遗传和变异.ppt

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1、第三章 微生物的遗传和变异,第一节 微生物的遗传物质 第二节 质粒和转座因子 第三节 微生物的基因突变和基因重组 第四节 细菌遗传变异的实际意义,生物的各项生命活动都有它的物质基础。 生物遗传的物质基础是什么呢？,根据现代细胞学和遗传学的研究得知，控制生物性状的主要遗传物质是 脱氧核糖核酸（DNA）。,遗传：,亲代与子代相似,变异：,亲代与子代、子代间不同个体不完全相同,遗传（inheritance）和变异（variation）是生命的最本质特性之一,遗传型：,表型：,又称基因型，指生物个体所含有的全部基因的总和。,具有一定遗传型的个体，在特定环境条件下通过生长发育所表现出来的外表特征和内在特

2、征的总和。,表型是由遗传型所决定，但也和环境有关。,第一节 遗传变异的物质基础,表型 饰变:不涉及遗传物质结构改变而只发生在转录、翻译水平的表型改变。,表型的差异只与环境等因素有关 特点：暂时性、不可遗传性、表现为全部个体的行为,变异（基因变异、基因突变）：,遗传物质结构或数量的改变，导致表型改变 特点：可遗传的、群体中极少数个体的行为 （自发突变频率通常为10-6-10-9）,粘质沙雷氏菌：在25下培养，产生深红色的灵杆菌素；在37下培养，不产生色素；如果重新将温度降到25，又恢复产色素的能力。,第一节 遗传变异的物质基础,（一）、经典转化实验,（二）、噬菌体感染实验,（三）、植物病毒的重建

3、实验,DNA是遗传物质的证据,一、三个经典证明实验,(一). 经典转化实验,实验者：格里菲斯（F.Gruffith，1928)；艾弗里（O.T.Avery等，1944)。,致病性：人患肺炎；鼠患败血症。,材料： R型肺炎双球菌，粗糙型无毒 S型肺炎双球菌，光滑型有毒,R型(无荚膜),S型(有荚膜),研究对象：Streptococcus pneumoniae（肺炎双球菌）,.将无毒的 R菌注入，小鼠不死，分离到 R菌,.将有毒的 S 菌注入，小鼠死，分离到 S 菌,1928年，Griffith进行了以下几组实验：,（1）动物实验,.将加热杀死（6）的 S 菌注入，小鼠不死，分离不到 S 菌,.将

4、无毒的 R菌和加热杀死（）的S 菌混合注入，小鼠死，分离到 S 菌,（2）细菌培养实验,（3）S型菌的无细胞抽提液试验,分析：这些活的有毒型细菌是怎么来的呢？,（1）是死的变成了活的吗？回答：加热处死，然后体内注射试验说明这不可能的（第三个实验）。,（2）是活的无毒型细菌（ R型）回复突变成有毒型细菌（ S 型）的吗？回答：这是不可能的（第一个实验）,但是，转变是怎么产生的呢？分明是活的无毒型细菌受到了死的有毒型细菌的影响，因为它们是一起注入小家鼠体内的。,推测: 被加热杀死的S 型肺炎双球菌必然含有某种促成以上结果的活性物质,怎样影响的呢？ 这个问题，当时的科学水平还不能回答。,加S菌DNA

5、 加S菌DNA及DNA酶以外的酶 加S菌的DNA和DNA酶 加S菌的RNA 加S菌的蛋白质 加S菌的荚膜多糖,活R菌,长出S菌,只有R菌,1944年，美国的生物学家艾弗里（Avery）、 麻克里奥（C.M.Macleod）和麦卡第（M.J.McCarty）合作，在格里菲思的肺炎双球菌转化实验的基础上进行了细致的工作 。从热死S型中提纯了可能作为转化因子的各种成分，并在离体条件下进行了转化试验：,O.T.Avery等试验,他们分别用降解DNA、RNA或蛋白质的酶作用于有毒的S型细胞抽提物，选择性地破坏这些细胞成分，然后分别与无毒的R型细胞混合，观察转化现象发生。,结果：只有S型细菌的DNA才能将

