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1、第七章第七章 微生物遗传和变异微生物遗传和变异第二节第二节 细菌基因转移的方式细菌基因转移的方式细菌的三种水平基因转移形式细菌的三种水平基因转移形式接合接合转导转导转化转化接合接合(conjugation)：细胞与细胞的直接接触（由细胞与细胞的直接接触（由F因子介导）因子介导）转导转导(transduction)：由噬菌体作为载体介导由噬菌体作为载体介导转化转化(transformation)：游离游离DNA分子分子+感受态细胞感受态细胞一一 细菌的接合作用细菌的接合作用(conjugation)接合作用：通过细胞与细胞的直接接触而产生的遗接合作用：通过细胞与细胞的直接接触而产生的遗传信息转移
2、和重组过程传信息转移和重组过程证实接合过程需要细胞间的直接接触的证实接合过程需要细胞间的直接接触的“U”型管实验（型管实验（Bernard Davis，1950）2.机制接合作用是由一种被称为F因子的质粒介导F因子的分子量通常为因子的分子量通常为5107 Da，上面有编码细菌产生，上面有编码细菌产生性菌毛（性菌毛（sex pili）及控制接合过程进行的及控制接合过程进行的20多个基因。多个基因。含有含有F因子的细胞：因子的细胞：“雄性雄性”菌株（菌株（F+），），其细胞表面有性菌毛其细胞表面有性菌毛 不含不含F因子的细胞：因子的细胞：“雌性雌性”菌株（菌株（F-），），细胞表面没有性菌毛细胞表
3、面没有性菌毛F F因子的四种细胞形式因子的四种细胞形式a）F-菌株，菌株，不含不含F因子，没有性菌毛因子，没有性菌毛，但可以通过，但可以通过 接合作用接接合作用接收收F因子而变成雄性菌株（因子而变成雄性菌株（F+）；）；b）F+菌株，菌株，F因子独立存在，细胞表面有性菌毛。因子独立存在，细胞表面有性菌毛。c c）HfrHfr菌株，菌株，F F因子插入到染色体因子插入到染色体DNADNA上上，细胞表面有性菌毛。，细胞表面有性菌毛。d d）FF菌株，菌株，Hfr菌株内的菌株内的F因子因不正常切割而脱离染色体时，因子因不正常切割而脱离染色体时，形成游离的但携带一小段染色体基因的形成游离的但携带一小段
4、染色体基因的F因子因子，特称为，特称为F因因 子。子。细胞表面同样有性菌毛。细胞表面同样有性菌毛。1）F+F-杂交杂交杂交的结果：杂交的结果：给体细胞和受体细胞均成为给体细胞和受体细胞均成为F+细胞细胞F+菌株的菌株的F因子向因子向F-细胞转移，但含细胞转移，但含F因子的宿主细胞因子的宿主细胞的染色体的染色体DNA一般不被转移。一般不被转移。HfrHfr菌株的菌株的F F因子插入到染色体因子插入到染色体DNADNA上，因此只要发生接合转移转移上，因此只要发生接合转移转移过程，就可以把部分甚至全部细菌染色体传递给过程，就可以把部分甚至全部细菌染色体传递给F F-细胞并发生重组细胞并发生重组，由此
5、而得名，由此而得名为高频重组菌株为高频重组菌株。2）Hfr F-杂交Hfr菌株仍然保持着菌株仍然保持着F+细胞的特征，具有细胞的特征，具有F性菌毛，并象性菌毛，并象F+一样与一样与F-细胞进行接合。所不同的是，细胞进行接合。所不同的是，F因子的先导区因子的先导区(leading region)结结合着染色体合着染色体DNA向受体细胞转移，向受体细胞转移，F因子除先导区以外，其余绝大因子除先导区以外，其余绝大部分是处于转移染色体的末端，由于转移过程常被中断，因此部分是处于转移染色体的末端，由于转移过程常被中断，因此F因因子不易转入受体细胞中，故子不易转入受体细胞中，故HfrF-杂交后的受体细胞杂
