1、第5章,细菌的遗传(ychun)与变异,第一页，共五十三页。,遗传(ychun)与变异,遗传(heredity)：微生物的性状保持相对稳定，亲代与子代基本相同，且代代相传。变异(variation)：在一定条件下，子代与亲代之间以及子代与子代之间的生物学性状出现的差异。基因型(genotype)：指构成生物遗传基础的基因(jyn)组成。它决定着生物的遗传特性。表型(phenotype)：在一定条件下，特定基因实际表现出来的各种性状。基因型变异(genotypic variation)：基因结构发生改变。遗传性变异。表型变异(phenotypic variation)：细菌在一定的环境条件影响下
2、产生的变异，其基因结构未改变。非遗传性变异。,第二页，共五十三页。,细菌(xjn)的变异现象,形态结构(jigu)的变异菌落变异(S-R)毒力变异(强 弱)耐药性变异(敏感 耐药),第三页，共五十三页。,1.形态结构(jigu)的变异,正常形态细菌(xjn)细菌(xjn)L型H-O变异：鞭毛脱落，动力消失,青霉素、溶菌酶,第四页，共五十三页。,2.毒力变异(biny),增强 棒状噬菌体白喉棒状杆菌(gnjn)产生白喉毒素 减弱 胆汁、甘油、马铃薯培养基牛型结核分枝杆菌 卡介苗 13年(230代),第五页，共五十三页。,3.菌落(jnlu)变异,S-R变异(biny),S(smooth)菌落(j
3、nlu),R(rough)菌落,第六页，共五十三页。,4.耐药性变异(biny),耐药性变异：细菌对某种抗菌药物由敏感变为耐药的变异。有些细菌还表现为同时(tngsh)耐受多种抗菌药物，即多重耐药性。,第七页，共五十三页。,第一节 细菌(xjn)的遗传物质,染色体染色体以外(ywi)的遗传物质,质粒转座因子(ynz)噬菌体基因组,第八页，共五十三页。,1.细菌(xjn)的染色体,仅由一条环状双链DNA分子(fnz)组成，聚集形成一个较为致密的区域称为类核(nucleoid)；相对较小，只有一个复制起始位点；具有操纵子结构，由结构基因和调控序列组成；基因连续，结构基因中不含内含子；结构基因在基因
4、组中所占的比例远远大于真核生物基因组，但小于病毒基因组；结构基因多为单拷贝基因。,第九页，共五十三页。,2.质粒(plasmid),细菌染色体以外的遗传物质，是环状闭合(b h)的双链DNA；具有自我复制的能力；编码细菌某些性状特征；可自行丢失与消除；可在细菌间转移；相容性与不相容性。,第十页，共五十三页。,根据编码(bin m)的生物学性状进行分类,致育质粒（fertility plasmid,F质粒）编码性菌毛，介导细菌之间的接合传递；耐药性质粒（resistance plasmid,R质粒）编码细菌对抗菌药物(yow)或重金属盐类的耐药性。接合性耐药质粒（R质粒）非接合耐药性质粒（r质粒
5、)毒力质粒(virulence plasmid,Vi质粒）编码与该菌致病性有关的毒力因子；细菌素质粒 编码产生细菌素；代谢质粒 编码产生相关的代谢酶。,第十一页，共五十三页。,3.转座因子(ynz)(transposable element),细菌(xjn)基因组中能改变自身位置的一段DNA序列，这种转移可发生在细菌(xjn)染色体、质粒之间。,插入序列,转座子,第十二页，共五十三页。,转座因子是基因组的正常组成成分，不以独立的形式存在(cnzi)（如噬菌体或质粒DNA）。转座的发生不依赖于转座子和靶位点之间任何的序列同源性，在基因组内由一个部位直接转移到另一个部位。转座以很低的频率发生，而且
6、转座子的插入是随机的。转座因子有时插入到一个结构基因或基因调节序列内，引起基因表达的改变。,第十三页，共五十三页。,插入序列(insertion sequence,IS)最简单的转座因子，不超过(chogu)2kb；两端有反向重复序列；只携带转座酶（transposase）基因，而不带有任何使细菌表现性状的基因。,第十四页，共五十三页。,转座子(transposon,Tn)除了(ch le)具有与转座有关的功能外，还携带药物抗性（或其他）标志。长度一般超过2kb，中心区携带药物抗性标志，两侧为由IS元件组成的臂。,第十五页，共五十三页。,转座发生(fshng)的机制,转座因子插入(ch r)到