6、R型转化为S型。且DNA纯度越高，转化效率也越高。说明S型菌株转移给R型菌株的，是遗传因子。,O.T.Avery等试验,(二)、T2噬菌体的感染实验,1952年，美国人候喜（Hershey ）和蔡斯（Chase ）为了证实T2噬菌体的DNA是遗传物质，他们用32P标记病毒的DNA，用35S标记病毒的蛋白质外壳。然后将这两种不同标记与其宿主大肠杆菌混合。,以35S标记蛋白质外壳做噬菌体感染实验,上清液中含 75%放射性,沉淀中含 25%放射性,（1）含35S-蛋白质的一组：放射性75%在上清液中,用含有35S蛋白质的T2噬菌体感染大肠杆菌时，大多数放射活性留在宿主细胞的外边,二、噬菌体感染实验,

7、（2）含32P-DNA的一组：放射性85%在沉淀中,上清液中含 15%放射性,沉淀中含 85%放射性,以32P标记DNA做噬菌体感染实验,用含有32P- DNA的T2噬菌体与宿主细菌混合时，则发现32P DNA注入宿主细胞，并产生噬菌体后代，这些T2噬菌体后代的蛋白质外壳的组成、形状大小等均与留在细胞外的蛋白质外壳一模一样,实验证明：,进入细菌细胞内部的物质是DNA。 DNA包含有产生完整噬菌体的全部信息,1956 年，弗朗克-康勒脱 ( Fraenkel-Conrat) 用含RNA的烟草花叶病毒（TMV）和霍氏车前花叶病毒（HRV）进行了著名的植物病毒重建实验。 将TMV和HRV在一定浓度尿

8、素或苯酚溶液中振荡，分别拆分得到各自的RNA和蛋白质，将两种RNA分别与对方的蛋白质外壳重建形成两种杂合病毒：,(三)、植物病毒的重建实验,实验证明，遗传信息的流向与RNA的传递是一致的。,选用TMV和霍氏车前花叶病毒（HRV），分别拆分取得各自的RNA和蛋白质，将两种RNA分别与对方的蛋白质外壳重建形成两种杂合病毒：,1、RNA（TMV）- 蛋白质（HRV） 2、RNA（HRV）- 蛋白质（TMV）,用两种杂合病毒感染寄主： 1、表现TMV的典型症状病分离到正常TMV粒子 2、表现HRV的典型症状病分离到正常HRV粒子。,肺炎球菌的转化试验 噬菌体感染试验 病毒拆开与重建试验,利用微生物为实

9、验对象进行的三个著名实验的论证,只有核酸才是负载遗传信息的真正物质基础,二、遗传物质在细胞内的存在部位和方式,遗传物质的七个水平 细胞水平 细胞核水平 染色体水平 核酸水平 基因水平 密码子水平 核苷酸水平,生物体DNA大部分或几乎存在于 细胞核（真核）或核区（原核）中 不同微生物细胞，细胞核数目不同 单核 酿酒酵母、黑曲霉、孢子 双核 杆菌细胞存在两个核区（球菌一般一个） 多核 粗糙脉胞菌、米曲霉、藻状菌、放线菌,1、细胞水平,2、细胞核水平,基因组、核基因组或核染色体组 真核生物 有核膜，DNA与组蛋白结合 形成染色体 原核生物 有核区，DNA裸露，环状双链，无组蛋白与DNA结合在一起 真

10、核生物质粒：线粒体、叶绿体、共生生物、2m质粒（酵 母菌质粒位于核内，不与核染色体组整合）等 原核生物质粒：F质粒、R质粒、Ti质粒等,在细胞质中，还存在核外染色体。,3、染色体水平,染色体数目 人：23；水稻：12；大肠杆菌：1； 酿酒酵母：1617；枯草芽孢杆菌：1 染色体倍数：同一细胞中相同染色体的套数 真核生物：多条染色体，单倍体、双倍体 原核生物：一条裸露的DNA构成的环状染色体 单倍体：细胞仅含有一套染色体的个体。如多数微生物、高等动植物的生殖细胞 双倍体：细胞含有两套功能相同的染色体的个数。如多数高等动物、植物体细胞、啤酒酵母营养细胞、合子等,4、核酸水平,核酸种类 多数生物遗传

11、物质为DNA，少数病毒为RNA 原核DNA裸露 真核DNA被包裹，与组蛋白结合在一起 核酸结构 DNA双链、单链； RNA单链、双链 、环状、线状、超螺旋 DNA长度： 基因组大小的单位是bp、kb、Mb,截止到2010年11月： 1748个细菌基因组，61个真菌基因组和103个古细菌基因组序列已被发布。,随着细菌基因组研究的迅速发展，全基因组测序已逐步成为微生物基础研究的重要手段之一。,微生物基因组测序,5、基因水平,基因（gene） 基因是一个实体，它的物质基础是核酸（DNA或RNA），是一个携带有特定遗传信息的核苷酸序列，是具有自主复制能力的遗传物质的最小功能单位 基因组（genome）

