细菌和病毒物质交换拟有性过程分为哪几类?
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发布时间：2022-04-22 18:16
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时间：2023-07-13 23:30
细菌和病毒的遗传
原核生物与真核生物的染色体不同，繁殖方式不同，基因重组方式不同
细菌属于原核生物，不进行典型的有丝*和减数*，因此，其染色体传递和重组方式 与真核生物不尽相同。病毒甚至不进行*，它在宿主细胞内以集团形式产生。细菌和病毒的 遗传分析对整个遗传学，特别是对于分子遗传学的发展具有重大作用
一、细菌和病毒遗传研究的意义
遗传学研究从细胞水平推进到分子水平，是由于两大发展： （1）对基因的化学和物理结构的了解日益深入 （2）研究材料采用了新的生物类型--细菌和病毒 1、细菌的特点及培养技术 所有细菌都是比较小的单细胞，大约 12μ m 长，0.5μ m 宽 大肠杆菌(E.coli)在细菌遗传 学研究中应用十分广泛 ,其染色体为一条环状的裸露 DNA 分子。其细胞里通常还具有一个或 多个小的染色体-质粒 研究细菌遗传的方法--平板培养： 细菌菌落的表现型： 原养型（野生型） 形态性状：菌落形状、颜色、大小 突变型 生理特性：营养缺陷型 抗性-抗药或抗感染 为了测定所发生的突变，Lederberg 设计了影印培养法 2、病毒的特点及种类 病毒没有细胞结构，既不属于原核生物，也不属于真核生物。 病毒结构十分简单，仅含 DNA 或 RNA 和一个蛋白质外壳，没有合成蛋白质外壳所必须的核糖体。所以，病毒必须感染 活细胞，改变和利用活细胞的代谢合成机器，才能合成新的病毒后代。感染细菌的病毒叫噬菌 体，是目前了解比较清楚的病毒，有：单链 DNA、单链 RNA、双链 DNA 和双链 RNA 等四种 类型 3、细菌和病毒在遗传研究中的优越性
(1) (2) (3) (4) (5) (6)
世代周期短。大肠杆菌每 20 分钟可繁殖一代，病毒每小时可繁殖数百个后代 易于管理和进行化学分析 遗传物质简单，便于研究基因的结构和功能 便于研究基因的突变和重组 可用作研究高等生物的简单模型 便于进行遗传操作
4、细菌和病毒的拟有性过程 细菌获取外源遗传物质的四种方式： 转化(transformation) 接合(conjugation) 性导(sexction) 转导(transction) 当不同的病毒颗粒同时侵染一个细菌时，它们能够在细菌体内交换遗传物质，并形成重组 体
二、噬菌体的遗传分析
1、噬菌体的结构 遗传学上应用最广泛的是大肠杆菌的 T 噬菌体系列(T1 到 T7)。其结构大同小异，呈蝌蚪 状。T 偶列噬菌体结构 （1）烈性噬菌体 （2）温和性噬菌体 温和性噬菌体具有溶源性的生活周期，即在噬菌体侵入后，细菌并不裂解，以两种形式出 现，如λ 和 P1 2、噬菌体的基因重组与作图 噬菌斑形态：正常 r+：小、边缘模糊 突变 r-：大、边缘清楚 宿主范围：感染和裂解的
菌株不同 正常 h+：B 株 突变 h-： B 株 或 B/2 株
噬菌体性状
由于 h–和 h+均能感染 B 株，用 T2 的两亲本 h–r+和 h+r–同时感染 B 株，称为双重感染 h-r+ × h+r↓B 株
h-r- h+r+ ↓ 接种在同时长有 B 株及 B/2 株的培养基上 h-r+：透明、小 h+r-：半透明、大 重组型噬菌斑 h-r-：透明、大 h+r+：半透明、小 亲型噬菌斑 重组型噬菌斑 重组值= ------------------------- × 100% 总噬菌斑
h-r+
h+r-
h+r+ + h-r= ------------------------------- ×100% h-r+ + h+r- + h-r- + h+r+ ra–h+ ra+h– → 24% rb–h+ rb+h– → 12.3% rc–h+ rc+h– → 1.6% 分别作出 ra、rb、rc 与 h 的连锁图： ra 24 rb h 12.3 h rc1.6 h
