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1、第四章细菌的遗传与变异细菌的遗传与变异罗冬青微生物学教研室第四节第四节 遗传和变异遗传和变异一、遗传与变异的概念一、遗传与变异的概念二、常见的细菌变异现象二、常见的细菌变异现象三、细菌的基因组三、细菌的基因组四、细菌变异的机制四、细菌变异的机制五、细菌遗传变异研究的意义五、细菌遗传变异研究的意义遗传和变异概念遗传和变异概念 1、遗传、遗传 2、变异、变异指亲代的特性可通过遗传物质传递指亲代的特性可通过遗传物质传递给子代，保证物种的稳定性。给子代，保证物种的稳定性。在一定条件下，子代和亲代之间以在一定条件下，子代和亲代之间以及子代和子代之间生物学性状出现及子代和子代之间生物学性状出现的差异称为变
2、异。的差异称为变异。遗传变异遗传变异细菌的基因结构发生了改细菌的基因结构发生了改变，如基因突变或重组，变，如基因突变或重组，不可逆，可遗传给后代。不可逆，可遗传给后代。表型变异表型变异环境改变导致，基因结构环境改变导致，基因结构未发生变异，可逆，不可未发生变异，可逆，不可遗传。遗传。3-6%食盐食盐鼠疫杆菌鼠疫杆菌多形态性多形态性(衰残型衰残型)琼脂培基琼脂培基常见的细菌变异现象常见的细菌变异现象青霉素、溶菌酶青霉素、溶菌酶正常形态细菌正常形态细菌L型变异型变异抗体或补体抗体或补体1、形态结构变异形态结构变异陈旧培养基长期培养陈旧培养基长期培养S菌落菌落R菌落菌落或在有免疫力的人体内或在有免疫
3、力的人体内细菌结构变异可导致抗原性改变。细菌结构变异可导致抗原性改变。2、菌落的变异、菌落的变异3、抗原性变异抗原性变异常见的细菌变异现象常见的细菌变异现象胆汁、甘油、马铃薯培养基胆汁、甘油、马铃薯培养基胆汁、甘油、马铃薯培养基胆汁、甘油、马铃薯培养基牛型结核杆菌牛型结核杆菌卡介苗卡介苗13年（年（230代）代）4、毒力变异毒力变异常见的细菌变异现象细菌对某种抗菌药物由敏感变成耐药的变异细菌对某种抗菌药物由敏感变成耐药的变异称为耐药性变异。称为耐药性变异。含链霉素培基含链霉素培基痢疾杆菌痢疾杆菌依链株依链株(耐药菌株耐药菌株)长期培养长期培养5、耐药性变异、耐药性变异常见的细菌变异现象细菌染色
4、体是环状双螺旋细菌染色体是环状双螺旋DNA，不含组蛋，不含组蛋白，白，无核膜包围。无核膜包围。细菌的基因组细菌的基因组特征：特征：1、细菌的染色体、细菌的染色体相对较小；相对较小；基因是连续的，无内含子；基因是连续的，无内含子；大部分大部分DNA用于编码蛋白质；用于编码蛋白质；仅少数基因存在基因重叠现象；仅少数基因存在基因重叠现象；多为单拷贝的；多为单拷贝的；2、质、质 粒粒（plasmid）质粒是细菌染色体外的遗质粒是细菌染色体外的遗传物质，是环状闭合的双传物质，是环状闭合的双链链DNA。有自我复制能力有自我复制能力编码产物赋予细菌某些性状特征编码产物赋予细菌某些性状特征可自行丢失与消除可自
5、行丢失与消除具有转移性具有转移性质粒的特征质粒的特征细菌的基因组细菌的基因组F F质粒质粒几种重要的质粒：几种重要的质粒：带有带有F质粒的为雄性菌，能长出质粒的为雄性菌，能长出性菌毛；无性菌毛；无F质粒的为雌性菌，质粒的为雌性菌，无性菌毛。无性菌毛。R质粒质粒编码细菌对抗菌药物的耐药性。编码细菌对抗菌药物的耐药性。可通过细菌间接合或通过噬菌体可通过细菌间接合或通过噬菌体进行传递。进行传递。细菌的基因组细菌的基因组Vi质粒质粒Col质粒质粒编码各类细菌素编码各类细菌素代谢质粒代谢质粒编码产生相关的代谢酶编码产生相关的代谢酶编码编码细菌的毒素细菌的毒素细菌的基因组细菌的基因组3、噬菌体基因组、噬菌
6、体基因组（bacterial phage genome）是一些具有转座功能的溶原性噬菌体，当整合是一些具有转座功能的溶原性噬菌体，当整合到细菌染色体上，能改变溶原性细菌的某些生到细菌染色体上，能改变溶原性细菌的某些生物学性状。物学性状。细菌的基因组细菌的基因组是细菌基因组中能是细菌基因组中能改变自身位置改变自身位置的的DNA序列序列4、转座元件、转座元件（transposable element）插入序列（插入序列（insertion sequence,IS）：是最小的：是最小的转座元件，转座元件，不携带任何与插入功能无关的基不携带任何与插入功能无关的基因区域因区域，插入后与插入点附近的序列共