12、 一个物种的单倍体的所有染色体及 其所包含的遗传信息的总称,原核生物与真核生物基因组的差别,1） 原核生物（细菌、古生菌）的基因组,染色体为双链环状的DNA分子（单倍体）； 基因组上遗传信息具有连续性（一般不含 内含子）； 功能相关的结构基因组成操纵子结构； 结构基因的单拷贝及rRNA基因的多拷贝； 基因组的重复序列少而短；,古生菌的基因组在结构上类似于细菌。但是信息传递系统(复制、转录和翻译)则与细菌不同而类似于真核生物。,结构基因：决定某一多肽链结构的DNA摸板 操纵基因：控制结构基因转录与否 启动基因：是转录的起始位点,2）真核微生物的基因组,典型的真核染色体结构DNA与组蛋白结合；,一

13、般无操纵子结构；,有间隔区（即非编码区）和内含子序列,存在大量不编码序列和重复序列；,在细胞核中转录、细胞质中翻译。,3 ） 原核生物和真核生物的基因组比较,遗传密码：指DNA链上各个核苷酸的特定 排列顺序。 密码子：由3个核苷酸顺序决定，负载遗传 信息的基本单位。 起始密码子：AUG。终止密码子：UAA、UGA、UAG。 三联密码子：每个密码子由链上三个核苷酸顺序决定，常以mRNA上三个核苷酸顺序表示。 四个核苷酸编出三联密码 4364个 同一氨基酸由多个密码子编码,6、密码子水平,7、碱基水平（核苷酸水平）,最低突变单位或交换单位 DNA链中有A（腺嘌呤）、T（胸腺嘧啶）、G（鸟嘌呤） 、

14、 C（胞嘧啶）四种碱基 RNA链中有A、U（尿嘧啶）、G、C四种碱基 几个数据 多数细菌的基因组在19Mb 每个碱基对的平均分子量650道尔顿 1*106的dsDNA约为1.5kb，或0.5um 3nm碱基重量约为1ug,遗传物质的复制-双链DNA的复制 （半保留复制）,沃森-克里克根据DNA的双螺旋模型提出的DNA复制方式。即DNA复制时亲代DNA的两条链解开，每条链作为新链的模板，从而形成两个子代DNA分子，每一个子代DNA分子包含一条亲代链和一条新合成的链。,合成只能从5到3一个方向进行； 只有一条链的合成是 连续的（前导链）； 另一条链的合成是不连续的，而是分段进行 的； 随着解旋酶的

15、前移， DNA聚合酶跳跃式往前挪动而合成不连续的小DNA片段（冈崎片段）； DNA连接酶将它们连接起来而成完整的DNA长链（后随链）；,遗传物质的复制过程,这确保了DNA复制精确，并保证了一切生物遗传性的相对稳定。,RNA(P69),又叫核糖核酸（ribonucleic acid）。与DNA相似，不同之处是以核糖代替脱氧核糖，以尿嘧啶（U）代替了胸腺嘧啶（T）。其碱基配对原则是A-U，C-G。 RNA有四种：mRNA,tRNA,rRNA和反义RNA。,mRNA,叫信使RNA，其上带有指导氨基酸的信息密码子（三联密码子），它翻译氨基酸，具传递遗传性的功能。,tRNA,叫转移RNA，其上有和mRN

16、A互补的反密码子，能识别氨基酸及识别mRNA上的密码子，在tRNA-氨基酸合成酶的作用下传递氨基酸。,tRNA 的结构,遗传密码的“阅读者”,(1)含有7080个碱基 (2) 5端和3端配对（常为7bp）形成茎区，称为受体臂或称氨基酸臂 。在3端永远是4个碱基（XCCA）的单链区。此臂负责携带特异的氨基酸。,三叶草型的二维结构,反义RNA和rRNA,反义RNA起调节作用，决定mRNA翻译合成速度。 rRNA，又称核糖体RNA，其和蛋白质结合成的核糖体为合成蛋白质的场所。,DNA与遗传密码 -由A、T（U）、C、G 组成的三联体密码,(1)三联体密码决定一个氨基酸； (2)密码的解读是从53，每