7、一个新的部位的通常步骤是：在靶DNA上制造一个交错的切口，然后转座因子与突出的单链末端相连接，并填充切口。转座的结果是靶部位序列形成了两个正向重复序列。链的切口之间的交错决定了正向重复的长度。反向重复序列标明了转座因子的末端。所有类型转座因子的转座皆需转座酶对末端的识别。,第十六页，共五十三页。,复制型转座（replicative transposition）：转座的DNA序列是原转座因子的一个拷贝，而不是它本身。转座子作为(zuwi)移动的拷贝，即一个拷贝留在原处，另一拷贝插入到新的靶位点。,第十七页，共五十三页。,非复制型转座（nonreplicative transposition）：转
8、座因子直接(zhji)从原位点移到靶位点，同时在供体留下产生一个双链断裂的位点。这个双链断裂位点需要修复系统的识别和修复。,第十八页，共五十三页。,保守(boshu)转座（conservative transposition）：转座因子从供体位点上切离，插入到靶位点上，供体位点恢复原状。,第十九页，共五十三页。,一种运动性DNA分子，具有独特结构可捕获和整合外源性基因，使之转变成为功能性基因的表达单位；定位于细菌染色体、质粒或转座子上;基本结构：两端为保守末端(m dun)，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
9、药基因在细菌中进行水平传播。,4.整合(zhn h)子(integron,In),第二十页，共五十三页。,整合(zhn h)子介导的获得耐药基因盒的机制The integron mechanism of antibiotic-resistance gene cassette acquisition,基因盒是较小的、可移动的DNA分子，常以环形独立状态存在。只有(zhyu)被整合子捕获并整合到整合子中才能转录。整合子通过整合酶催化基因盒上的attC位点和整合子上的attI位点之间的位点特异性重组，可以将游离的耐药基因盒整合到自身的染色体上。基因盒在整合子的启动子带动下得以表达。attC，基因盒的
10、重组位点；attI，整合子的重组位点；Pant，基因盒表达的启动子；qac，季铵盐类化合物耐药基因;sul，磺胺类耐药基因。,第二十一页，共五十三页。,5.噬菌体基因组,溶原性转换(zhunhun)lysogenic conversion,第二十二页，共五十三页。,第二节 细菌(xjn)基因表达的调节,操纵子（operon）-原核生物(shngw)中几个功能相关的结构基因串联排列在一起，与其上游的启动子和操纵基因序列共同构成的一个转录单位。调节基因-位于操纵子上游，编码的蛋白能够与操纵基因序列结合，调节结构基因的表达。,大肠(dchng)埃希菌乳糖操纵子(lac operon),第二十三页，共
11、五十三页。,抑制(yzh)基因转录,阻遏蛋白(repressor)与操纵基因结合，阻断启动子与RNA聚合酶结合或结合后不能移动，从而(cng r)阻止基因转录。,第二十四页，共五十三页。,阻遏蛋白与诱导(yudo)物结合时，迫使阻遏蛋白-诱导(yudo)物复合物脱离DNA链，去除阻遏蛋白的抑制作用。,第二十五页，共五十三页。,促进(cjn)基因转录,分解(fnji)物基因激活蛋白(CAP),第二十六页，共五十三页。,第三节 基因(jyn)的转移和重组,基因转移(gene transfer)：遗传物质由供体菌进入某受体菌细胞内的过程。基因重组(recombination)：转移的基因与受体菌DN
