这种菌株显然亦是的突变型菌株。这种菌株显然亦是条件致死突变型条件致死突变型。第十五页,共六十八
15、页。(3)抗性突变型)抗性突变型(resistant mutants)细菌由于某基因的突变而对某些细菌由于某基因的突变而对某些噬菌体噬菌体或或抗生素抗生素产生抗性(产生抗性(resistant)。)。对噬菌体的抗性对噬菌体的抗性突变往往是以某种方式改变细菌的膜蛋白,从而某种噬突变往往是以某种方式改变细菌的膜蛋白,从而某种噬菌体不能吸附或吸附在这种突变细菌上的能力降低菌体不能吸附或吸附在这种突变细菌上的能力降低(jingd)。对抗生素产生抗性对抗生素产生抗性的突变是一个严重的公害问题,所以研究得也较的突变是一个严重的公害问题,所以研究得也较深入,而且细菌对各种抗生素的抗性机制各不相同。如对链霉素
16、抗深入,而且细菌对各种抗生素的抗性机制各不相同。如对链霉素抗性突变的细菌是由于核糖体的性突变的细菌是由于核糖体的30S亚基的亚基的S12蛋白变异,链霉素能和蛋白变异,链霉素能和敏感细菌(野生型)的敏感细菌(野生型)的S12结合,从而使翻译过程发生差错或者使结合,从而使翻译过程发生差错或者使翻译过程的启动作用失效。而抗链霉素突变型的翻译过程的启动作用失效。而抗链霉素突变型的S12不再和链霉素不再和链霉素结合,因此抗性突变细菌可以在链霉素存在的情况下,进行正常的结合,因此抗性突变细菌可以在链霉素存在的情况下,进行正常的翻译作用和正常的分裂繁殖。翻译作用和正常的分裂繁殖。第十六页,共六十八页。第十七
17、页,共六十八页。7.2.2 细菌细菌(xjn)的培养与突变型筛选的培养与突变型筛选影印培养法影印培养法第十八页,共六十八页。7.3 细菌的接合与中断细菌的接合与中断(zhngdun)杂交染色体杂交染色体作图作图细菌中,大肠杆菌(细菌中,大肠杆菌(E.coli)是最为广泛的遗传学实验材料)是最为广泛的遗传学实验材料细菌的遗传重组细菌的遗传重组(zhn z)可以通过三种途径来实现:可以通过三种途径来实现:(1)接合(接合(conjugation):细菌细胞经直接接触,把一个细菌细胞经直接接触,把一个 细胞(供体)的遗传物质传递给另一个细胞(受体),细胞(供体)的遗传物质传递给另一个细胞(受体),从
18、而实现遗传重组。接合能传递大段的从而实现遗传重组。接合能传递大段的DNADNA,在细菌的,在细菌的 遗传重组中是效率最高的遗传重组中是效率最高的。(2)转化(转化(transformation):是指游离的细菌:是指游离的细菌DNA片段片段 被吸收到不同的细菌细胞内(受体)。被吸收到不同的细菌细胞内(受体)。(3)转导(转导(transduction):是指一种细菌的:是指一种细菌的DNA片段经片段经 过温和的或经有缺陷的噬菌体传递给另一种细菌。过温和的或经有缺陷的噬菌体传递给另一种细菌。第十九页,共六十八页。7.3.1 细菌细菌(xjn)的接合的接合注意注意(zh y)实验设计的严谨实验设计
19、的严谨性性1.严格的对照严格的对照control2.多重营养缺陷型多重营养缺陷型1946年,年,Lederberg和和Tatum的实验的实验结果结果(ji gu)说明了什么?说明了什么?结果结果A+B混合培养后的菌液涂布混合培养后的菌液涂布在基本培养基上可以在基本培养基上可以1/107的频率的频率长出原养型菌落,而单独的长出原养型菌落,而单独的A和和B则不能在基本培养基上生长。则不能在基本培养基上生长。第二十页,共六十八页。1.A、B两个菌株之间发生杂交导致某种形式的遗传重组?两个菌株之间发生杂交导致某种形式的遗传重组?2.原养型菌落的出现不一定原养型菌落的出现不一定(ydng)是基因型的改变
20、,可能是培养上的是基因型的改变,可能是培养上的互补,即一些物质从一个品系的细胞中泄漏出来而被另一个品系互补,即一些物质从一个品系的细胞中泄漏出来而被另一个品系的细胞所吸收?的细胞所吸收?3.还是另一种可能,是基因型的改变,但不一定是由于两个品系间还是另一种可能,是基因型的改变,但不一定是由于两个品系间的杂交,而是一个品系的的杂交,而是一个品系的DNA片段逸出细胞后,携带着相应的基片段逸出细胞后,携带着相应的基因(如因(如met+bio+)进入另一个品系的细胞,因为这种转化作用而产)进入另一个品系的细胞,因为这种转化作用而产生了上述的原养型?生了上述的原养型?实验结果可能实验结果可能(knng)