17、三个碱基为一区段进行解读的； (3)蛋白质合成的终止是由终止密码子决定的； (4)三联体单位中三个 碱基都不重复解读， 密码子与密码子之间 不存在多余的碱基； (5)有的氨基酸具有两种 以上的密码子； (6)遗传密码对于所有 生物都是共通的。,启动阶段,在核糖体上合成蛋白质（P76）,从mRNA读码框架的起始码AUG开始，按mRNA模板三联体密码的顺序延长肽链，直至终止密码出现。,蛋白质的生物合成，即翻译，就是将核酸中由 4 种核苷酸序列编码的遗传信息，通过遗传密码破译的方式解读为蛋白质一级结构中20种氨基酸的排列顺序 。,肽链的延伸阶段 -“受位” （A）和“给位”（P）,A位（氨酰基部位）

18、，氨基酰-tRNA进入部位。 P位（肽基部位），为起始tRNA或正在延伸中的肽酰-tRNA结合部位。,*进位反应 *转位反应 *移位反应 *终止阶段,肽链的延伸阶段和终止阶段,中心法则,1958年由克里克(Crick)提出，包括由DNA到DNA的复制、由DNA到RNA的转录和由RNA到蛋白质的翻译等过程。 20世纪70年代逆转录酶的发现，表明还有由RNA逆转录形成DNA的机制，是对中心法则的补充和丰富。,遗传信息传递的规律,原核生物的染色体与细胞质没有核膜分开，因此三个过程紧密联系,位于同一个操纵子内的多个基因共同转录为一个大的mRNA 分子，然后分别翻译成不同的蛋白质。,遗传信息传递,转录,

19、加工过程中内含子被切除,细胞核,转运到细胞质外,翻译,细胞质,真核生物,一、原核生物的质粒,质粒（plasmid）：,一种独立于染色体外，能进行自主复制的小型共价闭合环状的双链DNA分子，主要存在于各种微生物细胞中。,第二节 质粒与转座因子,1. 质粒的特点,（1）结构,通常以超螺旋双链DNA分子存在于细胞中；分离后大多是三种构型： CCC型（covalently closed circular):共价闭合环状 OC型（open circular form):开环型 L型（linear form)：线型,也发现有线型双链DNA质粒和RNA质粒；,质粒分子的大小范围从1kb左右到1000kb；

20、（细菌质粒多在10kb以内）,一、原核生物的质粒,麻花状的超螺旋结构,1. 质粒的特点,一、原核生物的质粒,（3） 质 粒 的 鉴 定,电镜 琼脂糖凝胶电泳 聚丙烯酰胺凝胶电泳 密度梯度离心 质粒的限制性酶切图谱,（2） 质 粒 的 制 备,增殖培养 裂解细胞 蛋白质和RNA的去除 质粒DNA与染色体DNA分离,（4）质粒的消除,吖啶类染料、丝裂霉素C、紫外线、利福平、 重金属离子、高温,（5）质粒的主要类型,质粒所编码 的功能和赋 予宿主的表 型效应,致育质粒（F质粒， F因子） 抗性质粒（R质粒， R因子） 毒力质粒（Vi质粒） 细菌素质粒 代谢质粒 隐秘质粒,（6）质粒的特征,在细胞质中

21、独立于染色体之外独立存在（游离态），也可以通过交换掺入染色体上，以附加体的形式存在； 可自我复制，稳定遗传。对生存不是必要的。复制与染色体分开，但同步进行。 根据自我复制能力的不同，可把质粒复制的控制形式分为严紧型和松弛型两种。,严紧型质粒：复制与染色体的复制同步,低拷贝数（寄主细胞内只有15个拷贝）,松弛型质粒：复制与染色体的复制不同步，高拷贝数（寄主细胞内达到10200个或更多拷贝）,（6）质粒的特征,可以通过转化、转导或接合作用而由一个细菌细胞转移到另一个菌细胞中，使两个细胞都成为带有质粒的细胞；质粒转移时，它可以单独转移，也可以携带着染色体（片段）一起进行转移，所以它可成为基因工程的载

