【正文】 第七章 細(xì)菌的遺傳分析 第一節(jié) 細(xì)菌的細(xì)胞和基因組 第二節(jié) 大腸桿菌的突變型及其篩選 第三節(jié) 細(xì)菌的接合與染色體轉(zhuǎn)移 第四節(jié) 中斷雜交與重組作圖 第五節(jié) F’ 因子 與性導(dǎo) 第六節(jié) 細(xì)菌的轉(zhuǎn)化與轉(zhuǎn)導(dǎo)作圖 第七節(jié) 一個基因一種酶 第一節(jié) 細(xì)菌的細(xì)胞和基因組 1. 細(xì)菌的細(xì)胞 細(xì)菌 包括 真細(xì)菌 和 古細(xì)菌 。 真細(xì)菌主要包括細(xì)菌、放線菌、藍(lán)細(xì)菌、 支原體、立克次氏體、衣原體等。這些細(xì)菌以多種形態(tài)存在，基本形態(tài)為 球形、桿狀和螺旋狀。 球菌球菌 桿菌桿菌螺旋菌螺旋菌 細(xì)菌的大小隨種類不同而異，量度細(xì)菌的大小的單位是微米（ um）。 通常，球菌：直徑 ； 桿菌：寬 長 15um； 螺菌：寬、長、螺距。 細(xì)菌是結(jié)構(gòu)簡單的單細(xì)胞生物，基本結(jié)構(gòu)包括細(xì)胞壁、細(xì)胞膜、擬核、 核糖體、細(xì)胞質(zhì)及內(nèi)含物；特殊結(jié)構(gòu)有莢膜和鞭毛等。 細(xì)菌細(xì)胞很小，不便于操作。遺傳學(xué)很少研究單個細(xì)菌細(xì)胞，而是研究細(xì)菌細(xì)胞的群體。 將來源于一個培養(yǎng)物的稀釋樣品進(jìn)行平板接種后，每個細(xì)菌細(xì)胞都會進(jìn)行繁殖形成肉眼可見的細(xì)胞群，即菌落或克隆。 大腸桿菌的細(xì)胞和菌落 （ a）大腸桿菌掃描電鏡照片 （ b）兩個子細(xì)胞的電鏡照片 （ c）大腸桿菌的菌落 第一節(jié) 細(xì)菌的細(xì)胞和基因組 細(xì)菌 不通過有性方式繁殖，細(xì)菌染色體不凝縮，沒有著絲粒，也沒有 紡錘體結(jié)構(gòu)。 細(xì)菌繁殖： 雙鏈環(huán)形 DNA 分子隨著細(xì)胞伸長而采取二分分裂的方式 分開。 細(xì)菌染色體的復(fù)制和細(xì)胞分裂 （ a）大腸桿菌釋放染色體的電鏡照片（ b）細(xì)胞分裂時(shí)染色體的復(fù)制和分布 第一節(jié) 細(xì)菌的細(xì)胞和基因組 2. 細(xì)菌的基因組 細(xì)菌細(xì)胞的大部分遺傳信息位于一條環(huán)狀的雙鏈 DNA 分子上，這個 DNA分子一般被稱為細(xì)菌的染色體，存在于細(xì)胞內(nèi)一個稱為“擬核”的區(qū)域中。這種結(jié)構(gòu)有利于外源 DNA 的插入。細(xì)菌的染色體長度為 250 35,000 um 不等。 第一節(jié) 細(xì)菌的細(xì)胞和基因組 （ 1）擬核結(jié)構(gòu) 電鏡觀察表明：擬核結(jié)構(gòu)最顯著的特征是其 DNA被包裹壓縮成一個個 有序的環(huán)狀結(jié)構(gòu)域（ loop domain）。 大腸桿菌基因組長 106 bp，在松弛狀況時(shí)長 1,300 um，是其細(xì)胞 長度的 1,000 倍，必須壓縮最少 1,000 倍后才能裝入細(xì)胞中。 大腸桿菌染色體超螺旋折疊的結(jié)構(gòu) 第一節(jié) 細(xì)菌的細(xì)胞和基因組 （ 2）大腸桿菌基因組概況 大腸桿菌的染色體為閉合雙鏈環(huán)狀 DNA，長約 1,333 um。 1997 年測定完成大腸桿菌 K12 MG1655 菌株全基因組 : 4,639,221（約 106 ） bp 其中： ％ 編碼蛋白質(zhì)； ％ 編碼穩(wěn)定性 RNA； %無編碼功能的重復(fù)序列； 11％ 屬于調(diào)節(jié)序列或具有其它功能。 