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1、,遗 传（heredity）,变 异（variation）,基因型变异,表型变异,遗传与变异是所有生物的共同生命特征,子代与亲代生物学性状基本相同,且代代相传,子代与亲代,子代与子代的生物学性状出现差异,基因型和表型变异的比较,基因型变异,表型变异,基因结构,变化 未变,可逆性,不或极少 可逆,稳定性,稳定 不稳定,环境影响,涉及细菌数,不受影响 受影响,个别 全体,细菌的变异现象 1.形态结构变异-外界环境因素所致 细菌L型变异: 荚膜变异(capsule): 肺炎链球菌 芽胞变异(spore):炭疽杆菌 鞭毛变异(flagellum): H-O变异-失去鞭毛的变异 有鞭毛：H（Hauch）
2、菌落。 无鞭毛：O（Ohne hauch）菌落。,形态结构变异,青霉素、溶菌酶 正常形态细菌 L型变异 抗体或补体 (部分或完全失去胞壁),正常霍乱弧菌,霍乱弧菌L型,特殊结构的变异 42-43 炭疽杆菌 失去形成芽胞能力, 毒性降低 10-20天,特殊结构的变异 变形杆菌 0.1%石炭酸 迁徙生长（H） 点状生长、单个菌落（O）,鞭毛变异,2.毒力变异： (Virulence) 毒力 ：BCG（卡介苗）,胆汁、甘油、马铃薯培养基 牛分枝杆菌 卡介苗 13年(230代),毒力 ：白喉杆菌溶原化,3.耐药性变异: (Drug-resistance) 细菌对某种抗菌药物由敏感变成耐药的变异。,金黄
3、色葡萄球菌耐青霉素的菌株已从1946年的14%上升至目前的90%。 有些细菌还表现为同时耐受多种抗菌药物，即多重耐药性，甚至产生药物依赖性。 含链霉素培基 痢疾杆菌依链株(耐药菌株) 长期培养,4.菌落变异：(Colony),特点：S-R变异常伴有其他性状的变异（毒力，抗原性等）而造成全面的变异,菌落由光滑（S）型变为粗糙（R）型 如肠道杆菌,S-R变异,5、抗原性变异(Antigenicity),菌体抗原（O抗原）变异；鞭毛抗原（H抗原）变异,失去LPS的特异多糖,一、染色体 (chromosome) 二、质粒 (plasmid) 三、转座因子 (transposable element)
4、四、整合子(integron,In) 五、噬菌体（phage ）,第一节 细菌的遗传物质,特点：1. dsDNA，3.25106 bp 2.基因以操纵子形式存在 3.为连续基因，无内含子，转录后不需剪接加工 4.基因组DNA大部分用来编码蛋白质 5.结构基因无重叠现象 6.结构基因单拷贝，rDNA多拷贝 7.具有各种功能识别区：复制起始区、终止区等,一、 细菌染色体,操纵子(operon) 结构,乳糖操纵子(lac operon)的结构,表达区,特点：1. dsDNA，3.25106 bp 2.基因以操纵子形式存在 3.为连续基因，无内含子，转录后不需剪接加工 4.基因组DNA大部分用来编码蛋
5、白质 5.结构基因无重叠现象 6.结构基因单拷贝，rDNA多拷贝 7.具有各种功能识别区：复制起始区、终止区等,一、 细菌染色体,二、质粒（plasmid）,1.本质： 能自主复制的染色体 外遗传物质，为环状闭合的 双链DNA。,2. 分类： 根据质粒基因编码的生物学性状 致育质粒/F (fertility) 质粒 编码性菌毛 耐药性质粒 编码细菌对抗菌药物或 重金属盐类的耐药性,毒力质粒/Vi (virulence) 质粒 编码与该菌致病性有关的毒力因子 细菌素质粒 编码各种细菌产生的细菌素 如：Col 质粒编码大肠埃希菌产生的大肠菌素 代谢质粒 编码产生与代谢相关的许多酶类,3.质粒DNA
6、基本特性：,A. 可自我复制；是一个复制子 B. 质粒DNA编码的基因产物能赋予细菌 些性状特征 致育性、耐药性、致病性等 C. 质粒可自然丢失与消除 自然丢失率10-210-8；可用高温、紫外线等除去,D. 质粒 具有转移性： 接合性质粒 通过性菌毛进行基因传递 非接合性质粒经接合性质粒诱动 或经载 体(噬菌体)进行基因传递 E. 质粒具有相容性和不相容性,三、转座因子,1. 本质：细菌内能改变自身位置的DNA序列， 为移动基因（movable genes） 2. 转移方式： 通过自身编码产生的转座酶导致 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,3. 种类：,插入序
