第4章 细菌的遗传和变异 Heredity and Variation,结核分枝杆菌杆菌,细菌的遗传,遗传（heredity） 细菌在一定的环境中生长增殖，通过DNA的复制，将亲代的各种性状稳定地传给子代，使种属保持原有的性状。,表型变异（ phenotypic variation ） 基因型突变（ genotypic mutation ）,细菌的变异,细菌的变异现象,形态、结构变异 细菌L型 毒力变异 BCG 耐药性变异 抗生素依赖性 菌落变异,光滑型,粗糙型,细菌遗传变异的物质基础 细菌基因组,第一节,基因组（genome） 染色体,细菌的遗传物质,DNA,染色体外遗传物质,细菌的遗传物质,DNA,细菌染色体（chromosome） 双链DNA分子组成的封闭的环 缺乏组蛋白 长度25035 000m 大小：580kb至超过4500kb 环形，线性 一条 ，多条,特征 自我复制能力 携带遗传信息 可自行丢失与消除 转移性 相容性和不相容性,1. 质粒（plasmid）,细菌染色体以外，不依赖于染色体而自我复制的遗传物质,几种重要的质粒 致育质粒（F质粒） 耐药质粒 毒力质粒（Vi质粒） 细菌素质粒 代谢质粒,细菌的遗传物质,染色体外遗传物质,2. 噬菌体,噬菌体（bacteriophage, phage） 在细菌内增殖的专性细胞内寄生微生物 感染细菌的病毒 增殖依赖于宿主细胞的部分或全部生物合成机制,细菌的遗传物质,染色体外遗传物质,2. 噬菌体,形态与结构 蝌蚪形、微球形和丝形 化学组成 蛋白质与核酸,细菌的遗传物质,染色体外遗传物质,游离状态的T4噬菌体和其感染E.coli时的状况（引自Griffiths. AJ.F.et al.: 1999）,噬菌体的种类,毒性噬菌体（virulent phage） 能在宿主菌细胞内复制增殖，产生许多子代噬菌体，并最终裂解细菌，称为毒性噬菌体 温和噬菌体（temperate phage） 溶原性噬菌体 （lysogenic phage） 噬菌体基因与宿主菌染色体整合，不产生子代噬菌体，但噬菌体DNA能随细菌DNA复制，并随细菌的分裂而传代,吸附 Adsorption,穿入 Penetration,生物合成 Biological Synthesis,成熟和释放 Maturation and Release,毒性噬菌体增殖周期 (Life Cycle),吸附 Adsorption,穿入 Penetration,生物合成 Biological Synthesis,成熟和释放 Maturation and Release,毒性噬菌体增殖周期 (Life Cycle),温和噬菌体,前噬菌体（prophage）: 整合在细菌基因组中的噬 菌体基因组,溶原性细菌 （lysogenic bacterium）,溶原性（lysogeny） 溶原状态,溶菌性周期,溶原性周期,温和噬菌体,温和噬菌体,溶原性转换（lysogenic conversion）,当细菌处于溶原期时，有时由噬菌体携带的外源基因会在宿主菌内表达，从而改变了细菌的某些生物学性状 白喉棒状杆菌、A群链球菌、肉毒梭菌、产气荚膜梭菌、霍乱弧菌、金黄色葡萄球菌,温和噬菌体,3. 转位因子 (Transposable element),插入序列 （Insertion sequence） 转座子 （Transposon，Tn） 转座噬菌体,存在于细菌染色体或质粒DNA分子上的一段可移动的遗传的遗传元素，它能在一个基因组内或不同的基因组间从一个位置移动到另一个位置,插入序列（insertion sequence,IS） 是最小的转位因子，2kb，不携带任何已知与插入功能无关的基因区域,3. 转位因子 (Transposable element),转座子（transposon,Tn） 2kb，除携带与转位有关的基因外，还携带耐药性基因、抗金属基因、毒素基因及其他结构基因。 可能与细菌的多重耐药性有关。,转座噬菌体或前噬菌体,第二节 细菌遗传性变异的机制,基因的突变和损伤后修复,突变 （mutation）,多位点突变（multisite mutation） 点突变（point mutation） 核苷酸的置换 插入 丢失,突变的特点,自发性和不对应性 稀有性 可诱发性 独立性 稳定性 可逆性,第二节 细菌遗传性变异的机制,基因的突变和损伤后修复,野生型（wild type） 突变株（mutant） 正向突变 回复突变,二 基因的转移和重组,基因转移（gene transfer） 外源性的遗传物质由供体菌转入某受体菌细胞的过程称为基因转移。 重组（ recombination） 转移的基因与受体菌DNA整合在一起称为重组，使受体菌获得供体菌的某些性状,细菌的基因转移和重组的方式： 转化 接合 转导,二 基因的转移和重组,一、 转化（transformation）,供体菌裂解游离的DNA片段被受体菌直接摄取，使受体菌获得新的性状。,肺炎链球菌的转化试验,二 基因的转移和重组,转化因子: DNA片段 分子量小于107，最多不超过1020个基因。 感受态（competence）,一、转化（transformation）,二、接合（conjugation),二 基因的转移和重组,接合性质粒： F质粒、R质粒、Col质粒和毒力质粒等,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,F质粒的接合,F+,F-,F+,F-,F+,F+,F+,F+,Donor,Recipient,F+,oriT,染色体,染色体,质粒,F+菌,F- 菌,F质粒的半保留转移,F+菌,高频重组菌 （Hfr）,二、接合（conjugation),二 基因的转移和重组,F质粒,F+雄性菌,IS 序列的F质粒,二、接合（conjugation),二 基因的转移和重组,R质粒的接合,R质粒 耐药传递因子（resistance transfer factor,RTF） 与F质粒相似，编码性菌毛的产生和通过接合转移 耐药（r）决定子,转导（transduction）,普遍性转导（generalized transduction） 局限性转导（restricted transduction）,二 基因的转移和重组,以噬菌体为载体，将供体菌的一段DNA转移到受体菌内，使受体菌获得新的性状。,供体菌,受体菌,转导噬菌体,细菌DNA,噬菌体DNA,普遍性转导 generalized transduction,噬菌体包装时误将细菌的DNA片段装入噬菌体的衣壳蛋白，成为一个转导噬菌体 任何DNA片段,结果 完全转导 流产转导,普遍性转导 generalized transduction,局限性转导 restricted transduction,或称特异性转导， 所转导的只限于供体菌染色体上特定的基因,前噬菌体,正常脱离,断裂和再接,偏差脱离,gal,bio,bio,gal,bio,断裂和再接,局限性转导,普遍性转导与局限性转导的区别,第三节 细菌遗传变异的应用,1. 在细菌分类学上的应用,表型分类法 基因型分类法,2. 在疾病的诊断、治疗与预防中的应用,3.在测定致癌物质中的应用,凡能诱导细菌发生突变的物质都有可能是致癌物质 Ames实验 伤寒沙门菌（his-） （his+）,4.在流行病学中的应用,5. 在基因工程中的应用,1. Mutations in bacteria can occur by which of the following mechanisms? (A) Base substitutions (B) Deletions (C) Insertions (D) Rearrangements (E) All of the above,2. The form of genetic exchange in which donor DNA is introduced to the recipient by a bacterial virus is (A) Transformation (B) Conjugation (C) Transfection D) Transduction (E) Horizontal transfer,3. The formation of a mating pair during the process of conjugation in Escherichia coli requires (A) Lysis of the donor (B) A sex pilus (C) Transfer of both strands of DNA (D) A restriction endonuclease (E) Integration of a transposon,思考题,细菌间基因转移与重组的方式,