細菌的遺傳與變異

1、遺傳遺傳：指親代與子代之間某些性狀相似性狀相似 或相同或相同，保持了種族相對穩(wěn)定。 變異變異：指親代與子代之間出現(xiàn)性狀差異性狀差異， 使細菌產生變種或新種。 遺傳性變異：基因型基因型變異 非遺傳性變異：表型表型變異 微生物遺傳的物質基礎微生物遺傳的物質基礎 遺傳變異有無物質基礎以及何種物質可承擔遺 傳變異功能的問題，是生物學中的一個重大理論問 題。直到1944年后，利用微生物這一實驗對象進行 了三個著名的實驗，才以確鑿的事實證實了核酸尤 其是DNA才是遺傳變異的真正物質基礎。 三個經典實驗 轉化實驗 噬菌體感染實驗 Alfed Hershey和Martha Chase(1952)用放射性同 位

2、素35S標記蛋白質，32P標記DNA。 植物病毒重建實驗 1956年，H.Fraenkel-Conrat用含RNA的煙草花 葉病毒(TMV)進行了著名的植物病毒重建實驗，證 明了RNA也是遺傳物質的基礎 第一節(jié)第一節(jié) 細菌遺傳變異細菌遺傳變異 的物質基礎的物質基礎 一、一、 細菌的變異現(xiàn)象細菌的變異現(xiàn)象 1、形態(tài)結構變異形態(tài)結構變異 v細菌細菌L型型在青霉素、溶菌酶、補體等在青霉素、溶菌酶、補體等 作用下，使菌細胞壁發(fā)生缺陷；細菌呈多作用下，使菌細胞壁發(fā)生缺陷；細菌呈多 態(tài)性，革蘭染色陰性。態(tài)性，革蘭染色陰性。 vH-O變異變異細菌失去鞭毛細菌失去鞭毛 陳舊培基物 鼠疫桿菌 多形態(tài)性 2、毒毒

3、 力力 變變 異異 v毒力增強毒力增強 無毒的白喉棒狀桿菌感染溫和噬菌無毒的白喉棒狀桿菌感染溫和噬菌 體后成為有毒株。體后成為有毒株。 v毒力減弱毒力減弱 有毒菌株變異為弱毒或無毒菌株有毒菌株變異為弱毒或無毒菌株 卡介苗卡介苗 Bacillus of Calmette- Gerin，BCG ： 卡介二氏用有毒的牛結核分枝桿菌在含膽汁、卡介二氏用有毒的牛結核分枝桿菌在含膽汁、 甘油、馬鈴薯的培養(yǎng)基上，經甘油、馬鈴薯的培養(yǎng)基上，經13年連續(xù)年連續(xù)230次傳次傳 代所獲得的一株毒力減弱但保留免疫原性的變異代所獲得的一株毒力減弱但保留免疫原性的變異 株；是用于預防結核病的減毒活疫苗株；是用于預防結核病

4、的減毒活疫苗。 3、耐、耐 藥藥 性性 變變 異異 細菌對某種抗生素或藥物由敏感變?yōu)?不敏感即為細菌的耐藥現(xiàn)象。 耐藥菌 多重耐藥菌 抗生素依賴 4、菌落變異菌落變異 光滑型光滑型（smooth，S） 粗糙型粗糙型 （rough，R） S-R 變異變異 S型菌株致病性強，一般新分離的菌株為型菌株致病性強，一般新分離的菌株為S 型。菌落發(fā)生變異后，細菌的理化特性、抗原型。菌落發(fā)生變異后，細菌的理化特性、抗原 性、生化能力、毒力等也可發(fā)生改變性、生化能力、毒力等也可發(fā)生改變。 （一）細（一）細 菌菌 染染 色色 體體 bacterial chromosome 是一個閉環(huán)雙鏈DNA；基因結構 連續(xù)，

5、排列緊密，不含內含子。 細菌DNA的改變導致遺傳性狀發(fā)生改 變。 二、細菌的遺傳物質二、細菌的遺傳物質 （二）質（二）質 粒（粒（plasmid） 1、定義：、定義： 位于細菌細胞質中染色體外的遺傳物質， 是閉合環(huán)狀雙鏈DNA，能自主復制，所攜帶的 遺傳信息能賦予細菌某些非生命必需的生物學 性狀如性菌毛、耐藥性和毒力等。 （1）有自我復制能力自我復制能力，隨細菌分裂轉移到子代細胞中。 分為：緊密型質粒和松弛型質粒 （2）質粒編碼的基因產物賦予細菌某些性狀賦予細菌某些性狀，如耐藥性、 致病性、致育性等 。 （3）可自行丟失與消除自行丟失與消除 質粒不是細菌生長所必不可少的，失去質粒的細 菌仍能正

