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1、Chapter 5 Heredity and variation of bacteria 本章学习要点 1.细菌的遗传物质与特征； 2.噬菌体的概念及应用； 3.细菌基因突变及类型； 4.细菌基因转移的方式和相关概念。 The phenomenon of bacterial variation Variation in morphology and structure lose capsule ( Pneumococcus) H O Lose Spore L-form Variation Variation in virulence Bovine TB BCG 13years, 230 gen
2、eration C. diphtheriae b-corynephage, diphtheriae toxin Variation Variation in drug resistance Penicillin resistant strains of staphylococcus aureus Variation in colony S-R Variation in antigenicity Influenza virus Genetic materials about bacterial variation Chromosomes染色体 Plasmids质粒 Transposable el
3、ements转座元件 Phage噬菌体 integron整合子 为双螺旋环状DNA长链，附着在 横隔中介体或细胞膜上，长约1000 1300m，约30005000个基因 ，编码2000多种酶和其它结构蛋白 。 细菌染色体与真核细胞染色体不 同，除 rRNA基因是多拷贝以外， 其余为单拷贝，很少有重复序列， 基因结构连续，无内含子，RNA分 子转录后不必再加工。 目前已完成几十种细菌的基因测 序工作。 1. Chromosomes1. Chromosomes Size E.coli 1300mm, 4,288gene Rolling-circle pattern of replication 2
4、. Plasmids 是细菌染色体以外能进行自主复制的遗传物质，为闭合 环状的双链DNA分子，存在于胞质中，决定细菌的某些生 物学性状，但不为细菌生长繁殖所必须。 质粒的大小范围为1Kb1000Kb（ 40kbp为大质粒） 。 特性： Small double-stranded DNA molecules, usually circular exist independently of host chromosome autonomously replicating may disappear spontaneously or by induction (UV) compatibility a
5、nd incompatibility plasmid 类型： Fertility plasmid, F质粒编码性菌毛 Resistance plasmid, R质粒使细菌产 生耐药性 Coliciogenic plasmid ，Col质粒编码细菌素 Virulence plasmid Vi质粒与细菌毒力有关 转移特性： Conjugative接合性质粒：接合性质粒： 40-100kbp， e.g F F质粒、质粒、R R质粒、质粒、ColCol质粒、毒力质粒、毒力 质粒等质粒等 Non-conjugative 非接合性质粒：非接合性质粒： 分子量小，无编码转移体系所需基因。分子量小，无编码转移
6、体系所需基因。 Bacteria 75, 30 ，sensitive to rays 噬菌体根据其对宿主细胞的作用特点可分成 Lytic or virulent phage毒性噬菌体（ e.g., T4 ） Lysogenic or temperate phage温和噬菌体（ e.g., l ） Virulent phage毒性噬菌体 Phage that can only multiply within bacteria and kill the cell by lysis. 能在宿主细胞中复制增殖，产生子代 噬菌体，并最终裂解细菌。 virulent phage multiplicatio
7、n cycle attachment吸附：噬菌体与细菌表面受体发生特异性结合的过程 penetration穿入：噬菌体核酸进入宿主细胞的过程 biosynthesis生物合成：噬菌体利用宿主细胞的原料，合成 自身的核酸和蛋白质 maturation release成熟与释放：将合成好的核酸和蛋白质按 一定程序装配成完整的成熟噬菌体，最终细胞破裂，噬菌体释放出来 。 Bacteriophagia 噬菌现象 液体培养基混浊菌液 澄清 固体培养基plaque 噬菌斑 噬菌体数量测定法plaque forming unit 噬斑 形成单位（ pfu） 温和噬菌体Temperate Phage temp
