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1、第五章第五章 细菌的遗传与变异细菌的遗传与变异 Bacterial heredity and variation1Essentials:1细菌遗传变异的物质基础及其特点细菌遗传变异的物质基础及其特点2基因转移与重组方式基因转移与重组方式1基因突变的特点基因突变的特点2细菌遗传变异的医学意义细菌遗传变异的医学意义3细菌基因表达调节细菌基因表达调节2 细菌的变异现象细菌的变异现象1、形态结构变异、形态结构变异2、毒力变异：、毒力变异：(Virulence)：BCG P1513、耐药性变异、耐药性变异:(Drug-resistance)4、菌落变异：、菌落变异：(Colony)5、抗原性变异：、抗原
2、性变异：(Antigenicity)3 第一节第一节 细菌遗传变异的物质基础细菌遗传变异的物质基础 The material basis associated the bacterial genetic variation 一）染色体一）染色体(chromosome)二）质粒二）质粒(plasmid)三）转座因子三）转座因子(transposable element)四）噬菌体四）噬菌体(phage)基因组基因组(已讲已讲)五）整合子五）整合子(自学自学)4一一)细菌染色体细菌染色体/类核类核 Bacterial Chromosome or nucleoidDefinition：circula
3、r,double-stranded molecule of DNACharacteristics:A.Covalently closed circular DNA,naked nucleic acid B.molecular and without histone(组蛋白组蛋白).B.Operon(操纵子操纵子)structureC.No intron,need not splicing after transcriptionD.No overlap in structural gene.编码序列编码序列(Coding sequence)启动序列启动序列(promoter)操纵序列操纵序列(o
4、perator)其他调节序列其他调节序列5E.Extensive gene exchange intraspecies and interspecies of bacteria Pathogenicity islands(致病岛致病岛)also called toxicity islands(毒力岛毒力岛),fitness islands(适应岛适应岛),ecological islands(生态岛生态岛),symbiosis islands(共生共生岛岛)Resistant gene(耐药基因耐药基因)6二）二）质粒质粒(plasmid)1、Definition：细菌染色体外的遗传物细菌染色
5、体外的遗传物质，具有自我复制的能力。质，具有自我复制的能力。为双股环状为双股环状DNA分子。分子。质粒可游离于胞浆中或质粒可游离于胞浆中或整合于染色体上整合于染色体上7 2.Types：根据质粒基因编码的生物学性状毒力质粒毒力质粒/ViVi (virulence plasmid)细菌素质粒细菌素质粒/ColCol (colicinogenic plasmid)代谢质粒代谢质粒(metabolize plasmid)致育质粒致育质粒/F F (fertility plasmid)耐药性质粒耐药性质粒 (resistance plasmid)8 F plasmid:作用作用编码性菌毛和介导细菌之间
6、的接合编码性菌毛和介导细菌之间的接合 存在存在F F+菌菌-含含游离游离的的F F质粒质粒F F 菌菌-含带含带宿主菌基因宿主菌基因 的的F F质粒质粒HfrHfr菌菌-高频重组菌高频重组菌(high frequency recombinant)-F -F质粒质粒整合整合于细菌染色体中于细菌染色体中2.1 2.1 重要的质粒重要的质粒9RTFRTF (resistance transfer factor)-耐药传递因子耐药传递因子功能：编码性菌毛和介导细菌之间的 接合 R R决定子 (resistance determining factor）-耐药决定子耐药决定子功能：编码对抗菌药物和重金属