22、体。 不同质粒携带不同遗传信息。 功能多样化,2、质粒的亲和性和不亲和性,几种质粒在同一宿主细胞内皆能复制且能稳定遗传，质粒间有亲和性。,亲和性（compatibility）,不亲和性（incompatibility ）,含一种质粒的细胞导入另一种质粒，几代后在细胞内只存在一种质粒，而丢失一种质粒，这两种质粒相互排斥不能共存的关系称为不亲和性。,3. 质粒在基因工程中的应用,优点：, 体积小，便于DNA的分离与操作；, 呈环状，在分离中保持稳定的性能；, 有独立复制起点；, 拷贝数多，外援基因扩增比较快；, 存在选择性标记，便于选择和检出。,二、原核生物的质粒,克隆载体,应用：,1）致育质粒(

23、F质粒、F因子、致育因子),大小约100kb，这是最早发现的一种与大肠杆菌的有性生殖现象（接合作用）有关的质粒。 存在于肠道细菌、奈球菌、球菌等。,F因子能以游离状态(F+)和以与染色体相结合的状态(Hfr)存在于细胞中，又称为附加体。,包括抗药性和抗重金属二大类。 抗性质粒在细菌间的传递是细菌产生抗药性的重要原因之一。,R质粒,抗性转移因子（RTF）：转移和复制基因 抗性决定因子：抗性基因,2）抗性质粒（R质粒、R因子）,R质粒与耐药性有关，尤其与多重耐药性有关。, Ti质粒（tumor-inducing plasmid） 存在于根癌土壤杆菌中，引起双子叶植物根癌。特殊片段TDNA整合植物D

24、NA中，令其转化成癌细胞（破坏控制细胞分裂的激素调节系统）。 大小：200kb(大型质粒) 组成：三个致癌基因。 一些具有重要性状的外源基因可借 DNA重组技术设法插入到Ti质粒中，并 进一步使之整合到植物染色体上，以改 变该植物的遗传性，达到培育植物优良 品种的目的。,3）毒性质粒,Ti质粒是当前植物基因工程中使用最广、效果最佳的克隆载体。,T-DNA可携带外源基因整合到植物基因组,许多致病菌的致病性是由其所携带的质粒引起的，这些质粒具有编码毒素的基因。,编码各种细菌产生的细菌素。 大肠杆菌（E. coli）产生的细菌素为大肠杆菌素（colicins），而质粒被称为Col质粒（大肠杆菌素质粒

25、）。 大肠杆菌素： 具有通过抑制转录、转译或能量代谢而专一杀死 近缘不含Col质粒菌株的功能。,细菌素：抑制或杀死其他近缘细菌或同种不同菌株的代谢产物。是由质粒编码的蛋白质，一般根据产生菌的种类进行命名。,4）细菌素质粒,质粒上携带有有利于微生物生存的基因，如能降解某些基质的酶，进行共生固氮，或产生抗生素（某些放线菌）等。,5）代谢质粒,降解质粒：,将复杂的有机化合物降解成能被其作为碳源和能源利用 的简单形式，环境保护方面具有重要的意义。,假单胞菌：具有降解一些有毒化合物，如芳香簇化合物(苯)、农药、辛烷和樟脑等的能力。,6）隐秘质粒,不显示任何表型效应，它们的存在只有通过物理的方法（用凝胶电

26、泳检测细胞抽提液）才能发现。 它们存在的生物学意义，目前几乎不了解。,在应用上，很多隐秘质粒被加以改造作为基因工程的载体 （一般加上抗性基因）,二、转座因子(transposable element, TE)的类型,转座：DNA序列从染色体某一部位转移到同一染色体上另一部位或其它染色体上某一部位的现象。,插入序列 (insertion sequence, IS) 转座子(transposon, Tn) Mu噬菌体,转座因子又称为可移动基因、可移动遗传因子、跳跃基因。,转座因子,位于染色体或质粒上的一段能改变自身位置的DNA序列，广泛分布于原核和真核细胞中。,三、转座因子的类型,转座因子的特点：

27、,在转座时，通过转座因子的复制，将新形成的拷贝转移到染色体的新部位上。,在转座因子两端各有一段一定长度的反向末端重复序列，401000bp。,TATTA. TATTA ATAAT. ATAAT 正向重复,ACTTG. CAAGT TGAAC. GTTCA 反向重复,带有一个对转座有特异功能的转座酶基因。,三、转座因子的类型,1. 插入序列 (insertion sequence, IS),是最简单的转座因子，长度不超过2kb，只含有编码转座所必须的转座酶基因，它们分布在细菌的染色体、质粒以及某些噬菌体DNA上。,反向重复,三、转座因子的类型,2. 转座子(transposon, Tn),Tn比