6、交后的受体细胞(或接合子或接合子)大多数仍然是大多数仍然是F-。染色体上越靠近染色体上越靠近F因子的先导区的基因，进入的机会因子的先导区的基因，进入的机会就越多，在就越多，在F-中出现重组子的的时间就越早，频率也高。中出现重组子的的时间就越早，频率也高。F因子不易转入受体细胞中，故因子不易转入受体细胞中，故HfrF-杂交后的受体细胞（或称接合子）大多杂交后的受体细胞（或称接合子）大多数仍然是数仍然是F-。二二 细菌的转导（细菌的转导（transduction）由噬菌体介导的细菌细胞间进行遗传交换的一种方式：由噬菌体介导的细菌细胞间进行遗传交换的一种方式：一个细胞的一个细胞的DNA通过病毒载体的
7、感染转移到另一个细胞中通过病毒载体的感染转移到另一个细胞中能将一个细菌宿主的部分染色体或质粒能将一个细菌宿主的部分染色体或质粒DNA带到另一个细菌的噬菌体称为转导噬菌体带到另一个细菌的噬菌体称为转导噬菌体细菌转导的二种类型：细菌转导的二种类型：普遍性转导普遍性转导局限性转导局限性转导1 普遍性转导（普遍性转导（generalized transduction）噬菌体可以转导噬菌体可以转导给体细菌染色体的任何部分给体细菌染色体的任何部分到到受体细胞中的转导过程受体细胞中的转导过程普普遍遍性性转转导导过过程程2 局限性转导（局限性转导（specialized transduction）把供体菌的少
8、数特定基因转移到受体菌中的过程把供体菌的少数特定基因转移到受体菌中的过程温和噬菌体感染温和噬菌体感染整合到细菌染色体的特定位点上整合到细菌染色体的特定位点上宿主细胞发生溶源化宿主细胞发生溶源化溶源菌因诱导而发生裂解时，溶源菌因诱导而发生裂解时，在前噬菌体二侧的少数宿主在前噬菌体二侧的少数宿主基因因偶尔发生的不正常切基因因偶尔发生的不正常切割而连在噬菌体割而连在噬菌体DNA上上部分缺陷的温和噬菌体部分缺陷的温和噬菌体把供体菌的少数特定基因转移到受体菌中的过程把供体菌的少数特定基因转移到受体菌中的过程温和噬菌体温和噬菌体裂解时的裂解时的不正常切割：包含不正常切割：包含galgal或或biobio基
9、因基因（几率一般仅有（几率一般仅有1010-6-6）3 局限性转导与普遍性转导的主要区别：局限性转导与普遍性转导的主要区别：a）普遍性转导是误包；局限性转导是误切。普遍性转导是误包；局限性转导是误切。b）局限性转导颗粒携带特定的染色体片段并将固定的个别基因局限性转导颗粒携带特定的染色体片段并将固定的个别基因 导入受体，故称为局限性转导。而普遍性转导携带的宿主基导入受体，故称为局限性转导。而普遍性转导携带的宿主基 因具有随机性，包装的可能全部是宿主菌的基因。因具有随机性，包装的可能全部是宿主菌的基因。三三 细菌的遗传转化（细菌的遗传转化（genetic transformation）定义：定义：
10、游离游离DNA分子分子(质粒和染色体质粒和染色体DNA)被自然或人工被自然或人工感受态细胞摄取，并得到表达的基因转移过程。感受态细胞摄取，并得到表达的基因转移过程。1、转化、转化1928年，年，Griffith发现肺炎链球菌（发现肺炎链球菌（Streptococcus pneumoniae）的转化现象的转化现象目前已知有二十多个种的细菌具有自然转化的能力目前已知有二十多个种的细菌具有自然转化的能力进行转化，需要二方面必要的条件：受体细胞处于感受态：受体细胞处于感受态：最容易接受外源最容易接受外源DNA的一种生理状态。的一种生理状态。转化因子：外源游离转化因子：外源游离dsDNA分子分子 以革兰
11、氏阳性的肺炎双球菌为材料，其转化过程大体是：以革兰氏阳性的肺炎双球菌为材料，其转化过程大体是：以革兰氏阳性的肺炎双球菌为材料，其转化过程大体是：以革兰氏阳性的肺炎双球菌为材料，其转化过程大体是：1 1、双链、双链、双链、双链DNADNA片段与感受态受体菌的细胞表面特定位片段与感受态受体菌的细胞表面特定位片段与感受态受体菌的细胞表面特定位片段与感受态受体菌的细胞表面特定位点结合。点结合。点结合。点结合。2 2、在位点上的、在位点上的、在位点上的、在位点上的DNADNA发生酶促分解，形成平均分子量发生酶促分解，形成平均分子量发生酶促分解，形成平均分子量发生酶促分解，形成平均分子量为（为（为（为（4