6、常存活。 2、特、特 征：征： （4）質粒可以通過接合、轉化或轉 導等方式在細菌間轉移 。 接合性質粒與非接合性質粒 （5）質粒的相容性與不相容性 3、幾種常見質粒：、幾種常見質粒： F質粒質粒fertility factor 性菌毛有關性菌毛有關 R質粒質粒resistance plasmid與耐藥性有關與耐藥性有關 Col質粒質粒Col plasmid編碼大腸菌素編碼大腸菌素 Vi質粒質粒virulence plasmid與細菌毒力有關與細菌毒力有關 代謝質粒代謝質粒metabolic plasmid與代謝相關的酶類與代謝相關的酶類 （三）轉座因子（三）轉座因子 是細菌基因組中能改變自身位

7、置的一段是細菌基因組中能改變自身位置的一段 DNA序列序列，由其，由其移動可移動可引起插入突變、染色體引起插入突變、染色體 畸變及基因的重排等，從而導致細菌遺傳性狀畸變及基因的重排等，從而導致細菌遺傳性狀 改變。改變。 插入序列插入序列 轉座子轉座子 1、插入序列、插入序列 （insertion sequence，IS） 是最小的轉座因子，長度不超過2kb，不攜 帶任何已知與插入功能無關的基因區(qū)域。 2、轉座子、轉座子（transposon，Tn） 長度一般超過2kb，除兩端的IS外，還攜帶 有與耐藥性、毒素等有關的基因。 是一種運動性的DNA分子，具有獨特結構 可捕獲和整合外源性基因，使之轉

8、變成為功能 性基因的表達單位。 整合子定位于細菌的染色體和質粒或轉座 子上，與細菌的耐藥性密切相關。 （四）整合子（四）整合子（integron In） 概念： 噬菌體是感染細菌、真菌、放線菌或螺 旋體等微生物的病毒病毒。 特點： 只有一種核酸類型、能通過濾菌器、 無完整細胞結構、專性細胞內寄生、 嚴格宿主特異性。 三三 、噬菌體、噬菌體 （phage） 1.形態(tài)結構：形態(tài)結構： 電子顯微鏡下三種 基本形態(tài)：蝌蚪形、 球形和絲狀。 大多數(shù)噬菌體呈蝌 蚪形，分成頭部和尾部。 （一）噬菌體的生物學性狀（一）噬菌體的生物學性狀 噬菌體示意圖 噬菌體電鏡照片噬菌體電鏡照片 核核 酸酸： 遺傳物質（DN

9、A/RNA） 蛋白質蛋白質：能保護噬菌體核酸， 決定其外形和表面特征， 識別宿主菌表面的受體。 2. 化化 學學 組組 成：成： 3.抗原性與抵抗力抗原性與抵抗力 噬菌體的衣殼蛋白具有抗原性，可刺激機體 產生特異性抗體。該抗體能抑制相應噬菌體感 染敏感細菌；但對已吸附或已進入宿主菌的噬 菌體不起作用，噬菌體仍能復制增殖。 抵抗力較一般細菌強，低溫下長期存活，紫 外線敏感。 根據(jù)和宿主的關系可將噬菌體 分為兩類： 毒性噬菌體毒性噬菌體和溫和噬菌體溫和噬菌體。 （二） 噬菌體與宿主菌的關系 毒性噬菌體毒性噬菌體（virulent phage） 是感染宿主菌后，能在宿主菌細胞內復 制增殖，產生許多子

10、代噬菌體，并且最終裂 解宿主菌。 溫和噬菌體溫和噬菌體（temperate phage） 感染宿主菌后，不裂解細菌，不產生子 代噬菌體，但噬菌體基因與宿主菌染色體整 合，隨宿主菌DNA復制而復制，并隨宿主菌 分裂而傳代。 1、毒性噬菌體、毒性噬菌體 1）溶菌周期）溶菌周期 毒性噬菌體在敏感菌體內的復制增殖過 程亦是一個溶菌過程，故可稱為復制周期復制周期或 溶菌周期溶菌周期； 包括吸附、穿入、生物合成、裝配成熟 和釋放幾個階段。 吸 附 穿 入 生物合成 裝配、成熟、釋放 噬菌體侵噬細菌電鏡圖片 2）溶菌現(xiàn)象）溶菌現(xiàn)象 液體培養(yǎng)基中：混濁菌液 澄清； 固體培養(yǎng)基中：表現(xiàn)為噬斑。 前噬菌體：前噬菌

