第七章细菌遗传学优质课件.ppt
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1、第七章细菌遗传学第七章细菌遗传学ppt课件原核细胞与真核细胞的区别原核细胞与真核细胞的区别区别区别 原核细胞原核细胞 真核细胞真核细胞大小大小 110m 10100m细胞核细胞核 无核膜无核膜 有双层的核膜有双层的核膜染色体染色体 环状环状DNA分子分子 线性线性DNA分子分子 一个基因连锁群一个基因连锁群 2个以上基因连锁群个以上基因连锁群 DNA裸露或结合少量蛋白质裸露或结合少量蛋白质 DNA同组蛋白和非组蛋白结合同组蛋白和非组蛋白结合DNA序列序列 无或很少有重复序列无或很少有重复序列 有重复序列有重复序列基因表达基因表达 RNA和蛋白质在同一区间合成和蛋白质在同一区间合成 RNA在核中
2、合成和加工;在核中合成和加工;蛋白质在细胞质中合成蛋白质在细胞质中合成细胞增殖的方式细胞增殖的方式 直接分裂(无丝分裂)直接分裂(无丝分裂)以有丝分裂为主以有丝分裂为主内膜内膜 无独立的内膜无独立的内膜 有,分化成各种细胞器有,分化成各种细胞器鞭毛构成鞭毛构成 鞭毛蛋白鞭毛蛋白 微管蛋白微管蛋白核糖体核糖体 70S(50S+30S)80S(60S+40S)细胞壁细胞壁 肽聚糖、蛋白质、脂多糖、脂蛋白肽聚糖、蛋白质、脂多糖、脂蛋白 纤维素(植物细胞)纤维素(植物细胞)图细菌染色体的着膜复制图细菌染色体的着膜复制第七章第七章 细菌和噬菌体的重组和连锁细菌和噬菌体的重组和连锁连锁与交换连锁与交换,真
3、菌的遗传学分析 减数分裂减数分裂和分离的关系 交叉和重组的关系 真核类生物真核类生物的基因传递方式细菌原核生物细菌原核生物 噬菌体病毒噬菌体病毒 遗传物质如何传递的?遗传物质如何传递的?主要内容主要内容第一节第一节 细菌和病毒的一些特点细菌和病毒的一些特点第二节第二节 细菌的遗传分析(重点)细菌的遗传分析(重点)第三节第三节 噬菌体的遗传分析噬菌体的遗传分析第一节第一节 细菌和病毒的一些特点细菌和病毒的一些特点一、细菌和病毒一、细菌和病毒(一)细菌细胞(一)细菌细胞 细菌的结构细菌的结构细菌的生物学特征细菌的生物学特征 细菌是单细胞生物,完成每个世代只需细菌是单细胞生物,完成每个世代只需20分
4、钟,而且容易得到它的生化突变型,它分钟,而且容易得到它的生化突变型,它不仅在医学上和农业上重要,而且从进化不仅在医学上和农业上重要,而且从进化角度上也是异常成功的,因为它占据地球角度上也是异常成功的,因为它占据地球上大部分的角落。上大部分的角落。研究细菌遗传的方法主要是对细菌菌落形研究细菌遗传的方法主要是对细菌菌落形态的遗传研究态的遗传研究(如图,霉菌菌落如图,霉菌菌落)霉菌菌落霉菌菌落大肠杆菌(E.coli)细菌的生物学特征 原则上说,培养皿中每个细菌长成的菌落应原则上说,培养皿中每个细菌长成的菌落应具有共同的遗传组成,但是由于偶然发生的具有共同的遗传组成,但是由于偶然发生的突变形态性状的突
5、变,生理特性的突变或抗突变形态性状的突变,生理特性的突变或抗性的突变,而使这些突变后的细菌所形成的性的突变,而使这些突变后的细菌所形成的菌落与其他的菌落有所不同。菌落与其他的菌落有所不同。菌落形态性状的突变包括菌落的形状、颜色菌落形态性状的突变包括菌落的形状、颜色和大小等。和大小等。生理特性的突变包括丧失合成某种营养物质生理特性的突变包括丧失合成某种营养物质能力的营养缺陷型。能力的营养缺陷型。抗性突变包括抗药性或抗感染性。抗性突变包括抗药性或抗感染性。一、细菌和病毒一、细菌和病毒(二)病毒(二)病毒 非细胞形态的生命非细胞形态的生命 病毒的生物学特征病毒的生物学特征病毒是比细菌更为简单的生物,