12、5)45)x x x x 10106 6D D的的的的DNADNA片段。片段。片段。片段。3 3、DNADNA双链中的一条单链逐步降解，同时，另一条双链中的一条单链逐步降解，同时，另一条双链中的一条单链逐步降解，同时，另一条双链中的一条单链逐步降解，同时，另一条单链逐步进入细胞。单链逐步进入细胞。单链逐步进入细胞。单链逐步进入细胞。4 4、转化转化转化转化DNADNA单链与受体菌染色体组上的同源区段配对，单链与受体菌染色体组上的同源区段配对，单链与受体菌染色体组上的同源区段配对，单链与受体菌染色体组上的同源区段配对，接着受体染色体组的相应单链片段被切除，并被外来的接着受体染色体组的相应单链片段
13、被切除，并被外来的接着受体染色体组的相应单链片段被切除，并被外来的接着受体染色体组的相应单链片段被切除，并被外来的单链单链单链单链DNADNA所交换和取代，于是形成了杂种所交换和取代，于是形成了杂种所交换和取代，于是形成了杂种所交换和取代，于是形成了杂种DNADNA区段。区段。区段。区段。5 5、受体菌染色体组进行复制，杂合区段分离成两个，、受体菌染色体组进行复制，杂合区段分离成两个，、受体菌染色体组进行复制，杂合区段分离成两个，、受体菌染色体组进行复制，杂合区段分离成两个，其中之一类似供体菌，另一类似受体菌。当细胞分裂后，其中之一类似供体菌，另一类似受体菌。当细胞分裂后，其中之一类似供体菌，
14、另一类似受体菌。当细胞分裂后，其中之一类似供体菌，另一类似受体菌。当细胞分裂后，此染色体分离形成了一个转化子。此染色体分离形成了一个转化子。此染色体分离形成了一个转化子。此染色体分离形成了一个转化子。转化全过程转化整合过程转化过程的特点：转化过程的特点：a）对核酸酶敏感；对核酸酶敏感；c）转化是否成功及转化效率的高低主要取决于转化是否成功及转化效率的高低主要取决于转化（转化（DNA）给体菌株和转化受体菌株之间的给体菌株和转化受体菌株之间的亲源关系；亲源关系；d）通常情况下质粒的自然转化效率低通常情况下质粒的自然转化效率低b）不需要活的不需要活的DNA供体细胞；供体细胞；人工转化人工转化用用Ca
15、Cl2处理细胞，电穿孔等是常用的人工转化手段。处理细胞，电穿孔等是常用的人工转化手段。在自然转化的基础上发展和建立的一项细菌基因重组手段，在自然转化的基础上发展和建立的一项细菌基因重组手段，是基因工程的奠基石和基础技术。是基因工程的奠基石和基础技术。用多种不同的技术处理受体细胞，使其人为地处于一用多种不同的技术处理受体细胞，使其人为地处于一种可以摄取外源种可以摄取外源DNA的的“人工感受态人工感受态”。接合(conjugation)：细胞与细胞的直接接触（由F因子介导）转导(transduction)：由噬菌体介导自然遗传转化(naturalgenetictransformation)：游离D
16、NA分子+感受态细胞淀粉水解：大肠杆菌阴性，枯草芽孢杆菌阳性（透明圈）淀粉水解：大肠杆菌阴性，枯草芽孢杆菌阳性（透明圈）VPVP试验试验：大肠杆菌阴性，枯草芽孢杆菌阳性：大肠杆菌阴性，枯草芽孢杆菌阳性吲哚吲哚试验试验 ：大肠杆菌阳性：大肠杆菌阳性(红红)，枯草芽孢杆菌阳性（红），枯草芽孢杆菌阳性（红）石蕊牛乳试验石蕊牛乳试验：石蕊被石蕊被枯草芽孢杆菌枯草芽孢杆菌还原，脱色还原，脱色 糖糖发发酵酵试验试验 ：葡萄糖葡萄糖乳糖乳糖蔗糖蔗糖大肠杆菌大肠杆菌强烈产酸（黄）、强烈产酸（黄）、产气产气微弱产酸（淡黄）、微弱产酸（淡黄）、不产气不产气不产酸，不产气不产酸，不产气枯草芽孢杆菌枯草芽孢杆菌不产酸，不产气不产酸，不产气不产酸，不产气不产酸，不产气不产酸，不产气不产酸，不产气