7、同起，插入后与插入点附近的序列共同起作用。作用。包括：插入序列、转座子包括：插入序列、转座子TransposaseABCDEFGGFEDCBA细菌的基因组细菌的基因组转座子（转座子（transposon,Tn）IS ISResistance Gene(s)IS ISResistance Gene(s)长度一般超过长度一般超过2kbp，携带，携带特殊功能基因特殊功能基因，不含自身所需要的基因不含自身所需要的基因如耐药性基因、重金属抗性基因、糖发酵基如耐药性基因、重金属抗性基因、糖发酵基因、肠毒素基因等因、肠毒素基因等分为复合型转座子、分为复合型转座子、Tn3系转座子和接合性转座子系转座子和接合性
8、转座子细菌的基因组细菌的基因组转座子的特征转座子的特征转座子转座子转座子转座子携带耐药或毒素基因携带耐药或毒素基因携带耐药或毒素基因携带耐药或毒素基因Tn1Tn2Tn3Tn1Tn2Tn3APAP（氨苄青霉素）（氨苄青霉素）（氨苄青霉素）（氨苄青霉素）Tn4Tn4APAP、SMSM（链霉素）、（链霉素）、（链霉素）、（链霉素）、SuSu（磺胺）（磺胺）（磺胺）（磺胺）Tn5Tn5KmKm（卡那霉素）（卡那霉素）（卡那霉素）（卡那霉素）Tn6Tn6KmKm（卡那霉素）（卡那霉素）（卡那霉素）（卡那霉素）Tn7Tn7TMPTMP（甲氧苄氨嘧啶）、（甲氧苄氨嘧啶）、（甲氧苄氨嘧啶）、（甲氧苄氨嘧啶）、
9、SMSMTn9Tn9CmCm（氯霉素）（氯霉素）（氯霉素）（氯霉素）Tn10Tn10TcTc（四环素）（四环素）（四环素）（四环素）tn551tn551EmEm（红霉素）（红霉素）（红霉素）（红霉素）Tn971Tn971EmEm（红霉素）（红霉素）（红霉素）（红霉素）Tn681Tn681大肠埃希菌（肠毒素基因）大肠埃希菌（肠毒素基因）大肠埃希菌（肠毒素基因）大肠埃希菌（肠毒素基因）5、整合子（、整合子（integron In)含有整合酶基因、重组位点和启动子三个功含有整合酶基因、重组位点和启动子三个功能元件。能元件。是一种是一种可移动可移动的的DNA分子，具有独特结构可分子，具有独特结构可捕获
10、和整合外源性基因捕获和整合外源性基因，使之转变成为，使之转变成为功能性功能性基因的表达单位。基因的表达单位。细菌的基因组细菌的基因组一、一、基因突变基因突变突变是突变是DNA碱基对的置换、插入或缺失所碱基对的置换、插入或缺失所致的基因结构的变化。致的基因结构的变化。细菌变异的机制细菌变异的机制可自发产生（彷徨试验、影印试验），也可自发产生（彷徨试验、影印试验），也可人工诱导产生可人工诱导产生可发生回复突变，多为是表型的回复可发生回复突变，多为是表型的回复1、基因突变规律基因突变规律随随机机的的、非非定定向向的的突突变变，是是在在接接触触噬噬菌菌体体之之前前就就已已发发生生，噬噬菌菌体体对对突突
11、变变仅仅起起筛筛选选而而不不是是诱诱导导作用。作用。彷彷徨徨试试验验影影印印培培养养试试验验2 2、突变型细菌种类及其分离：突变型细菌种类及其分离：耐药性突变型耐药性突变型 药敏试验药敏试验 营养缺陷突变型营养缺陷突变型 营养物质筛选营养物质筛选 条件致死性突变型条件致死性突变型 温度敏感试验温度敏感试验 发酵阴性突变型发酵阴性突变型 乳糖发酵试验乳糖发酵试验 细菌变异的机制细菌变异的机制二、二、基因的转移和重组基因的转移和重组(Gene transfer and recombination)(Gene transfer and recombination)细菌的基因转移和重组可通过细菌的基因