28、IS分子大，不仅有插入序列，还携带有赋予宿主某些遗传特性的基因，主要是抗生素和某些毒物的抗性基因。 当Tn插入某一基因时，一方面可引起插入基因失活产生基因突变，另一方面可因带入耐药性基因而使细菌获得耐药性。 转座子可能与细菌的多重耐药性有关。,转座子的特征,2. 转座子(transposon, Tn),3. 转座噬菌体或前噬菌体,Mu噬菌体：E.coli的温和噬菌体，溶源化后能起到转座子的作用，是最大的转座因子，全长约 39 kb。,温和噬菌体：噬菌体侵入寄主细菌以后，它们的核酸和寄主 细胞同步复制，寄主细胞不裂解。,溶原细胞（细胞溶原化）：含有温和噬菌体的寄主细胞 转座噬菌体或前噬菌体（原噬

29、菌体）：在溶原细胞内的噬菌体核酸,转座噬菌体从细菌染色体分离脱落时，可能连带有细菌的DNA片段，故它还可能在遗传物质转移过程中起载体作用。,一个基因内部遗传结构或DNA序列的任何改变,基因突变,基因突变是重要的生物学现象，它是一切生物变化的根源，连同基因转移、重组一起提供了推动生物进化的遗传多变性。,第三节 基因突变和基因重组,野生型 （原始性状）,特定环境,突变型 （适应环境的新性状）,驯化,定向变异,筛选,突变,自发突变,诱变,环境因素的影响，DNA复制过程的偶然错误等而导致，一般频率较低（通常为10-6-10-9 ）。,某些物理、化学因素对生物体的DNA进行直接作用，突变以较高的频率产生

30、。,从自然界分离获得的菌株,突变的碱基在复制后稳定地存在于子代,营养缺陷型：需要某种生长因子（如氨基酸或维生素）的突变体 原养型：能恢复到原来的表现型,基因的转移和重组,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。 重组：转移的基因与受体菌DNA整合在一起，使受体菌获得供体菌的某些性状。,细菌的基因转移和重组可通过转化、接合、转导、溶原性转换和细胞融合等方式进行。,真核微生物与原核微生物在基因重组的形式上的不同？,真核微生物的基因重组，在有性繁殖过程中发生。当真核微生物两个配子融合为一个合子并进行减数分裂时，部分染色体发生交换，交换实际上就是基因重组，由此而产生的新的染色体就是重

31、组染色体。,原核微生物的基因重组，通常只是部分遗传物质的转移和重组，形成的是部分合子（半合子），并且通过转化，接合和转导等形式进行。,转化,转化是受体菌直接吸收供体菌的 DNA 片段而获得供体菌部分遗传性状的现象。转化后的的受体菌称为转化子。 转化现象在肺炎链球菌、葡萄球菌和流感嗜血杆菌等中被证实。 目前已知有二十多个种的细菌具有自然转化的能力。,供体菌,受体菌,DNA片段,自然感受态 是细胞一定生长阶段的生理特性，受细菌自 身的基因控制 人工感受态 是通过人为诱导的方法，使细胞具摄取DNA的能力，或人为地将DNA导入细胞内,1、建立感受态的受体细胞,感受态细胞：具有摄取外源DNA能力的细胞,

32、进行自然转化，需要二方面必要的条件：,2、要有外源游离的DNA分子（即转化因子）,转化因子：来自供体菌的具有转化活性的游离的DNA片段。,转化因子吸附在受体菌表面受体上，然后再被摄入 。 解链，一链进入受体菌，另一链为进入提供能量。 重组。 DNA复制重组菌繁殖后，获得新的性状的细菌称为转化菌的突变株。,转化过程,人工转化,用CaCl2处理细胞、电穿孔法等是常用的人工转化手段,不是由细菌自身的基因所控制,质粒的转化效率高,是通过人为诱导的方法，使细胞具有摄取DNA的能力，或人工地将DNA导入细胞内。,CaCl2处理细胞，使其成为能摄取外源DNA的感受态状态. 电穿孔法：用高压脉冲电流击破细胞膜