7、列（insertion sequence,IS） 是最小的转位因子，2kb,转座子（transposon, Tn） 2kb，除两端的IS外，还携带与转座无关的耐药性基因、抗金属基因、毒素基因及其他结构基因。,常见的插入序列和转座子,IS bp Tn 耐药或毒素基因,IS1 768 Tn1 AP（氨苄青霉素）,IS2 1327 Tn6 Kan（卡那霉素）,IS3 1300 Tn10 Tet（四环素）,IS4 1426 Tn551 Em（红霉素）,IS5 1195 Tn681 E.coli ET（肠毒素）,转座子介导的转座,四、整合子（integron，In） 定位于细菌染色体、质粒或转座子上 基
8、本结构：两端为保守末端，中间为可变区，含一个或多个基因盒 整合子含有3个功能元件：重组位点；整合酶基因；启动子 通过转座子或接合性质粒，使多种耐药基因在细菌中进行水平传播,五、噬菌体（bacteriophage）,形态结构: 蝌蚪形 衣壳：蛋白质 核酸：dsDNA,分布广: 有菌就有噬菌体 宿主特异性：流行病调查；分型 参与细菌变异：转导, 溶原性转换,变 异,基因型变异,表型变异,基因重组 基因突变 染色体变异,细菌变异的机制,第三节 基因的转移和重组,转移：供菌提供DNA；受菌接受DNA 重组：受菌获得供菌DNA,类型 基因来源 转移方式,转化 供菌 受菌摄入,接合 供菌 通过性菌毛,转导
9、 供菌 噬菌体媒介,溶原性转换 噬菌体 前噬菌体,一、 转化（transformation） 受菌直接摄取供体菌DNA 供菌死亡时释放或人工方法提取DNA,例：溶菌时，裂解的DNA片段被另一细菌摄取。,最早由 Griffith 在研究肺炎链球菌时发现此现象肺炎链球菌（Griffith）转化试验。,小鼠体内肺炎链球菌 转化试验,死亡,死亡,影响因素： 供受菌基因型： 同源性；亲缘关系近，转化率高 感受态（competence）： 生理活动过程中摄取 转化因子的最佳时期 环境因素：Mg2、Ca2等可促进转化,二、接合（conjugation） 通过性菌毛将供菌DNA转给受体菌，受体菌获得供体菌性状
10、,主要接合性质粒： F质粒、R质粒、Col质粒、 Vi质粒,大肠埃希菌与肠道杆菌接合 （电镜扫描图）,F质粒（fertility factor, 致育因子）,作用：编码性菌毛 转移：F质粒进入F菌，1分钟完成 复制：F菌转为F菌,F,F+,F+,F+,存在： F+ 菌-含游离的F质粒 F 菌-含带宿主菌基因的F质粒 Hfr菌(high frequency recombinant) 高频重组菌- F质粒整合于细菌染色体中,F质粒存在的生理状态,大肠杆菌F质粒的各种存在状态间的转变,F- 菌,F+ 菌,Hfr 菌,F菌-lac,与 F+菌接合,丢失,整合,切离,偏差切离,丢失,整合,与F菌接合,H
11、fr（高频重组菌株）： F质粒与染色体整合 具有结合和转移功能 细菌染色体转移频率高，F质粒低 受体菌获得供体菌性状 用于绘制基因图,Hfr转移细菌染色体过程,1.两者结合 2.DNA一条链断开，染色体DNA经性菌毛进入F- 菌 3.接合作用可随时中断（自发或外界因素），受体菌一般仍是F- 菌, R质粒 作用：决定细菌的耐药性 结构：,1.RTF (resistance transfer factor) 耐药传递因子 -编码性菌毛，与复制、接合及转移有关 2.R determinant （r决定子） -编码对抗菌药物的耐药性,结合,游离,耐药传递因子（RTF）,r决定子,IS,IS,r决定子,
12、存在 a. 复合物形式：RTF- r决定子 b. 游离形式：,两部分单独存在时无接合传递R质粒的功能,耐药传递因子,三、转导（transduction） 噬菌体媒介 将供菌DNA转给受菌 分普遍性转导和局限性转导,毒性噬菌体，温和噬菌体 包装错误： 任何部位细菌DNA片段 转导性噬菌体： 供体菌DNA误装入噬菌体 受菌接受转导噬菌体(供菌)DNA 受菌获得供菌性状,普遍性转导（generalized transduction),普遍性转导中外源DNA的结果 1.完全转导： 供体菌的DNA与受体菌染色体重组，随染色体复制而随之传代 2.流产转导(abortive transduction): 供