11、體： 整合在宿主菌染色體上的噬菌體基因組。 溶原性細菌：溶原性細菌：帶有前噬菌體基因組的細菌 。 溶原狀態(tài)：溶原狀態(tài)： 噬菌體基因隨溶原性細菌的分裂而傳給子代 的狀態(tài)。 2、溫、溫 和和 噬噬 菌菌 體體 1）概 念： 溫和噬菌體感染宿主菌后所建立的溶原 狀態(tài)可中斷，前噬菌體可自發(fā)或在一定理化 因素誘導下從宿主菌染色體切離下來，重新 復制新的子代噬菌體，最終裂解細菌。 因此溫和噬菌體有溶原性周期和溶菌性 周期。 2）溶原性周期和溶菌性周期）溶原性周期和溶菌性周期 吸 附 穿 入 Prophage：整合在宿主菌 基因組中的噬菌體基因組 溶原性細菌 溶原性細菌的溶原性周期和溶菌性周期溶原性細菌的溶

12、原性周期和溶菌性周期 溶原性周期溶菌性周期 某些前噬菌體可導致細菌基因型和性狀發(fā)生改 變，稱為溶原性轉換。 如： 白喉外毒素、致熱外毒素、肉毒梭菌等。 3）溶原性轉換）溶原性轉換（lysogenic conversion） 一、一、 轉化轉化（transformation） 供體菌游離的供體菌游離的DNA片段被受體菌片段被受體菌 直接攝取直接攝取，使受體菌獲得新的性狀。，使受體菌獲得新的性狀。 第二節(jié)第二節(jié) 基基 因因 轉轉 移移 與與 重重 組組 小鼠體內肺炎鏈球菌的轉化試驗 細菌轉化的條件：包括受體菌受體菌與外源外源DNA的條件。 1）感受態(tài)細菌感受態(tài)細菌: 細菌的感受態(tài)是指細菌能夠從周圍

13、環(huán)境中吸收外源細菌能夠從周圍環(huán)境中吸收外源 DNA分子進行轉化的生理狀態(tài)。分子進行轉化的生理狀態(tài)。 可用人工的方法提高受體菌感受態(tài)的水平，通過以CaCl2、 MgSO4等處理或電轉化。 2）外源）外源DNA ：雙鏈DNA分子 親緣關系越近，DNA的純度越高，則轉化率越高。 細菌通過性菌毛性菌毛相互連接溝通，將遺 傳物質從供體菌轉移給受體菌。 轉移的遺傳物質主要是質粒質粒，亦可以 是供體菌的部分染色體DNA分子。 二、接合（二、接合（Conjugation） 質粒可分為接合性質粒和非接合性質粒， 接合性質粒主要包括F質粒、R質粒、Col質粒 和毒力質粒等。 1）F質粒的接合質粒的接合 Hfr（高

14、頻重組菌）（高頻重組菌）： F質粒整合于宿主菌染色體后，能高效地帶動 細菌染色體上的基因轉移入F菌，因此稱為高頻重 組菌。 在Hfr中，F(xiàn)質粒結合在染色體的末端，當Hfr 與F菌雜交時，F(xiàn)質粒起發(fā)動轉移的作用。供菌染 色體先進入受體菌， F質粒最后進入。 被轉移的DNA可以是任意長度的供體菌染色體任意長度的供體菌染色體 的片段的片段。 F質粒：質粒： Hfr菌中的F質?？梢詮募毦旧w上 切離下來，終止其Hfr狀態(tài)，切離時可能 帶有染色體上臨近的基因，這種質粒稱為 F質粒質粒。 F+菌菌：有：有F質粒的細菌質粒的細菌 F+菌菌 F-菌菌 F+菌菌 + F+菌菌 Hfr菌菌：染色體整合有：染色體

15、整合有F質粒的細菌質粒的細菌 Hfr菌菌F-菌菌 Hfr菌菌 + F-菌菌 F菌菌：有：有F質粒的細菌質粒的細菌 F菌菌 F-菌菌 F菌菌 + F菌菌 (F質粒質粒: 帶有宿主菌染色體基因的帶有宿主菌染色體基因的F質粒質粒) 2）R質粒的接合質粒的接合 R質粒由耐藥傳遞因子耐藥傳遞因子（RTF）和耐藥耐藥（r） 決定子決定子兩部分組成，這兩部分可單獨，也可結 合在一起，只有結合在一起才能發(fā)生質粒的接 合性傳遞。 RTF的功能與F質粒相似，因此可介導類似類似 F質粒質粒的接合過程；r決定子能編碼對抗菌藥物對抗菌藥物 的耐藥性的耐藥性。 噬菌體噬菌體為載體，將供體菌的一 段DNA片段轉移給受體菌，