12、转移和重组可通过转化转化、接合接合、转导转导、溶原性转换溶原性转换和和原生质融合原生质融合等方式进行。等方式进行。n基因重组：转移的基因与受体菌基因重组：转移的基因与受体菌DNA整合在一起整合在一起的过程称为基因重组（的过程称为基因重组（gene recombination）。）。n基因转移：外源性的遗传物质由供体菌转入某受基因转移：外源性的遗传物质由供体菌转入某受体菌细胞的过程称为基因转移（体菌细胞的过程称为基因转移（gene transfer）。）。细菌变异的机制细菌变异的机制转化（transformation）RSRS（死）（死）S（死）（死）SSSS DNAR肺炎链球菌肺炎链球菌注射注
13、射分离培养分离培养转化（transformation）转化是受体菌转化是受体菌直接摄取直接摄取供体菌供体菌DNA片段而片段而获得新的遗传性状的过程。获得新的遗传性状的过程。供、受体菌的供、受体菌的基因型基因型相似，且受体菌只有相似，且受体菌只有处于处于感受态感受态时，才能摄取转化因子，时，才能摄取转化因子，Mg2、Ca2、cAMP等可促进转化等可促进转化。转化的转化的DNA片段称为转化因子片段称为转化因子，分子量小于分子量小于107，最多不超过，最多不超过1020个基因。个基因。转化（transformation）转化过程转化过程接合是细菌通过接合是细菌通过性菌毛性菌毛相互连接沟通，将遗相互连
14、接沟通，将遗传物质从供体菌转移给受体菌的方式。传物质从供体菌转移给受体菌的方式。接合（conjugation）n接合性质粒主要包括接合性质粒主要包括F质粒、质粒、R质粒、质粒、Col质粒和毒力质粒。质粒和毒力质粒。接合（conjugation）DonorF+F-F+F-F+F+F+F+RecipientF质粒的接合质粒的接合接合（conjugation）F+F+Hfr接合（conjugation）F质粒从质粒从Hfr菌中的整合作用是可逆的，菌中的整合作用是可逆的，脱离携带有相邻染色体的脱离携带有相邻染色体的F质粒称为质粒称为FF质粒的接合（质粒的接合（高频重组株高频重组株Hfr）HfrF-Hf
15、rF-HfrF-HfrF-HfrHfr转转移移细细菌染色体菌染色体过过程程FFFFFF-FF-R质粒的接合质粒的接合接合（conjugation）R质粒与耐药性有关，尤与多重耐药性有关。质粒与耐药性有关，尤与多重耐药性有关。耐药质粒可从一个细菌转移到另一个细菌中。耐药质粒可从一个细菌转移到另一个细菌中。R质粒由耐药传递因子（质粒由耐药传递因子（resistance transfer factor,RTF）及耐药决定子（）及耐药决定子（resistance determinant,r-det）两部分组成。）两部分组成。接合（conjugation）RTFISR决定因子决定因子Tn9Tn4Tn5T
16、n9 耐氯霉素耐氯霉素Tn4 耐氨苄青霉素、链霉素等耐氨苄青霉素、链霉素等Tn5 耐卡那霉素耐卡那霉素转导是以转导是以噬菌体为载体噬菌体为载体，将供体菌的一段，将供体菌的一段DNA转移到受体菌内，使受体菌获得新的转移到受体菌内，使受体菌获得新的性状。性状。转导（transduction）n普遍性转导（普遍性转导（general transduction）n局限性转导（局限性转导（restricted transduction）噬菌体装配错误，误将宿主染色体片段或质粒噬菌体装配错误，误将宿主染色体片段或质粒装入噬菌体内，最终将供体菌装入噬菌体内，最终将供体菌DNA转入受体菌。转入受体菌。由由温和
17、噬菌体温和噬菌体介导，介导，前噬菌前噬菌体体脱落带有宿主菌脱落带有宿主菌染色体，再感染时带给受体菌。染色体，再感染时带给受体菌。普普遍遍性性转转导导完全转导完全转导流产转导流产转导局限性转导局限性转导脱落错误：前噬菌体及两边的细菌脱落错误：前噬菌体及两边的细菌DNADNA转导性噬菌体：噬菌体转导性噬菌体：噬菌体DNADNA及细菌及细菌DNA DNA 普遍性转导与局限性转导的区别普遍性转导与局限性转导的区别区别要点区别要点普遍性转导普遍性转导局限性转导局限性转导基因转导发生的时期基因转导发生的时期基因转导发生的时期基因转导发生的时期裂解期裂解期溶原期溶原期转导的遗传物质转导的遗传物质转导的遗传物