33、，或击成小孔，使各种大分子（包括DNA ）能通过这些小孔进入细胞。,接合,接合性质粒：能通过接合方式转移的质粒，如F质粒、R质粒、Col质粒和毒力质粒。 在细菌中，接合现象研究得最清楚的是大肠杆菌。发现大肠杆菌有性别分化， 决定它们性别的是F因子。,细菌通过性菌毛相互连接沟通，将遗传物质（主要是质粒DNA）从供体菌转移给受体菌。,因子的四种细胞形式,1） F+ F-接合,与F 相接触时，可通过性菌毛将F因子转移到F 细胞中，使之也变成F+菌株。 F因子以很高的频率传递，但含F因子的宿主细胞的染色体DNA一般并不被转移。,2） HfrF-接合,接合时，Hfr染色体双链中的一条单链在F因子处发生断

34、裂，F因子位于线状单链DNA的两端，整段单链线状染色体从5端开始等速进入F细胞，在没有外界干扰的情况下，全部转移过程的完成需要约2小时。由于种种原因DNA转移过程常会发生中断，所以越是前端的基因进入F 细胞的机会越大。F因子位于线状DNA的末端，进入受体细胞的机会最小，故这种接合引起转性的频率最低，但可以出现各种重组子。,FF-与F+F-的不同： 供体的部分染色体基因随F一起转入受体细胞,3）FF-接合,F F F + F,以F质粒来传递供体基因的方式，称为F质粒转导 或F因子转导、性导、F质粒媒介的转导。,雄性菌株与雌性菌株接合结果,转导,转导：以转导噬菌体为载体，将供体菌的一段DNA转移到

35、受体菌内，使受体菌获得新的性状。,转导的类型：,普遍性转导,局限性转导,完全转导,流产转导,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。,转导噬菌体能以正常方式感染另一宿主菌，并将其头部的染色体注入受体菌内。因被包装的DNA可以是供体菌染色体上的任何部分，故称为普遍性转导。,普遍性转导是很少发生的遗传事件。,普遍性转导,完全转导 外源性DNA片段与受体菌的染色体整合，并随染色体而传代，称完全转导 流产转导 外源性DNA片段游离在胞质中,既不能与受体菌染色体整合，也不能自身复制，称为流产转导,普遍性转导,局限性转导,控制乳糖利用酶,噬菌体进 入大肠埃希菌,通过部

36、分缺陷的温和噬菌体把供体菌的少数特定基因携带到受体菌中，并获得表达的转导现象。,特点：,噬菌体对供体菌和受体菌都是温和噬菌体 只能转导供体菌的个别特定基因，一般为噬菌体整合位点两侧的基因； 该基因由部分缺陷的温和噬菌体携带； 缺陷噬菌体的形成方式是由于它在脱离宿主细胞核染色体过程中，发生低频率（10-5 ）的误切。,普遍性转导与局限性转导的区别,溶源转变是一个与转导相似又不同的现象,溶源转变的特点： 1、噬菌体不携带任何供体菌的基因； 2、噬菌体是完整的，而不是缺陷的； 3、噬菌体基因的整合到宿主染色体上导致宿主获得 新性状，无通过基因重组而形成的稳定转导子； 4、宿主获得新性状具有不稳定性。

37、,溶原性转换,溶原性转换是当噬菌体感染细菌时，宿主菌染色体中获得了噬菌体的DNA片段，使其成为溶原状态时而使细菌获得新的性状。,三者根本区别在于DNA转移的方式不同,转化： 供体DNA片断注入受体细胞，通过细胞膜,接合： 供体进入受体通过性菌毛,转导： 供体DNA片断通过媒介噬菌体携带进入受体,原生质体融合,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质体后进行彼此融合的过程。 聚乙二醇可促使二种原生质体的融合。 原生质体融合是一种人工基因转移系统。,第四节 细菌遗传变异的实际意义,在疾病的诊断、治疗与预防中的应用 在测定致癌物质中的应用 在流行病学中的应用 在基因

38、工程中的应用,在疾病的诊断、治疗与预防中的应用,形态、结构、染色性、生化特性、抗原性及毒力等方面的变异，使得诊断复杂化 如金黄色葡萄球菌的耐药性菌株增加，绝大由金黄色变成灰白色，血浆凝固酶阴性的葡萄球菌也成为致病菌，给诊断带来困难；伤寒沙门菌有10%不产生鞭毛，检查无动力，无H抗体，影响正确判断。 在临床细菌学检查中不仅要熟悉细菌的典型特性，还要了解细菌的变异规律，只有这样才能去伪存真作出正确的诊断。,抗生素的广泛应用，临床分离的细菌中耐药菌株日益增多，更发现有对多种抗生素多重耐药的菌株，为此，对临床分离的致病菌，必须在细菌药物敏感试验的指导下正确选择用药，不能滥用抗生素。 为预防传染病的发生