16、使其獲得 新的性狀。 三、轉三、轉 導（導（Transduction） 根據(jù)轉導基因片段的范圍，可分為兩種： 普遍性轉導普遍性轉導： 可轉移供體菌可轉移供體菌DNADNA的任何片段。的任何片段。 局限性轉導局限性轉導： 只轉移前噬菌體插入部位鄰近的供體菌只轉移前噬菌體插入部位鄰近的供體菌DNADNA片段片段 1）普）普 遍遍 性性 轉轉 導導 噬菌體的溶菌周期發(fā)生裝配錯誤，誤將 供體菌DNA裝入噬菌體內成為一個轉導噬菌 體，再以正常方式感染另一宿主菌。 由于這種過程是隨機的，被包裝的DNA 可以是供體菌染色體的任意片段（包括質 粒），故稱為普遍性轉導。 外源性DNA片段與受體菌染色體整合， 并

17、隨染色體復制而傳代，稱完全轉導。 外源性DNA片段游離在胞質中，既不 能與受體菌染色體整合，也不能自身復 制，稱為流產轉導。 普遍性轉導模式圖 溫和噬菌體在溶原周期將DNA整合于 供體菌染色體的特定部位，當其從染色體 上切離時發(fā)生偏差，帶走相鄰的細菌染色 體基因，并將DNA轉導給受體菌。 其轉導的是整合鄰近部位供體菌的個 別特定基因，故稱為局限轉導。 2）局）局 限限 性性 轉轉 導導 溫和噬菌體感染細菌時，宿主菌染色 體中獲得了噬菌體的DNA片段，成為溶原 狀態(tài)，從而使細菌獲取新的生物學性狀。 四、溶原性轉換四、溶原性轉換（lysogenic conversion） 類型 基因來源 轉移方式

18、 轉化 供體菌游離DNA 直接攝入 接合 供體菌 性菌毛連接 轉導 供體菌 噬菌體介導 溶原性轉換 噬菌體 感染并整合 基因轉移和重組的方式比較基因轉移和重組的方式比較 一、基因突變的規(guī)律一、基因突變的規(guī)律 1、突變率：、突變率： 自發(fā)突變率很低，細菌分裂106 109次發(fā)生一次突變， 人工誘變指加入誘變理化因素、X 線、紫外線、烷化劑、亞硝酸基提高 101000倍。 第三節(jié)第三節(jié) 基基 因因 突突 變變 2、突變與選擇、突變與選擇 突變是隨機隨機的，不定向不定向的，而環(huán)境只起 選擇作用。 彷徨試驗：彷徨試驗： 影印試驗：影印試驗： 3 3、回復突變與抑制突變、回復突變與抑制突變 正向突變 野

19、生型 突變株 回復突變 回復只是表型相同或相似，基因型不一 定完全相同；有基因內抑制和基因間抑制。 二、常見的突變類型 形態(tài)突變 營養(yǎng)缺陷體突變 耐藥性突變 條件致死突變 毒力變異株 第五節(jié) 細菌遺傳變異在細菌遺傳變異在 醫(yī)學上的實際意義醫(yī)學上的實際意義 病原性診斷： L型細菌、HO變異、 SR變異 特異性防治： 卡介苗（BCG）及預防炭疽、鼠疫用疫苗。 在疾病診斷和防治中的應用在疾病診斷和防治中的應用 在檢測在檢測致癌物質中的應用致癌物質中的應用 在基因工程在基因工程中中的應用的應用 重組胰島素、 重組干擾素、 重組凝血因子、 重組生長激素等。 小結小結 掌握細菌遺傳物質的種類及特點。 掌握

20、噬菌體、毒性噬菌體、溫和噬菌體、前噬菌體、溶 原性細菌的基本概念。 掌握細菌基因的轉移與重組的四種方式的概念及機理。 熟悉噬菌體的生物學性狀，細菌的變異類型及現(xiàn)象。 了解噬菌體與宿主菌的相互關系、基因突變、細菌遺傳 變異在醫(yī)學上的應用。 三個經典實驗 轉化實驗 噬菌體感染實驗 Alfed Hershey和Martha Chase(1952)用放射性同 位素35S標記蛋白質，32P標記DNA。 植物病毒重建實驗 1956年，H.Fraenkel-Conrat用含RNA的煙草花 葉病毒(TMV)進行了著名的植物病毒重建實驗，證 明了RNA也是遺傳物質的基礎 一、一、 細菌的變異現(xiàn)象細菌的變異現(xiàn)象 1、形態(tài)結構變異形態(tài)結構變異 v細菌細菌L型型在青霉素、溶菌酶、補體等在青霉素、溶菌酶、補體等 作用下，使菌細胞壁發(fā)生缺陷；細菌呈多作用下，使菌細胞壁發(fā)生缺陷；細菌呈多 態(tài)性，革蘭染色陰性。態(tài)性，革蘭染色陰性。 vH-O變異變異細菌失去鞭毛細菌失去鞭毛 （4）質?？梢酝ㄟ^接合、轉化或轉 導等方式在細菌間轉移 。 接合性質粒與非接合