7、盐的耐药性 9-6,10-4 R plasmid plasmid 接合性接合性接合性接合性耐药质粒耐药质粒 作用：作用：决定细菌的耐药性决定细菌的耐药性(Drug-resistance)结构：结构：10 能自主复制能自主复制 决定宿主菌的某些生物学性状决定宿主菌的某些生物学性状,但不是生命所必需但不是生命所必需 转移性转移性-质粒在细菌间的转移质粒在细菌间的转移 接合性质粒（质粒；质粒）接合性质粒（质粒；质粒）非接合性质粒非接合性质粒 相容性与不相容性相容性与不相容性 可自行丢失或经人工处理消除可自行丢失或经人工处理消除(curing)(curing)3、质粒的共同特征质粒的共同特征(Char
8、acteristics)11三）噬菌体(phage)(phage)(已讲)12四）转座因子(transposable element)1.Definition：细菌基因组中能改变自身位置的DNA序列，为移动基因（movable genes）2.Transfer way：通过自身编码产生的特殊重组酶导致 其转移或移位 染色体内移位（AB）染色体与质粒间 不同质粒之间133.Types：1.插入序列（insertion sequence,IS）：）：2.转座子（transposon,Tn）：）：如Tn3 3.转座噬菌体（如：Mu噬菌体）IRTransposase GeneIR14第三节第三节 基因
9、的转移和重组基因的转移和重组Definition：遗传物质由供体菌(Donor)转移给受体菌(Recipient)-基因转移，并与受体菌的基因进行整合-基因重组，使受体菌获得供体菌的某些特性的过程Types：转化 transformation 转导 transduction 转换 lysogenic conversion 接合 conjugation 原生质体融合 protoplast fusion16A A、转化、转化(transformation)Definition：受体菌受体菌直接摄取直接摄取供体菌供体菌游离的游离的DNADNA片段，并与本身的基因进行重组，从片段，并与本身的基因进行重
10、组，从而获得新的性状的过程。而获得新的性状的过程。供体菌供体菌受体菌受体菌17 Transferred DNA:chromosomal segment plasmid bacteriophage转化条件：供体菌:DNA片段大小、性质 受体菌:感受态Competence bacteria：能吸附外源DNA的受体菌细菌感受态产生方式：自然转化（肺炎链球菌等）人工转化（E.coli等）18肺肺炎炎链链球球菌菌转转化化试试验验19B.B.转导转导 (transduction)1.Definition：是以是以噬菌体噬菌体为载体，将供体菌的遗传物质为载体，将供体菌的遗传物质转移给受体菌，使受体菌获得新的
11、性状的过程。转移给受体菌，使受体菌获得新的性状的过程。2.types：普遍性转导(general transduction)：转导性(假)噬菌体介导；局限性转导(restricted transduction)：缺陷性噬菌体介导。201.1.过程过程载体：载体：载体：载体：毒性噬菌体，温和噬菌体毒性噬菌体，温和噬菌体毒性噬菌体，温和噬菌体毒性噬菌体，温和噬菌体 转移转移转移转移DNA:DNA:DNA:DNA:包装错误：包装错误：包装错误：包装错误：可获得可获得可获得可获得任何部位供菌任何部位供菌任何部位供菌任何部位供菌DNADNADNADNA片段片段片段片段介导的噬菌体：介导的噬菌体：介导的噬
12、菌体：介导的噬菌体：转导性噬菌体转导性噬菌体转导性噬菌体转导性噬菌体-供体菌供体菌DNADNA误装入噬菌体误装入噬菌体受菌接受转导噬菌体受菌接受转导噬菌体受菌接受转导噬菌体受菌接受转导噬菌体(供菌供菌供菌供菌)DNA)DNA)DNA)DNA受菌获得供菌性状受菌获得供菌性状受菌获得供菌性状受菌获得供菌性状 l 普遍性转导普遍性转导212.普遍性转导特点：发生在温和或毒性噬菌体的裂解期噬菌体在组装成熟时误装了供菌DNA片段，成为转导（假）噬菌体转移的DNA:随机的供菌染色体或质粒片段223.3.普遍性转导机制普遍性转导机制（generalized transduction)转导噬菌体-(假噬菌体)