編碼蛋白質(zhì)序列中總共編碼 4288 種已知和未知的蛋白質(zhì)（可讀框）， 其中約 38％ 功能不明。 在 K12 MG1655 菌株中，基因的平均長度為 950 bp,基因之間的平均 間隔約為 118 bp，但是菌株之間可能會有很大的差別。 第一節(jié) 細(xì)菌的細(xì)胞和基因組 2022 年報(bào)道了第二個菌株 K12 W3110 基因組的完整序列。比較 K12 MG1655 菌株和 K12 W3110 菌株，發(fā)現(xiàn)兩者基因組大小并不是一致的。 K12 W3110 基因組大小為 4,646,332bp，基因總數(shù)為 4,464個。 K12 W3110 與 K12 MG1655 兩者相同的基因?yàn)? 4,453個。 ? 第一節(jié) 細(xì)菌的細(xì)胞和基因組 第二節(jié) 大腸桿菌的突變型及其篩選 1. 大腸桿菌的突變類型 （ 1） 合成代謝功能的突變型 野生型品系在基本培養(yǎng)基上具有合成所有代謝和生長所必需的復(fù)雜有 機(jī)物的功能，這稱為合成代謝功能，這需要大量基因的正常表達(dá)。 （ 2） 分解代謝功能的突變型 野生型大腸桿菌能使復(fù)雜的糖類轉(zhuǎn)化成葡萄糖或其他簡單的糖類，也 能將其他復(fù)雜分子轉(zhuǎn)變?yōu)楸阌诶玫母〉闹虚g物，這些降解功能稱為分 解代謝功能。 如果其中任何一個必需的基因發(fā)生了突變都不能進(jìn)行一個特定的生化 反應(yīng)，從而阻礙整個合成代謝功能的實(shí)現(xiàn)，這種突變型稱為營養(yǎng)缺陷型。 它們多是條件致死突變，因?yàn)槟芡ㄟ^在基本培養(yǎng)基中添加所需的有機(jī)成分 使具有這種突變的細(xì)菌存活。 同樣，一系列降解功能的實(shí)現(xiàn)也需要許多有關(guān)基因的表達(dá)，其中任何 一個基因的突變都會影響降解功能的實(shí)現(xiàn)。 例如： Lac— 突變型不能分解乳糖，因此就不能生長在以乳糖為唯一 碳源的基本培養(yǎng)基中，而野生型 Lac+ 細(xì)菌都能利用乳糖。 Lac— 表型可能 是因?yàn)? lac Z+ 或 lac Y+ 基因發(fā)生突變， 分別產(chǎn)生了基因型 lac Z— 或 lac Y— 的突變型菌株。這種菌株顯然也是條件致死突變型。 （ 3）抗性突變型 細(xì)菌由于某基因的突變而對某些噬菌體或抗生素產(chǎn)生抗性，對噬菌體 的抗性突變往往是以某種方式改變細(xì)菌的膜蛋白，從而某種噬菌體不能吸 附或吸附在這種突變細(xì)菌上的能力降低。裂繁殖。 細(xì)菌對各種抗生素的抗性機(jī)制各不相同。如對鏈霉素抗性突變的細(xì)菌是由于核糖體的 30S亞基的 S12蛋白變異，鏈霉素能和敏感細(xì)菌（野生型）的 S12 結(jié)合，從而使翻譯過程發(fā)生差錯或者使翻譯過程的啟動作用失效。 而抗鏈霉素突變型的 S12 不再和鏈霉素結(jié)合，因此抗性突變細(xì)菌可以 在鏈霉素存在的情況下，進(jìn)行正常的翻譯作用和正常的分裂繁殖。 第二節(jié) 大腸桿菌的突變型及其篩選 問題和思考 請就濫用抗生素談?wù)勀愕目捶ā? 