6、它们也只病毒是比细菌更为简单的生物,它们也只有一条染色体,即单倍体。有些病毒的有一条染色体,即单倍体。有些病毒的染色体是染色体是DNA,还有一些病毒是,还有一些病毒是RNA。病毒的生物学特征病毒的生物学特征 病毒主要是由蛋白质外壳及其包被的病毒主要是由蛋白质外壳及其包被的y一种核酸所组成的颗粒。病毒可根据一种核酸所组成的颗粒。病毒可根据宿主宿主(动物、植物、细菌动物、植物、细菌)或遗传物质或遗传物质(DNA或或RNA)来分类。细菌病毒来分类。细菌病毒(Bacterial phage),称为噬菌体,称为噬菌体(phage),是目前经过广泛研究,了解比较清楚是目前经过广泛研究,了解比较清楚的一种病
7、毒。的一种病毒。细菌病毒细菌病毒(Bacterial phage)噬菌体噬菌体(phage)的结构的结构头部头部颈部颈部外鞘外鞘尾丝尾丝T4噬菌体疱疱疹疹病病毒毒 coli K12菌株的基因组P22的遗传信息可以整合到宿主的染色体中。F 品系转变成Hfr品系的频率要高于F品系。营养缺陷型的筛选、鉴定利用F因子形成部分二倍体的过程,称为性导。野生型的出现是由于营养上的互补还是由于杂交引起了遗传物质的交换?1950年戴维斯(B.当Hfr F接合时,F细菌很少转变成Hfr,这是因为当Hfr与F 接合时,整合的FDNA从一端被内切酶切成单链切口,细菌染色体由这一小段单链的F因子作为前导转移到F受体,一
8、边进入一边合成,在大多数情况下,只有一小部分细菌染色体转移,接合即出现中断,受体细胞仍保持为F,因为F因子仍留在供体内。不同抗原型是遗传的、稳定的,一般情况下不发生互变。以大肠杆菌为例,F因子能够以三种状态存在(5)便于研究基因表达调节。以后的研究工作表明,这种过滤性因子是噬菌体P22。2、杂交都要通过接合管和受体菌相联接。A 接合现象的发现和证实总噬菌斑数这种处于整合状态的噬菌体DNA称为原噬菌体。F-lac-ade-四、噬菌体的遗传重组(P237)F-lac-ade-如果两个噬菌体属于不同品系,它们之间可以发生遗传物质的部分交换(重组)。Coil品系1、品系2共培养,透明噬菌斑人类天花人类
9、天花病毒病毒(图中深染图中深染的颗粒)的颗粒)病毒衣壳的排列方式病毒衣壳的排列方式二、细菌和病毒是遗传学研究的好材料二、细菌和病毒是遗传学研究的好材料(1)结构简单。繁殖力强,世代时间短,容易)结构简单。繁殖力强,世代时间短,容易人工培养。便于研究基因的作用;人工培养。便于研究基因的作用;(2)容易筛选营养缺陷型)容易筛选营养缺陷型,研究基因的作用研究基因的作用(突变型生长条件与基因作用突变型生长条件与基因作用)。(3)便于研究基因的突变)便于研究基因的突变,容易筛选不同的突容易筛选不同的突变型。变型。(4)便于研究基因精细结构研究基因的重组)便于研究基因精细结构研究基因的重组(重组群体大、选
10、择方法简便有效重组群体大、选择方法简便有效)。(5)便于研究基因表达调节。)便于研究基因表达调节。遗传物质比较简单,可作为研究高等生物遗传物质比较简单,可作为研究高等生物的简单模型的简单模型二、细菌和病毒是遗传学研究的好材料二、细菌和病毒是遗传学研究的好材料 同时微生物的应用领域日益扩大、成就突出同时微生物的应用领域日益扩大、成就突出(微生物工程微生物工程);在遗传工程;在遗传工程(包括动植物包括动植物)中,中,作为重要研究材料、工具,也具有决定性作作为重要研究材料、工具,也具有决定性作用。用。细菌和病毒作为遗传研究材料具有独特优势,细菌和病毒作为遗传研究材料具有独特优势,了解微生物遗传研究有