12、A整合在一起，使受体菌获得供体菌某些特性(txng)。同源重组：发生在紧密相关的DNA之间。在细菌rec基因编码的重组酶作用下，由外源性一段单链DNA取代宿主染色体上一段DNA。非同源重组：发生在无关的DNA之间，在位点专一重组酶的作用下，将缺失或插入的DNA重新连接。细菌的基因转移和重组方式：转化、接合、转导、溶原性转换、原生质体融合。,第二十七页，共五十三页。,一、转化(zhunhu)(Transformation),小鼠体内肺炎(fiyn)链球菌转化试验,第二十八页，共五十三页。,受体菌直接摄取供体菌裂解释放(shfng)的DNA片段，获得新的遗传性状的过程称为转化。,第二十九页，共五十
13、三页。,转化因子（transforming factors）在转化过程中，转化的DNA片段称为(chn wi)转化因子。影响因素供受菌基因型：亲缘关系愈近，转化率愈高受菌的生理状态：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,第三十页，共五十三页。,二、接合(jih)(conjugation),细菌通过(tnggu)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的方式称为接合。能通过接合方式转移的质粒称为接合性质粒。（F质粒、R质粒）,第三十一页，共五十三页。,1.F质粒的接合(jih),F质粒（ferti
14、lity factor,致育因子(ynz)）,第三十二页，共五十三页。,F质粒整合到细菌染色体上，形成高频(o pn)重组株(high frequency recombinant,Hfr)，能高效地转移染色体上的基因至F-菌。,第三十三页，共五十三页。,第三十四页，共五十三页。,Hfr菌的接合(jih),第三十五页，共五十三页。,Hfr菌中的F质粒可从染色体上脱离下来，并携带(xidi)染色体上几个邻近的基因，故称F质粒。F+、Hfr、F三者均有性菌毛，均可发生接合。,第三十六页，共五十三页。,2.R质粒的接合(jih),R质粒(resistance plasmid)耐药传递因子(ynz)（R
15、TF):与F质粒功能相似，编码性菌毛，决定质粒的复制、接合及转移。耐药决定因子（r-det)：带有不同耐药基因的转座子。,AmpR,第三十七页，共五十三页。,三、转导(zhun do)(transduction),转导是以噬菌体为载体，将供体菌的一段DNA转移(zhuny)到受体菌内，使受体菌获得供体菌的部分遗传性状。普遍性转导-转导的DNA可是供菌染色体上的任何部分。完全转导：供体菌DNA片段与受体菌染色体整合 流产转导：供体菌DNA片段游离在细胞质中局限性转导-转导的DNA只限供菌染色体上的特定基因。,第三十八页，共五十三页。,1.普遍性转导(zhun do),毒性噬菌体，温和(wnh)噬
16、菌体均能介导普遍性转导,第三十九页，共五十三页。,2.局限性转导(zhun do),第四十页，共五十三页。,2.局限性转导(zhun do),温和(wnh)噬菌体介导局限性转导,第四十一页，共五十三页。,四、溶原性转换(zhunhun)(lysogenic conversion),细菌因染色体上整合有前噬菌体而获得新的遗传性状称为(chn wi)溶原性转换。,第四十二页，共五十三页。,五、原生质体融合(rngh)(protoplast fusion),将两种遗传性状不同(b tn)的细菌经溶菌酶或青霉素等处理，形成原生质体后，在聚乙二醇（PEG）作用下，使两种不同的细菌细胞发生融合的过程。融合后形成双倍体细胞，可短期生存，染色体之间发生交换和重组。,第四十三页，共五十三页。,第三节 基因突变(j yn t bin),基因突变(j yn t bin)(mutation)：指由于DNA碱基对的置换、插入或缺失导致基因结构发生变化。,第四十四页，共五十三页。,一、基因突变(j yn t bin)规律,1.自发(zf)突变与诱发突变彷徨试验：随机的、非定向的突变是在接触噬菌体之前就已发生，噬菌