第二節(jié) 大腸桿菌的突變型及其篩選 細(xì)菌中某些突變型的基因符號 arg 精氨酸缺陷型 lac 乳糖不能利用 ade 腺嘌呤缺陷型 gal 半乳糖不能利用 cys 胱氨酸缺陷型 ara 阿拉伯糖不能利用 leu 亮氨酸缺陷型 rha 鼠李糖不能利用 pro 脯氨酸缺陷型 str 鏈霉素抗性 met 甲硫氨酸缺陷型 mal 麥芽糖不能利用 bio 生物素缺陷型 man 甘露糖不能利用 phe 苯丙氨酸缺陷型 thi 硫胺缺陷型 pur 嘌呤缺陷型 pyr 嘧啶缺陷型 pdx 吡哆醇缺陷型 azi 疊氮化鈉抗性 thr 蘇氨酸缺陷型 ton 噬菌體 T1抗性 第二節(jié) 大腸桿菌的突變型及其篩選 問題和思考 第二節(jié) 大腸桿菌的突變型及其篩選 如何篩選缺陷性的細(xì)菌？ 2. 細(xì)菌的培養(yǎng)與突變型篩選 細(xì)菌的培養(yǎng)與突變型篩選 （ a） 細(xì)菌的培養(yǎng) （ b） 突變型篩選 ? 第二節(jié) 大腸桿菌的突變型及其篩選 1. 細(xì)菌接合現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn) 1946年， Lederberg 等的一 個實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)兩型的大腸桿菌之間 確有遺傳物質(zhì)的交換。 可能的原因？ 第三節(jié) 細(xì)菌的接合與染色體轉(zhuǎn)移 實(shí)驗(yàn)一 1. 細(xì)菌接合現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn) A 營養(yǎng)互飼 C 雜交，交換遺傳物質(zhì)重組？ B 基因突變 如何驗(yàn)證？ 第三節(jié) 細(xì)菌的接合與染色體轉(zhuǎn)移 1. 細(xì)菌接合現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn) 1950年， Davis 設(shè)計(jì)了 U 型管，從 U 型管兩端取樣培養(yǎng)，沒有出現(xiàn)原養(yǎng)型菌落?？梢?，只有菌株 A 和菌株 B 的細(xì)胞通過接觸后，象高等生物的有性過程一樣，發(fā)生了雜交，遺傳物質(zhì)有了交換，才產(chǎn)生了與兩個親代不同的野生型的細(xì)菌。 第三節(jié) 細(xì)菌的接合與染色體轉(zhuǎn)移 2. F 因子及其轉(zhuǎn)移 大腸桿菌中遺傳物質(zhì)的交換不是交互的，事實(shí)上一個菌株（菌株 B） 作為遺傳物質(zhì)的受體，另一個菌株作為遺傳物質(zhì)的供體（菌株 A），這種 單向的基因交換可以比之于“性”的差別，所以，可以把供體看作是雄性菌株，而把受體看作是雌性菌株。 Hayes 實(shí)驗(yàn)： 菌株 A met－ thr+ leu+ thi+ 菌株 B met+ thr－ leu－ thi － 實(shí)驗(yàn)二 第三節(jié) 細(xì)菌的接合與染色體轉(zhuǎn)移 兩個 i 細(xì)胞的結(jié)合 第三節(jié) 細(xì)菌的接合與染色體轉(zhuǎn)移 已經(jīng)證實(shí) F 因子是一種質(zhì)粒 ， 能夠自我復(fù)制的環(huán)狀 DNA分子，作用象 一個微型染色體，包含約 100 個基因。 F 因子的重要性質(zhì)： ① F 因子能夠復(fù)制它的 DNA， 使它能夠保持 存在于正在分裂的細(xì)胞群 體中； ② 攜帶 F 因子的細(xì)胞產(chǎn)生傘毛 微小的蛋白質(zhì)表面管，使 F+ 細(xì)胞能 與其他細(xì)胞吸附，并且保持它們的接觸。 F 因子的性質(zhì) 第三節(jié) 細(xì)菌的接合與染色體轉(zhuǎn)移 ③ F+ 細(xì)胞能夠轉(zhuǎn)移新合成的環(huán)