21、的解释:的解释:第二十一页,共六十八页。澄清上述问题澄清上述问题U型管实验:型管实验:1950年年Davis:U型管实验,有力地支持了细菌菌株杂交的判断。型管实验,有力地支持了细菌菌株杂交的判断。他用一个他用一个U型管,在底部用一块过滤器隔开,把管分隔为相等的两臂。型管,在底部用一块过滤器隔开,把管分隔为相等的两臂。滤器的孔很小,细菌不能通过滤器的孔很小,细菌不能通过(tnggu),只有象,只有象DNA这样这样0.1微米的游离微米的游离分子、培养液和营养物质可以通过分子、培养液和营养物质可以通过(tnggu)。U型管两臂中分别为营养缺陷型品系型管两臂中分别为营养缺陷型品系A和和B,使它们繁殖到
22、饱和状,使它们繁殖到饱和状态,同时在态,同时在U型管的一端交替地吸和压,使两臂中的培养液充分型管的一端交替地吸和压,使两臂中的培养液充分混合,但细菌的两个品系的细胞却不会接触。在混合,但细菌的两个品系的细胞却不会接触。在U型管中培养一型管中培养一些时间后,再从两端分别取细菌进行培养,没有发现一个细菌能些时间后,再从两端分别取细菌进行培养,没有发现一个细菌能在基本培养基上生长。在基本培养基上生长。第二十二页,共六十八页。两种细胞之间的物理两种细胞之间的物理(wl)接触是接合重组的必要条件接触是接合重组的必要条件大肠杆菌大肠杆菌F和和F细胞之间细胞之间通过通过菌毛菌毛(pilus)进行接合进行接合
23、细菌的接合细菌的接合第二十三页,共六十八页。F 因子与细菌因子与细菌(xjn)的接合的接合F因子:因子:fertility factor致育因子或性因子。致育因子或性因子。是游离于细菌染色体外的是游离于细菌染色体外的闭合闭合(b h)环状环状DNA,但有时,但有时也可整合至染色体上也可整合至染色体上F细胞:细胞:含有含有(hn yu)F因子,供因子,供体体F细胞:细胞:不含不含F因子,受体因子,受体第二十四页,共六十八页。F 因子因子(ynz)的结的结构构F因子包含因子包含(bohn)3个区个区1.原点原点 origin:转移的:转移的起点起点2.致育基因致育基因:编码生成菌毛的蛋白,形成:编
24、码生成菌毛的蛋白,形成接合管接合管3.配对区配对区:与染色体多处区域:与染色体多处区域配对配对,可使,可使 F 因子整合至因子整合至染色体上染色体上第二十五页,共六十八页。高频高频(o pn)重组重组 high frequency of recombination,HfrF 与与F 之间杂交只有之间杂交只有F因子的传递,而细菌的染色体并不转移,因此尽管因子的传递,而细菌的染色体并不转移,因此尽管F因子转移频因子转移频率很高,但两者染色体之间重组频率很低,大约是每百万个细胞中发生一次重组,率很高,但两者染色体之间重组频率很低,大约是每百万个细胞中发生一次重组,因此因此F 品系称为品系称为 低频重
25、组(低频重组(low frequency recombination,Lfr)。F因子也可以整合到细菌染色体中,像这种带有一个整合的因子也可以整合到细菌染色体中,像这种带有一个整合的F 因子的品系则称因子的品系则称为为高频高频(o pn)重组(重组(high frequency recombination,Hfr),因为,因为Hfr细细胞与胞与F 细胞接合后可以将供体染色体的一部分或全部传递给细胞接合后可以将供体染色体的一部分或全部传递给F 受体受体,当供,当供体和受体的等位基因带有不同标记时,在它们之间就可以发生重组,体和受体的等位基因带有不同标记时,在它们之间就可以发生重组,重组频率可达到
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