11、助于理解多年来分子了解微生物遗传研究有助于理解多年来分子生物学、分子遗传学理论发展。生物学、分子遗传学理论发展。细菌和病毒的拟有性过程细菌和病毒的拟有性过程 虽然细菌和病毒不具备象真核生物配子虽然细菌和病毒不具备象真核生物配子进行融合的有性过程,但它们的遗传物进行融合的有性过程,但它们的遗传物质也能从一个细胞传递到另一个细胞,质也能从一个细胞传递到另一个细胞,并且也能形成重组体。并且也能形成重组体。无性生殖无性生殖 1946年莱德伯格和塔特姆年莱德伯格和塔特姆 发现在细菌之发现在细菌之间可以通过接合转移遗传物质(有性过间可以通过接合转移遗传物质(有性过程)。程)。细菌和病毒的拟有性过程细菌和病
12、毒的拟有性过程 细菌获取外源遗传物质有四种不同的方细菌获取外源遗传物质有四种不同的方式转化,接合,性导和转导。当一个细式转化,接合,性导和转导。当一个细菌被一个以上的病毒粒子所侵染时,噬菌被一个以上的病毒粒子所侵染时,噬菌体也能在细菌体内交换遗传物质。如菌体也能在细菌体内交换遗传物质。如果两个噬菌体属于不同品系,它们之间果两个噬菌体属于不同品系,它们之间可以发生遗传物质的部分交换可以发生遗传物质的部分交换(重组重组)。下面将叙述细菌和噬菌体遗传物质的交下面将叙述细菌和噬菌体遗传物质的交换过程,并且将利用这些方法作出细菌换过程,并且将利用这些方法作出细菌和噬菌体的染色体图。和噬菌体的染色体图。三
13、、细菌遗传的实验研究方法三、细菌遗传的实验研究方法*(一一)细胞计数细胞计数(培养物细胞浓度培养物细胞浓度)(二二)建立纯系的方法建立纯系的方法(三三)选择培养法鉴定突变型与重组型选择培养法鉴定突变型与重组型(四四)突变型与重组型的批量筛选方法突变型与重组型的批量筛选方法细菌培养细菌培养(一一)细胞计数细胞计数(培养物细胞浓度培养物细胞浓度)培养物中微生物计数方法是微生物学的基本实培养物中微生物计数方法是微生物学的基本实验技术,其基本思路是验技术,其基本思路是 对原培养物进行连续稀释;对原培养物进行连续稀释;进行平板涂抹培养;进行平板涂抹培养;由于每个细胞形成一个菌落,计数菌落数;由于每个细胞
14、形成一个菌落,计数菌落数;根据稀释倍数计算原培养物中的细胞浓度。根据稀释倍数计算原培养物中的细胞浓度。细胞计数细胞计数(培养物细胞浓度培养物细胞浓度)(二二)建立纯系的方法建立纯系的方法纯培养纯培养 挑取由单个细胞繁殖而来的菌落进行培挑取由单个细胞繁殖而来的菌落进行培养就可以获得由一个细胞繁殖而来的纯养就可以获得由一个细胞繁殖而来的纯系。系。通常采用平板表面涂布法或划线法可以通常采用平板表面涂布法或划线法可以获得单菌落。这种方法获得的纯系,称获得单菌落。这种方法获得的纯系,称为为“菌种纯菌种纯”。有时采用显微操纵器进行菌丝尖端切割有时采用显微操纵器进行菌丝尖端切割等方法从单个细胞直接培养建立纯
15、系。等方法从单个细胞直接培养建立纯系。采用这种方法获得的纯系称为采用这种方法获得的纯系称为“菌株菌株纯纯”。建立纯系的方法建立纯系的方法纯培养纯培养(三三)选择培养法鉴定突变型与重组型选择培养法鉴定突变型与重组型 许多细菌的突变都与培养基营养成分及培养许多细菌的突变都与培养基营养成分及培养条件有关。条件有关。营养缺陷型的筛选、鉴定营养缺陷型的筛选、鉴定 选择培养法是根据菌株在基本培养基和营养选择培养法是根据菌株在基本培养基和营养培养基上的生长表现将菌株分为原养型培养基上的生长表现将菌株分为原养型(也称也称为原生营养型为原生营养型)与营养缺陷型与营养缺陷型(在基本培养基上在基本培养基上不能正常生