8、erate phage (lysogenic phage): 侵入菌细胞后，噬菌体的基因与宿主菌染色体整合，不产生 子代噬菌体，但可随细菌DNA的复制和细菌分裂而传代。 毒性噬菌体（virulent phage): 侵入菌细胞后,在其中增殖引起细菌裂解，释放大量子代噬菌 体。 其复制周期包括两种: lysogenic cycle 溶原性周期 lytic cycle 溶菌性周期 prophage: 整合在细菌基 因组中的噬菌体基因组 溶原性细菌 phage prophage（前噬菌体）整合在细菌基因组中的噬 菌体基因。 lysogenic bacterium（溶原性细菌）带有前噬 菌体基因的细菌
9、。 lysogen（溶原性）产生成熟子代噬菌体及溶解细 菌细胞的潜在能力。 lysogenic cycle （溶原性周期）噬菌体基因整合 在染色体上随细菌分裂传代。 lytic cycle （溶菌性周期）噬菌体基因直接复制 繁殖产生子代噬菌体并使菌细胞破裂。 lysogenic conversion（溶原性转换）当温和噬 菌体感染宿主菌使之溶原化时，由于噬菌体基因 整合于宿主菌染色体上，而使宿主菌获得新的遗 传性状的现象，称之为溶原性转换。 5整合子integron 1989年Strokes和Hall首次提出其概念。 整合子是一种运动性的DNA分子，具有独特结构可捕获和整合外源性 基因，使之转
10、变为功能性基因的表达单位。它通过转座子或接合性质粒，使 多重耐药基因在细菌中进行水平传播。整合子存在于许多细菌中，定位于染 色体和质粒或转座子上，是细菌固有的一种遗传单位，并通过捕获外源性基 因来增强细菌生存的适应性。 整合酶基因、重组位点和启动子 Mechanism of variation Phenotypic variation（表型变异或非遗传性变异） 基因结构正常，由环境因素的改变诱导生物学特性发 生改变。 Genotypic variation（遗传性变异）基因结构发生 改变，导致生物学性状发生改变，又称基因型变异。 变异的方式包括： Mutation突变 Gene transfe
11、r and recombination基因转移与重 组 Mutation a stable heritable change of bacterial gene （changes in DNA sequences） 指遗传物质的结构发生了 突然而稳定的改变，而引起的遗传性变异。 根据DNA片段变化的大小，可分为大突变和小突变。 micromutation小突变： Base substitutions, deletions, insertions, rearrangements DNA序列 上个别碱基置换、插入、缺失影响到一个或几个基因改 变，又称point mutation点突变 macrom
12、utation大突变：染色体上一段DNA分子的插 入或丢失，引起chromosomal aberration染色体畸变 。 突变的机制与规律 突变可自发，也可诱发，均具有一定的突 变率，其机制与规律不同。 自发突变：106109 诱发突变：104106 1. Spontaneous mutation 特点： 自发突变表现为随机性与不定向性。 突变是随机的、自发的，不是由外界 因素诱导产生的。 耐药性变异中药物的筛选作用。（影印培养试验） Without antibiotic With antibiotics Without antibiotic Drug resistants grow 2.
13、induced mutation 由诱变剂（化学、物理和生物因素）诱 发的突变，称为诱发突变。 诱变剂的种类多，诱发突变率高。 化学诱变剂一般均有致癌的可能性，检测一种物质是否为致癌 物可用Ames 试验 AmesAmes试验试验 野生型菌野生型菌 突变型菌 突变型菌 组氨酸营养缺乏型鼠伤寒沙门 组氨酸营养缺乏型鼠伤寒沙门 菌菌(His-)(His-)在无组氨酸的培养基中在无组氨酸的培养基中 不能生长不能生长, ,当回复突变成当回复突变成His+His+后后, , 则能在该培养基中生长。诱导剂则能在该培养基中生长。诱导剂 可诱导细菌回复突变。应用这一可诱导细菌回复突变。应用这一 试验可检测物品