× ra rb rc h √ ra rb h rc √ ra rc h rb × ra h rc rb 为了确定基因排列顺序，可先只考虑 rb、rc 及 h 来确定是 rchrb 还是 hrcrb 为此作： rb+rc- × rb-rc+ ↓ 重组值约 14% 可知 h 应位于 rb 及 rc 之间，又因为 T2 噬菌体的连锁图是环状的，故：
h rc
rb ra
三、细菌的遗传分析
一个细菌 DNA 与另一个细菌 DNA 的交换重组可以通过四种方式实现： 转化、接合、性 导、转导 1、转化 转化：某些细菌(或其他生物)通过其细胞膜摄取周围供体的染色体片段，并将此外源 DNA 片段通过重组整合到自己染色体组的过程 转化首先是 Griffith(1928)在肺炎双球菌中发现的 杀死 SⅢ片段 RⅡ→→→→→→→→→ SⅢ Avery(1944)等研究证实，转化因子是 DNA。这个极其重要的发现，不仅证实遗传物质是 DNA，而且表明转化是细菌交换基因的方式之一 1、转化机制 （1）供体 DNA 与受体细胞间最初相互作用 影响因素包括： ① 转化片段大小:肺炎双球菌的成功转化，转化 DNA 片段至少要有 800bp，枯草杆菌最 少需要 16000bp ② 转化片段形态:转化片段必须是双链 ③ 转化片段浓度：每个细胞摄取的 DNA 分子数不超过 10 个 ④ 受体细胞生理状态:感受态 （2）转化过程 ① 结合 ② 穿入 ③ 联会 ④ 整合，整合或 DNA 重组对同源 DNA 具有特异性 2、和基因重组作图 当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 受体染色体中。因此，紧密连锁的基因可以通过转化进行作图。如： trp2+ his2+ tyr1+×trp2 his2 tyr1 ↓ 重组型数 Trp2-his2 重组值 = ---------------------------- ×100% 亲型数+重组型数
Trp2-his2 → 0.34 Trp2-tyr1 → 0.40 His2-tyr1 → 0.13 trp2 his2 tyr1 ∣←──34─→ ∣←───13──∣ ∣←─────40──────→ ∣ 2、接合 接合：在原核生物中，是指遗传物质从供体-“雄性”转移到受体-“雌性”的过程 1946 年，Lederberg 和 Tatum 发现 E.coli 细胞之间通过接合可以交换遗传物质。他们选择 了两个不同营养缺陷型的 E.coli 菌株 发现长
出了一些原养型的菌落。 这种原养型细胞的出现是由于转化还是由于细胞与细胞直 接接触而发生的遗传物质交换和重组？为了解答这个问题，Davis(1950)设计了 U 型管实验 在任何一臂内都没有出现原养型细菌。这说明两个菌株间的直接接触--接合，是原养型细 胞出现的必要条件 Hayes（1952)试验证明，在接合过程中遗传物质的交换是一种单向的转移： 供体（雄性）→ 受体（雌性） （1）F 因子 Hayes 和 Cavalli-Sforza（1953)发现，供体有一个性因子即致育因子--F 因子，由 DNA 组 成，是染色体外的遗传物质 E.coliF 因子存在状态有三种类型： ① 没有 F 因子，即 F– ② 自主状态的 F 因子，即 F+ ③ 整合的 F 因子，即 Hfr （2）接合过程 F+×F↓ + F → F+ F- → F+ F 因子偶然地(10000 个 F+细胞中有一个)能整合到细菌染色体中去，就可能引起染色体的 转移
Hfr×F↓ Hfr → Hfr F- → F接合开始，F 因子仅有一部分进入 F–细胞，剩下部分基因只有等到细菌染色体全部进入到 F–细胞之后才能进入，然而转移过程常常中断 受体细胞常常只接受部分的供体染色体，这些染色体称为供体外基因子，而受体的完整染 色体则称为受体内基因子，这样的细菌称为部分二倍体或部分合子、半合子 （3）中断杂交试验及染色体作图 为了证明接合时遗传物质从供体到受体细胞的转移是直线式进行的，1957 年 Wollman 和 Jacob 设计了一个著名的中断杂交试验 Hfr：thr+leu+lac+gal+azistonsstrs F- ：thr-leu-lac-gal-aziRtonRstrR 每隔一定时间取样，放在食物搅拌器内搅拌 培养在含 str 的完全培养基上， Hfr 被杀死 用影印培养法测试形成的 F-菌落的基因型，确定每个基因转入 F-的顺序（时间） 根据基因转入 F-的时间，进行细菌染色体作图