18、质转导的遗传物质供体菌染色体供体菌染色体供体菌染色体供体菌染色体DNADNA任何部位或任何部位或任何部位或任何部位或质粒质粒质粒质粒噬菌体噬菌体噬菌体噬菌体DNADNA及供及供及供及供体菌体菌体菌体菌DNADNA的特定的特定的特定的特定部位部位部位部位转导的后果转导的后果转导的后果转导的后果完全转导或流产转完全转导或流产转完全转导或流产转完全转导或流产转导导导导受体菌获得供体受体菌获得供体受体菌获得供体受体菌获得供体菌菌菌菌DNADNA特定部位特定部位特定部位特定部位的遗传特性的遗传特性的遗传特性的遗传特性溶原性转换是当温和噬菌体感染细菌时，溶原性转换是当温和噬菌体感染细菌时，以前噬菌体形式与
19、细菌基因组整合，使其成以前噬菌体形式与细菌基因组整合，使其成为溶原细菌而致细菌获得新的性状。为溶原细菌而致细菌获得新的性状。溶原性转换（lysogenic conversion）n白喉棒状杆菌产生白喉毒素；白喉棒状杆菌产生白喉毒素；nA群溶血性链球菌产生致热外毒素；群溶血性链球菌产生致热外毒素；n肉毒梭菌的毒素等。肉毒梭菌的毒素等。原生质体融合原生质体融合是将两种不同的细菌经溶菌原生质体融合是将两种不同的细菌经溶菌酶或青霉素等处理，失去细胞壁成为原生酶或青霉素等处理，失去细胞壁成为原生质体后进行彼此融合的过程。质体后进行彼此融合的过程。n原生质体融合是一种人工基因转移系统，原生质体融合是一种人
20、工基因转移系统，本质上与基因转移无关或关系很小。本质上与基因转移无关或关系很小。n聚乙二醇可促使二种原生质体的融合。聚乙二醇可促使二种原生质体的融合。基因转移重组类型基因转移重组类型基因来源基因来源转移方式转移方式转化转化供体菌供体菌直接摄取直接摄取接合接合供体菌供体菌性菌毛性菌毛转导转导供体菌供体菌噬菌体为载体噬菌体为载体溶原性转换溶原性转换噬菌体噬菌体整合整合n细菌形态结构的变异与细菌学诊断细菌形态结构的变异与细菌学诊断n细菌的耐药变异与控制细菌的耐药变异与控制n细菌毒力变异与控制细菌毒力变异与控制n检测致癌物方面的应用检测致癌物方面的应用n基因工程方面的应用基因工程方面的应用细菌遗传变异
21、研究的意义细菌遗传变异研究的意义Ames试验试验：本章目的要求1 1、掌握质粒、转座元件、插入序列、转座子、掌握质粒、转座元件、插入序列、转座子、整合子、转化、接合、转导、溶原性转换等概整合子、转化、接合、转导、溶原性转换等概念。念。2 2、熟悉细菌的遗传物质，细菌基因转移与重熟悉细菌的遗传物质，细菌基因转移与重组的过程，基因的突变，突变型细菌的种类，组的过程，基因的突变，突变型细菌的种类，细菌遗传变异的实际意义。细菌遗传变异的实际意义。3 3、了解细菌基因表达的调节。了解细菌基因表达的调节。1 1、细细菌基因菌基因转转移的移的类类型及其主要差异？型及其主要差异？2 2、何何谓谓Transpo
22、sonTransposon、ISIS、F F质质粒粒、R R质质粒粒、HfrHfr和和AmesAmes试验试验？3 3、影影印印试试验验验验证证何何种种理理论论？研研究究细细菌菌的的突突变变在在临临床上有何意床上有何意义义？思考题思考题中英文关键词中英文关键词 (key words)Chromsome（染色体）（染色体）Plasmid（质粒）粒）Prophage（前噬菌体）（前噬菌体）F factor（F 因子）因子）Transposable Elements（转座元件）座元件）Lysophage(temperate)phage（温和噬菌体）（温和噬菌体）Virulent phage（毒性噬菌体）（毒性噬菌体）Transduction（转导）Horizontal Gene transfer（水平基因（水平基因转移）移）Transformation（转化）化）Conjugation（接合）（接合）General transduction（普遍性（普遍性转导）Lysogenic（specific）transduction/conversion（溶原性（溶原性转换）Hfr（高（高频重重组菌株）菌株）R plasmid（R质粒）粒）正常霍乱弧菌霍乱弧菌L型S S型菌落型菌落R R型菌落型菌落