13、Results：整合整合-完全转导完全转导(complete transduction)不整合不整合-流产转导流产转导（abortive transduction）（多见）（多见）受体菌受体菌供体菌供体菌核核酸酸酶酶组组装装释释放放23 4.4.普遍性转导中外源普遍性转导中外源DNADNA的结果的结果1.1.完全转导完全转导(complete transduction)：供体菌的供体菌的DNADNA与受体菌染色体重组，与受体菌染色体重组，随染色体复制而随之传代随染色体复制而随之传代2.2.流产转导流产转导(abortive transduction):供体菌的供体菌的DNADNA与受体菌染色体
14、与受体菌染色体不能进不能进行重组行重组,转导的片段不能自身复制，也不转导的片段不能自身复制，也不能传代，转导的片段只能沿单个细胞传递能传代，转导的片段只能沿单个细胞传递下去下去 24l 局限性转导局限性转导特点：特点：1.1.温和性噬菌体温和性噬菌体温和性噬菌体温和性噬菌体介导介导介导介导2.2.发生在温和噬菌体的发生在温和噬菌体的溶原期溶原期-前噬菌体从宿前噬菌体从宿主菌染色体上主菌染色体上脱落时发生偏差脱落时发生偏差,将前噬菌体两侧的将前噬菌体两侧的宿主染色体基因转移到受体菌宿主染色体基因转移到受体菌,使受体菌遗传发生使受体菌遗传发生改变的过程改变的过程.3.转移DNA：供菌染色体特定片段
15、25局限性转导机制局限性转导机制（restricted transduction)ub bi io o-生生物物素素操操纵纵子子ug ga al l-半半乳乳糖糖操操纵纵子子正常切离正常切离偏差切离偏差切离缺缺陷陷噬噬菌菌体体正正常常噬噬菌菌体体前噬菌体前噬菌体26 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 普遍性转导普遍性转导 局限性转导局限性转导转导时间转导时间 噬菌体裂解期 温和噬菌体溶源期转导载体转导载体 噬菌体 温和噬菌体转导基因转导基因 供体菌染色体DNA 供体菌染色体DNA的 的任何部位基因或质粒基因 特定部位基因转导频率转导频率 低 10-7 高 10-
16、4转导结果转导结果 完全转导 获得供体菌DNA特定 流产转导 部位的遗传特性 27 C C、溶原性转换溶原性转换(conversion)Definition 当温和噬菌体感染细菌时，噬菌体作为供体，宿主菌染色体中整合了噬菌体的DNA片段，从而获得新的遗传性状e.g：白喉杆菌白喉杆菌 （不产毒素）（不产毒素）棒棒状状杆杆菌菌噬噬菌菌体体nResults:change of virulence,antigenicity溶原性白喉杆菌溶原性白喉杆菌（产生毒素）（产生毒素）28D D、接合、接合(conjugation)nDefinition 供体菌供体菌与与受体菌受体菌通过通过性菌毛性菌毛相相互沟通
17、，将遗传物质从供体菌转移给受体互沟通，将遗传物质从供体菌转移给受体菌，使受体菌获得新的性状。菌，使受体菌获得新的性状。Transferred DNA:plasmidchromosome F F质粒的接合质粒的接合 R R质粒的接合质粒的接合29Conjugation-F plasmidF+bacteria(male)-donorF-bacteria(female)-recipient3 types:F+conjugationHfr conjugationF conjugation 301，Mechanism of F+x F-Crosses结果：结果：F F-菌获得菌获得F F质粒质粒,变为变
18、为F F+菌菌接接合合类类型型 312，Mechanism of Hfr x F-Crosses结果：结果：F F-菌可获得菌可获得不同长度不同长度染色体基因染色体基因,但但F F-菌菌仍为仍为F F-菌菌323，Mechanism of F x F-Crosses结果：结果：F F-菌获得菌获得F F质粒质粒,F F-菌变成菌变成FF 菌菌33 E E、原生质体的融合、原生质体的融合（protoplast fusion）甲菌甲菌 乙菌乙菌溶菌酶或青霉素处理 原生质体原生质体 聚乙二醇重组融合体重组融合体特点：特点：1 1、不限于个别基因的转移、不限于个别基因的转移 而是而是整个染色体基因的整