thr O 8
leu 8.5
azi 9
ton 11
lac 18
ga 25
F min
根据中断杂交实验作出的大肠杆菌连锁图 用不同的 Hfr 菌株进行中断杂交实验，基因转移的原点(O)和转移的方向不同，说明 F 因 子和细菌染色体都是环状的
如果两个基因间的转移时间小于 2 min，用中断杂交法所得的图距不太可靠，应采用传统 的重组作图法。 lac+ade+ 基本培养基 lac+ ade– lac–ade– lac-ade+ 完全培养基- ade lac-ade+ 重组频率= ------------------------------- ×100% = 22% lac+ade+ + lac-ade+ 这两个位点间的时间单位约为 1min→ 20%重组率 大肠杆菌的环状连锁图。图距用 min 表示，总长为 100 min 3、性导 性导：指接合时由 F´因子所携带的外源 DNA 转移到细菌染色体的过程 F 因子整合到宿主细菌染色体的过程是可逆的，当发生环出时偶然不够准确，携带有染色 体的一些基因，称这种 F 因子为 F´因子 F´因子特点：
（1）以极高的比率
转移它的基因 （2）有极高的自然整合率，而且整合在一定的座位上，因为它有与细菌染色体的同源区 段 性导作用： （1）确定等位基因的显隐性关系 （2）利用并发性导进行细菌染色体作图 （3）性导形成的部分二倍体也可用作互补测验，确定两个突变型是同属于一个基因还是 不同基因 4、转导 转导：指以噬菌体为媒介所进行的细菌遗传物质重组的过程 （1）普遍性转导 转导噬菌体可以转移细菌染色体组的任何不同部分的转导 Zinder 和 Lederberg（1952)首先在鼠伤寒沙门氏菌中发现转导现象 phetrptyr × methis ↓ 在基本培养基上发现原养型的菌落 可能性：(1) 接合 (2) 转化 (3) ？ U 型管试验： （1）将上述两种菌株分别放在戴维斯 U 型管的两臂内，中间用玻璃滤板隔开，以防止细 胞直接接触，但允许比细菌小的物质通过，获得了野生型重组体，说明不是接合 （2）这种重组是通过一种过滤性因子(FA)而实现的。FA 不受 DNA 酶的影响，说明不是 转化 （3）进一步研究证明，FA 是一种噬菌体，称为 P22（用抗 P22 血清处理后失活） 两个基因同在一起转导就是合转导或叫并发转导 合转导的频率愈高，表明两个基因 在染色体上的距离愈近，连锁愈密 切；相反，如果 两个基因的合转导 频率很低，就说明它们之间距离较远 因此，测定两基因的合转导频率就可以确定基因之间的次序和距离 两因子转导：通过观察两个基因的转导，计算并比较每两个基因之间的合转导频率，就可
以确定三个或三个以上基因在染色体上的排列顺序 例如：a 基因和 b 基因的合转导频率很高，a 和 c 基因的合转导频率也很高，而 b 和 c 很 少或完全不在一起转导，这三个基因的次序就应为：bac 三因子转导：只需分析一个实验的结果就可以推出 3 个基因的次序 例如：供体大肠杆菌具有基因型 a+b+c+，受体的基因型为 abc。 最少的一类转导体应代表最难于转导的情况，这种转导体是同时发生交换次数最多的一 类，这种转导体的两边应为供体基因，而中间为受体基因，如为 a+bc+ ，则正确次序就应为 abc。假定由实验得到的最少的转导体类别为 a+b+c，则可以确定，这 3 个基因的正确次序应当 是 acb 或 bca
利用并发转导进行细菌基因重组作图 P1 侵染带 leu+ thr+aziR E.coli 用转导颗粒 P1 再侵染带 leu- thr- azis E.coli
将受体细菌特定培养：培养在一种可选择 1-2 个标记基因而不选择其余标记基因的培养基 上 如果把三个基因中每两个基因的合转导频率算出来， 还可根据这一频率推算出三个基因之 间的物理距离： d =L(13
X
)
d=同一染色体上两基因之间的物理距离
L=转导 DNA
的平均长度 X=两个基因合转导的频率 （2）特殊性转导 特殊性转导或局限性转导：指一些温和性噬菌体只能转导细菌染色体基因组的某些基因 多数噬菌体当整合在细菌染色体中时都占有一个特定的位置 形成特殊性转导颗粒，这种颗粒 能把细菌的基因由一个细胞转移到另一个细胞