14、是否有诱发突变试验可检测物品是否有诱发突变 作用。作用。 mutagen Test chemical 常见的突变类型 resistant mutation 抗性突变 nutrient deficient mutation 营养缺陷性突变 virulence mutation 毒力突变 conditional lethal mutation条件致死性突变 二、 Gene transfer and recombination 外源性遗传物质由donor bacteria供体菌转入某 recipient bacteria受体菌细胞内的过程，称为 gene transfer 基因转移。转移的基因与受体
15、菌 DNA整合在一起，称为recombination重组。 基因 转移 与 重组 方式 Lysogenic conversion 溶原性转换 Conjugation接合 Transduction转导 Transformation转化 protoplast fusion细 胞融合 1.transformation recipient bacteria takes up exogenous DNA of donor bacteria( 供体菌游离的DNA片段直接进入受体菌,使受体菌获得新的遗传性状 ),称为transformation转化. 经典试验1928年Griffiths experimen
16、t(肺炎球菌转化试验) 1994年，Avery等 2.conjugation bacterial DNA is transferred from donor bacteria to recipient bacteria by F pilus. Hfr(high frequent recombinant bacterium ) 细菌通过性菌毛相互连接沟通，将质粒或染色体的 DNA从供体菌转移给受体菌的过程，称为接合。 接合与转化不同，需要供菌与受菌之间通过中空的管 道（即性菌毛）连接将遗传物质从供菌转移给受体菌 。性菌毛的产生由质粒基因编码。 Donor Recipient 接合质粒的转移方式接
17、合质粒的转移方式 F plasmid （fertility factor, F F质粒）接合质粒）接合 F F质粒又称为致育因子质粒又称为致育因子 F+ (F+ (雄性菌）雄性菌） F- F-（雌性菌）（雌性菌） F+F+ HfrF F plasmid Hfr, high frequency of recombination F+Hfr Physiological States F plasmid F plasmid 高频重组菌 （high frequency recombinant, Hfr） Conjugation with a F plasmid Resistance plasmid (
18、 drug resistance R质粒) 接合 耐药性质粒有两部分组成： resistance transfer factor （ RTF耐药性传递因子) 编码性菌毛。 R determinant（耐药决定因子）携带耐药基因。 3.transduction 以温和噬菌体为媒介，将供体菌的一段 DNA转移到受体菌内，使受体菌获得新性 状。 普遍性转导 其转移方式有两种 局限性转导 Generalized transduction普遍性转导 普遍性转导的结果 ： 又可分成完全转导 和流产转导两种。 specialized transduction局限性转导 4. lysogenic conver
19、sion 有前噬菌体的溶源菌发生基因型的改变，获得 新性状。 白喉棒状杆菌 白喉棒状杆菌 -棒状杆菌噬菌体 （正常） （感染） 不产生外毒素 产生白喉外毒素 常见的细菌有：A群链球菌、金葡菌、肉毒梭菌等 红疹毒素 溶血毒素 肉毒毒素 第三节 细菌变异的实际应用 一、诊断、治疗与预防中的应用 1. 变异后性状不典型,给细菌鉴定工作带来困难. 2. 耐药性变异的监测, 有利于指导正确选择抗 菌药物. 3. 毒力变异的研究,以利于研制疫苗预防传染病 二、在检测致癌物质方面的应用 Ames试验检测诱变剂 三、在流行病学方面的应用 应用指纹图谱法（fingerprinting)将不同来源 细菌所携带的质
20、粒DNA、毒力基因、耐药基因等 经同一种限制性内切酶切割后进行琼脂糖凝胶电 泳，比较所产生的片段大小和数目是否相同，以 确定某一感染暴发流行菌株或相关基因的来源， 播散等情况。 四、在基因工程方面的应用 基因工程是20世纪70年代以来在分子遗传 学基础上发展起来的一项生物技术，在药 物、激素、疫苗的研制与开发上得到广泛 应用，取得了丰硕的成果。 复习思考 一、名词 质粒 噬菌体 毒性噬菌体 温 和噬菌体 前噬菌体 溶原性细菌 溶原性 转位因子 转化 接合 转导 溶原性转换 Tn Ames试验 二、思考题 1. 质粒的主要特性与类型 2.噬菌体的概念与主要生物学特性 3.温和噬菌体在细菌遗传变异中的作用 4.细菌遗传性变异机制与研究意义 5.基因突变的机制与规律 6.细菌基因转移的主要方式