19、个染色体基因的 转移转移2 2、同种、异种间都可发生、同种、异种间都可发生3 3、可获得多种不同表型的、可获得多种不同表型的 重组融合体，但重组融合体，但随机性随机性 大，寿命短大，寿命短 34 基因转移与重组的几种方式比较基因转移与重组的几种方式比较 类类 型型 转移基因转移基因 转移方式转移方式 转 化 供菌染色体基因 直接摄入 或小质粒,噬菌体 普遍性转导 供菌随机的染色体 转导性噬菌体为载体 基因或小质粒 局限性转导 供菌特定的染色体 缺陷性噬菌体为载体 基因 溶原性转换 溶原性噬菌体基因 溶原性整合 接 合 供菌大质粒 性菌毛 或染色体基因片段 原生质体融合 整个染色体 直接融合 3
20、5 变变 异异基因型变异基因型变异 表型变异表型变异 基因重组基因重组基因突变基因突变 染色体变异染色体变异 第四节 基因突变(Gene mutation)遗传物质的结构发生突然而稳定的改变变异的类型变异的类型:基因突变的概念36突变的类型突变的类型:小突变小突变 碱基插入 转换 单点突变 碱基置换 碱基缺失 颠换多点突变 大突变大突变多点突变 染色体重排 染色体畸变染色体畸变 染色体重复 染色体倒位 染色体缺失 染色体置换37染色体畸变类型染色体畸变类型染色体畸变类型染色体畸变类型A A A AG G G G、X X X X代表不同的代表不同的代表不同的代表不同的DNADNADNADNA片段
21、片段片段片段 野生型野生型倒位倒位重复重复缺失缺失置换置换插入插入38 一、基因突变规律一、基因突变规律(Law of Gene mutation)：突变率突变率(mutation rate):自发突变(spontaneous mutation)。10-610-9 诱导突变(inducing mutation)10-6-10-4,提高101000倍 Characteristics：突变是突变是随机的、不定向的随机的、不定向的，环境条件环境条件只起只起选择作用选择作用试验：试验：1943年，彷徨试验(fluctuation test)1952年，影印培养(replica plating)39彷徨
22、（波动）试验 103/ml噬菌体噬菌体敏感菌敏感菌10ml10ml立即接种立即接种37 24h37 24h含含噬噬菌菌体体平平板板含含噬噬菌菌体体平平板板37 24h37 24h40影印培养试验突突变变是是自自发发的的随随机机的的抗生素敏感菌接种抗生素敏感菌接种41三、回复突变三、回复突变(backward mutation)野生株野生株(wild strain)突变株突变株(mutant strain)正正向向突突变变回回复复突突变变基因内抑制基因内抑制基因外抑制基因外抑制突变株突变株再次突变再次突变恢复到恢复到野生野生株的株的性状性状回复原基因型（极少）回复原基因型（极少）抑制性基因突变抑
23、制性基因突变43Ames test:组组氨氨酸酸营营养养缺缺陷陷株株含组氨酸培养基含组氨酸培养基缺组氨酸培养基缺组氨酸培养基缺组氨酸培养基缺组氨酸培养基含待测化学物含待测化学物接接 种种回复突变株回复突变株无突变株无突变株44正常细胞正常细胞致癌物质致癌物质诱导诱导肿瘤细胞肿瘤细胞组氨酸营养组氨酸营养缺陷株缺陷株诱导诱导化学物质化学物质回复突回复突变株变株90%90%Ames test 应用应用45医学应用医学应用:Ames试验阳性和化学物质致癌之间有十分明显 的相关性 通过检测某待测物质对微生物的诱变能力间接 判断其致癌能力优点：方法灵敏，准确性较高、周期短、方法简便，不需特殊器材，容易推广 46 第五节 细菌遗传变异 在医学上的应用（自学）病原学诊断特异性防治检测致癌物质流行病学调查细菌分类（基因组学研究）基因工程方面应用47 思 考 题1、名解 backward mutation、BCGBCG P151 abortive transduction)、Hfr Pathogenicity island2、细菌基因转移和重组的类型及其主要差异？3、简述F质粒的作用及存在形式4、影印试验验证何种理论？5、局限性转导与普遍性转导的主要区别48