13、体菌的DNA与受体菌染色体不能进行重组,转导的片断不能自身复制，也不能传代,局限性转导(restricted transduction),温和性噬菌体介导,- 前噬菌体从宿主菌染色体上脱落时发 生偏差,将前噬菌体两侧的宿主染色体基因转移到受体菌,使受体菌遗传发生改变的过程.,局限性转导机制,bio-生物素基因 gal-糖苷酶基因,正常切离,偏差切离,缺陷噬菌体,正常噬菌体,前噬菌体,局限性转导与普遍性转导的主要区别 普遍性转导 局限性转导 转导时间 温和噬菌体裂解期 温和噬菌体溶原期 转导基因 供体菌染色体DNA的 噬菌体DNA及供菌染色 任何部位或质粒 体DNA的特定部位片断 转导频率 低
14、高 转导结果 完全转导 获得供体菌DNA 流产转导 特定部位的遗传特性,四、溶原性转换（lysogenic conversion） 温和噬菌体DNA与菌染色体整合 受菌获得新的性状 如白喉杆菌：-噬菌体-外毒素基因 不产毒白喉杆菌 产毒白喉杆菌,原生质体融合 (protoplast fusion),A 细菌,B 细菌,A 原生质体,B 原生质体,重组融合体,不同重组菌,培 养,聚乙二醇,青霉素等,细菌基因转移与重组的几种方式比较 方式 基因来源 转移机制,转化 供体菌 直接摄取 接合 雄性菌 性菌毛沟通 普遍转导 供体菌 噬菌体介导 局限转导 溶原菌 温和噬菌体介导 溶原转换 温和噬菌体 温和
15、噬菌体感染 融合 原生质体 原生质体融合,2. 类型： 碱基置换：转换、颠换 碱基插入 碱基缺失,1. 定义： DNA碱基对的置换、插入或缺失所致的基因结构的变化，分点突变和染色体畸变。,第四节 基因突变,移码突变,3. 突变规律： 自发突变与诱发突变 突变率 自发突变：10-610-9 诱发突变：提高101000倍 突变与选择：突变是随机的，不定向的 试验： 1943年Luria和Delbruck设计了有名的彷徨试验(fluctuation test)； 1952年Lederberg等设计了影印培养(replica plating)。,103/ml 敏感菌,10ml,10ml,立即接种,37
16、 24h,含噬菌体平板,含噬菌体平板,37 24h,彷徨试验：随机的、非定向的突变是在接触噬 菌体之前就已发生，噬菌体对突变 仅起筛选而不是诱导作用。,影印平板：自发的，随机的，抗生素仅起选择作用,回复突变与抑制突变,野生株 (wild strain),突变株 (mutant strain),正向突变 回复突变,回复突变原因: 突变株中的一个抑制基因突变所致.回复突变可自发或诱导发生。,回复突变,基因内抑制(intragenic suppressor),抑制基因突变发生在同一基因内的不同部位,基因间抑制(extragenic suppressor),抑制基因突变发生在不同基因,回复突变基因型模
17、式图,基因型 回复突变机制 菌株 表型,突变前 野生株 敏感,突变后 突变株 耐药,基因内抑制 回复突变株 敏感,基因间抑制 回复突变株 敏感,4.突变型细菌及其分离： 耐药性突变型 药敏试验 营养缺陷突变型 营养物质筛选 条件致死性突变型 温度敏感试验 发酵阴性突变型 乳糖发酵试验,诊断困难 HO变异：如伤寒沙门菌鞭毛 SR变异：消失荚膜或多糖 抗原性改变 毒力下降，生化反应改变 治疗困难：耐药 预防：BCG,第五节 细菌遗传变异在医学上的实际意义,检测致癌物,细菌突变的诱因往往是化学物质，这种致变物质一般均有致癌的可能性，因此采用细菌作为模型来进行可疑致癌物的筛选。,Ames试验过程:,组
18、氨酸营养缺陷株,含组氨酸培养基,缺组氨酸培养基,缺组氨酸培养基 含待测化学物,接 种,回复突变株,无待测化学物,正常细胞,致癌物质 诱导,肿瘤细胞,组氨酸营养缺陷株,诱导 化学物质 95%,回复突变株,90%,医学应用:,Ames试验阳性和致癌之间有十分明显的相关性（诱变剂的共性原则，即化学物质对细菌的诱变率与其对动物的致癌性成正比） 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,基因工程,载体：质粒，噬菌体 工程菌和酶：限制性内切酶，连接酶 选择目的基因，细菌中表达，如胰岛素、白介素、干扰素等 基因工程疫苗,1.细菌基因转移和重组的类型及其主要差异？ 2.何谓BCG、transposon、R质粒、Hfr、lysogenic conversion和Ames试验？ 3.影印试验验证何种理论？突变型细菌有哪些？,思考题,