16、长,只能在相应的营养培养基上不能正常生长,只能在相应的营养培养基上生长生长)。营养突变型的筛选、鉴定方法与红色面包霉营养突变型的筛选、鉴定方法与红色面包霉生化突变型的鉴定方法基本一致。生化突变型的鉴定方法基本一致。意味着两个亲本在杂交中有供体和受体之分,相当于雄性和雌性。不同抗原型是遗传的、稳定的,一般情况下不发生互变。第一节 细菌和病毒的一些特点图 高频转导Hfr x FP22侵染细菌后,细菌染色体断裂成片段,在形成噬菌体颗粒时,偶尔错误地把细菌染色体片段包装在噬菌体蛋白质外壳内,其中并不包含有噬菌体的遗传物质,这种假噬菌体称为转导颗粒。建立纯系的方法纯培养B品系met bio thi le
17、u thr第一节 细菌和病毒的一些特点研究细菌遗传的方法主要是对细菌菌落形态的遗传研究(如图,霉菌菌落)共转导中,基本培养基上正常箘落与小菌落之比110该现象称为流产转导。由于ade进入F细胞的顺序较lac为晚,因此只要ade进入F细胞,lac自然也已经进入。三、细菌遗传的实验研究方法*A map of the E.细菌在培养条件下也能够实现遗传类型间的定向转化。Hfr lac+ade+Hfr菌株的基因型是strs azir tonAr galb+lac+根据大肠杆菌接合实验的研究,利用中断杂交,基因重组等方法已绘制出大肠杆菌K12的环状遗传图。当F因子复制完成后,F变成F+(图)。四、噬菌体
18、的遗传重组(P237)以后一些研究者重复上述试验,并且加入了体外培养试验,即将加热杀死的SIII细菌与无毒RII细菌混合培养,然后注入小家鼠体内,同样导致家鼠死亡。遗传物质从供体(donor)(“雄性”)转移到受体(receptor)(“雌性”)的重组过程。(三三)选择培养法鉴定突变型与重组型选择培养法鉴定突变型与重组型 许多细菌的突变都与培养基营养成许多细菌的突变都与培养基营养成分及培养条件有关。分及培养条件有关。其它突变类型的筛选、鉴定其它突变类型的筛选、鉴定 对于其它的突变类型对于其它的突变类型(如温度敏感型如温度敏感型),也可以通过培养条件的选择培养来也可以通过培养条件的选择培养来筛选
19、与鉴定。筛选与鉴定。(四四)突变型与重组型的批量筛选方法突变型与重组型的批量筛选方法 选择培养法一次可鉴定、筛选一种突选择培养法一次可鉴定、筛选一种突变型,但要检测分离含有多种突变型变型,但要检测分离含有多种突变型的混和菌株,仅采用选择培养法要进的混和菌株,仅采用选择培养法要进行多次试验才能够达到目的、效率太行多次试验才能够达到目的、效率太低。低。高效检测、分离混和群体用影印培养高效检测、分离混和群体用影印培养法法(四四)突变型与重组型的批量筛选方法突变型与重组型的批量筛选方法 为高效检测、分离混和群体中不同突变为高效检测、分离混和群体中不同突变型,黎德伯格夫妇设计了影印培养法。型,黎德伯格夫
20、妇设计了影印培养法。该方法原理与选择培养法一致,但是该方法原理与选择培养法一致,但是采用影印法将在完全培养基上单菌落采用影印法将在完全培养基上单菌落同时接种到不同选择培养基上同时对同时接种到不同选择培养基上同时对所有菌落进行选择培养,鉴定效率大所有菌落进行选择培养,鉴定效率大大提高。大提高。(四四)突变型与重组型的批量筛选方法突变型与重组型的批量筛选方法 注意注意(1)最初的培养基必须是非选择性的,最初的培养基必须是非选择性的,即各种突变型都能够在其上生长;即各种突变型都能够在其上生长;(2)必须采用适当的方法如涂布或划线必须采用适当的方法如涂布或划线法,以使培养物菌落之间要分开。法,以使培养