39、，用人工的方法减弱细菌的毒力，用遗传变异的原理使其诱变成保留原有免疫原性的减毒株或无毒株，制备成预防疾病的各种疫苗。,在疾病的诊断、治疗与预防中的应用,在测定致癌物质中的应用,肿瘤的发生一般认为是细胞内遗传物质发生了改变，使正常细胞变为转化细胞，因此凡能诱导细菌发生突变的物质都有可能是致癌物质。 Ames试验就是根据能导致细菌基因突变的物质均为可疑致癌物的原理设计的。,Ames试验：利用细菌模型了解潜在 化学致癌物（有“三致”作用的物质）的诱变作用,“生物化学统一性”法则： 人和细菌在DNA的结构及特性方面是一致的，能使微生物发生突变的诱变剂必然也会作用于人的DNA，使其发生突变，最后造成癌变

40、或其他不良的后果。,诱变剂的共性原则： 化学药剂对细菌的诱变率与其对动物的致癌性成正比 超过95%的致癌物质对微生物有诱变作用 90%以上的非致癌物质对微生物没有诱变作用,美国加利福尼亚大学的Bruce Ames教授于1966年发明，因此称为Ames试验 具体操作：选用鼠伤寒沙门氏菌(Salmonella typhmurium)组氨酸营养缺陷型菌株(his-)作试验菌，以被检测的可疑化学物质作诱变剂。因his- 菌在组氨酸缺乏的培养基上不能生长，若发生突变成为his+菌则能生长。比较含有被检物的试验平板与无检物的对照平板，计数培养基上的菌落数，凡能提高突变率、诱导菌落生长较多者，证明被检物有致

41、癌的可能。,证明Ames试验重要性的应用实例： 国外曾开发了一种降低妇女妊娠反应的药物“反应停”，由于其药效显著，在60-70年代十分流行。 但随后人们就发现畸形儿的出生率明显增高，而且生产畸形儿的妇女大多曾服用“反应停”，后来采用Ames试验发现这种物质的确具有很强的致突变作用，因此这种药物被禁止使用。 但如果能在这种药物上市之前就进行Ames试验检测，那么这种大量出生畸形儿的悲剧完全可以避免。,在流行病学中的应用,分子生物学分析方法已被用于流行病学调查 质粒指纹图（PEP）的方法来检测不同来源细菌所带质粒的大小，比较质粒的各种酶切图，其产生片段的数目、大小、位置引起某一疾病暴发流行的流行菌

42、株与非流行菌株，也可用于调查医院感染的各种细菌的某种耐药质粒的传播扩散情况。 对噬菌体敏感性及溶原性，对细菌素的敏感性等也可研究流行菌株的同源性等。,在基因工程中的应用,基因工程是根据遗传变异中细菌可因基因转移和重组而获得新性状的原理设计的 切取目的基因 连接到载体上 转移到工程菌内，大量表达目的基因产物 目前已大量生产胰岛素、干扰素、多种生长激素、rIL-2等细胞因子和乙肝疫苗等生物制品。 并已探索用基因工程技术治疗基因缺陷性疾病等。,今后，基因工程在医学领域和生命科学中必将得到更广泛的应用。,本章小结,遗传型 表型 饰型 变异；核基因组 和外染色体；突变率 选择性突变 点突变 转换 颠换

43、移码突变 染色体畸变 转座子；营养缺陷性 野生型 原养型；基因重组；感受态 转化 转导 普通转导 局限转导 流产转导 低频转导 高频转导 转染 缺陷噬菌体 双重溶源菌；溶源转换 接合 性导；重组DNA技术 高频重组株,1.历史上证明核酸是遗传物质基础的实验有几个？实验者是谁？试举其中一例加以说明。 2.为什么证明核酸是遗传物质的3个经典实验都不约而同地同时选用微生物作为研究对象，且其中两个是病毒？ 3.根据功能，可将质粒分为哪六种类型？简述各自的功能； 4.简述原核生物的三种转座因子； 5. 什么是基因突变？有何特点？可分哪几类？ 6. 什么是细菌的接合？什么是F质粒？ 7.比较E. coli 的F+、F-、Hfr和F的异同，试述四者间的关系； 8.比较普遍性转导与局限性转导间的异同； 9.自然感受态与人工感受态间的区别；,本章小结,