21、物菌落之间要分开。第二节第二节 细菌的遗传重组细菌的遗传重组 1 1、接合是指通过细胞的直接接触,接合是指通过细胞的直接接触,遗传信息从供体单向转移到受体的过程。遗传信息从供体单向转移到受体的过程。2 2、性导是指接合时由性导是指接合时由FF因子所携因子所携带的外源带的外源DNADNA整合到细菌染色体的过程。整合到细菌染色体的过程。3 3、转化某一基因型的细胞从周围转化某一基因型的细胞从周围介质中吸收来自另一基因型的介质中吸收来自另一基因型的DNADNA而使它而使它的基因型和表现型发生相应变化的现象。的基因型和表现型发生相应变化的现象。转导是指以噬菌体为媒介所进行的细转导是指以噬菌体为媒介所进
22、行的细菌遗传物质的重组过程。菌遗传物质的重组过程。第二节第二节 细菌的遗传分析细菌的遗传分析一、细菌染色体一、细菌染色体 细菌染色体大多为裸露细菌染色体大多为裸露 的环状的环状 闭合闭合DNADNA双链,没有组蛋白和其他蛋双链,没有组蛋白和其他蛋白质结合,也不形成核小体结构。白质结合,也不形成核小体结构。(这种结构有利于外源(这种结构有利于外源DNADNA的插入。)的插入。)细菌染色体细菌染色体 1000um 1000um 细菌直径细菌直径0.55um0.55um图大肠杆菌染色体的基本结构特征图大肠杆菌染色体的基本结构特征二、二、E.coliE.coli基因组概况基因组概况 E.coli的染色
23、体为闭合双链环状DNA,长约1333um.20012001年年1010月月1515日完成了日完成了E.coli K12E.coli K12菌菌株的基因组全序列测定。株的基因组全序列测定。总共4639221 bp,4279个蛋白质编码基因,115个编码rRNA和tRNA的基因。(GenBank编号:U00096)三、细菌的杂交三、细菌的杂交接接 合合 A A 接合现象的发现和证实接合现象的发现和证实B FB F因子及其在杂交中的行为因子及其在杂交中的行为C C 中断杂交试验作图中断杂交试验作图三、细菌的杂交三、细菌的杂交A A 接合现象的发现和证实接合现象的发现和证实 1946年莱德伯格年莱德伯
24、格(Lederberg,J.)和塔特姆和塔特姆(Tatum)发现在细菌之间可以通过接合发现在细菌之间可以通过接合(conjugation)转移遗传物质。)转移遗传物质。细菌接合细菌接合 是指通过细胞的直接接触,遗传信是指通过细胞的直接接触,遗传信息从供体单向转移到受体的过程。息从供体单向转移到受体的过程。三、细菌的杂交三、细菌的杂交A 接合现象的发现和证实接合现象的发现和证实他们选用两个他们选用两个E.coli K12多重突变品系多重突变品系A甲硫氨酸缺陷型甲硫氨酸缺陷型met和生物素缺陷型和生物素缺陷型bioB苏氨酸缺陷型苏氨酸缺陷型thr和亮氨酸缺陷型和亮氨酸缺陷型leu A品系品系met
25、 bio thi leu thr(硫胺素)硫胺素)B品系品系met bio thi leu thr然而Hfr 菌上的F因子偶然环出时不够准确,从染色体上不精确解离,带有了细菌染色体的基因,这种带有了染色体基因的F因子称为F(Fprime)因子。F因子可以在细菌细胞间进行转移并传递遗传物质。两品系间发生了转化作用;(2)必须采用适当的方法如涂布或划线法,以使培养物菌落之间要分开。菌落形态性状的突变包括菌落的形状、颜色和大小等。1、感受态与感受态因子总噬菌斑数a b c根据大肠杆菌接合实验的研究,利用中断杂交,基因重组等方法已绘制出大肠杆菌K12的环状遗传图。接合(conjugation)根据大肠
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