细菌的遗传和变异细菌的遗传和变异遗传：遗传：使微生物的性状保持其种属的稳定性；使微生物的性状保持其种属的稳定性；变异：变异：是微生物进化的基础；是微生物进化的基础；基因（基因（gene）基因型（基因型（genotype）表现型（表现型（phenotype）第一节第一节 细菌的变异现象细菌的变异现象一、遗传分类：一、遗传分类： 1 1、遗传型变异、遗传型变异 2 2、非遗传型变异、非遗传型变异二、变异现象二、变异现象（一）形态变异（一）形态变异对数期：典型形态；对数期：典型形态；( (适宜的条件适宜的条件) )迟缓期：菌体增大，稳定期、衰退期迟缓期：菌体增大，稳定期、衰退期 细菌呈多形性；细菌呈多形性；鼠疫耶尔鼠疫耶尔森氏菌森氏菌细胞壁缺损细胞壁缺损L L型菌落型菌落（3-6%NaCl）球形、棒状、丝球形、棒状、丝状、哑铃形等状、哑铃形等；（二）结构变异（二）结构变异肺炎链球菌荚膜消失肺炎链球菌荚膜消失 恢复恢复变形杆菌鞭毛变形杆菌鞭毛 失去鞭毛失去鞭毛 恢复鞭毛恢复鞭毛（表型（表型) )细菌从有鞭毛变为无鞭毛统称为细菌从有鞭毛变为无鞭毛统称为HO变异变异。（1g/L石碳酸）石碳酸）一般培养基上一般培养基上（三）菌落变异（三）菌落变异（S-RS-R变异变异）光滑型（光滑型（S.smoothS.smooth） 粗糙型（粗糙型（. .roughrough）（四）毒力变异（四）毒力变异减弱：减弱：BCG（卡介苗） Calmette 和Guerin 230次历时13年之久传代培养，毒力减弱，抗原性不变的菌株。预防接种，不致病，但可获得免疫力。增强：增强： 无荚膜肺炎链球菌小白鼠腹腔接种，毒力增强产生荚膜；（五）耐药性变异（五）耐药性变异对对某某种种药药物物敏敏感感的的细细菌菌变变成成对对该该药药耐耐受受的的变异称为耐药性变异；变异称为耐药性变异；染色体耐药基因的突变染色体耐药基因的突变耐药性质粒的转移耐药性质粒的转移转座子的插入转座子的插入细菌产生特定的酶类或多肽细菌产生特定的酶类或多肽类物质类物质阻挡药物向靶细胞穿阻挡药物向靶细胞穿透、发生新的代谢途径；透、发生新的代谢途径；抗生素结合蛋白发生改变抗生素结合蛋白发生改变不能和抗生素结合或细不能和抗生素结合或细菌外膜通透性改变菌外膜通透性改变抗生素不能到达结合位点抗生素不能到达结合位点耐耐药发生药发生MRSA：Methicillin Resistant Stapylococus Aureus 耐甲氧西林青霉素的金黄色葡萄球菌耐甲氧西林青霉素的金黄色葡萄球菌 产产生生低低亲亲合合力力的的青青霉霉素素结结合合蛋蛋白白青青霉霉素素不能干扰细胞壁的合成；不能干扰细胞壁的合成；第二节第二节 遗传和变异的物质基础遗传和变异的物质基础一、细菌成为遗传学研究重要手段的原因：一、细菌成为遗传学研究重要手段的原因：1 1、细细菌菌是是原原核核细细胞胞，只只有有一一套套单单倍倍数数目目的的染染色色体体，只只要要有有一一个个基基因因发发生生突突变变，就就会会有有表表现现型型的的改改变变，易易于于研研究究其其遗传和变异性；遗传和变异性；2 2、细细菌菌能能在在一一定定成成分分的的培培养养基基上上生生长长，可可人人为为控控制制环环境境条件，利于研究；条件，利于研究；3 3、繁繁殖殖周周期期短短，可可在在短短时时间间内内获获得得大大量量具具有有亲亲代代基基因因型型的个体；的个体；二、细菌的遗传物质二、细菌的遗传物质： 染色体（核质）染色体（核质） 质粒质粒（一）细菌的染色体（一）细菌的染色体1 1 1 1、特点：、特点：、特点：、特点：（1 1）一一条条环环状状双双螺螺旋旋长长链链，反反复复扭扭曲曲折折叠叠，呈负超螺旋结构；呈负超螺旋结构；（2 2）长度约菌体）长度约菌体10001000倍，分子量倍，分子量10109 9daldal左右左右2 2、细菌染色体的复制；、细菌染色体的复制；E.E.colicoli约需要约需要2020分钟，平均每分钟分钟，平均每分钟10105 5bpbp复制叉复制叉复制叉复制叉（replicating fork）3 3、基因的表达、基因的表达： DNARNA多肽链的过程表达调控：表达调控：（1 1）调控部位：起动子、终止子）调控部位：起动子、终止子（2 2）调节蛋白：阻遏蛋白）调节蛋白：阻遏蛋白（3 3）效应物分子）效应物分子乳糖操纵子模型乳糖操纵子模型乳糖操纵子模型乳糖操纵子模型FrancoisFrancois Jacob Jacob和和Jacques Jacques MonodMonod提出，提出， E.E.coli coli 利用乳糖需两种酶：利用乳糖需两种酶：LacZLacZ基因编码的基因编码的半乳糖苷酶半乳糖苷酶半乳糖苷酶半乳糖苷酶乳糖水解为葡萄糖、半乳糖乳糖水解为葡萄糖、半乳糖LacYLacY基因编码的基因编码的半乳糖穿透酶半乳糖穿透酶半乳糖穿透酶半乳糖穿透酶将乳糖运输入细胞内将乳糖运输入细胞内LacALacA基因编码转酰基酶基因编码转酰基酶与前两酶一起受调控与前两酶一起受调控（二）细菌的质粒（二）细菌的质粒(plasmid) 1 1 1 1、定定义义：是是是是细细细细菌菌菌菌菌菌菌菌体体体体内内内内染染染染色色色色体体体体外外外外的的的的环环环环状状状状双双双双螺螺螺螺旋旋旋旋DNADNADNADNA，有时也可呈线状或超螺旋状有时也可呈线状或超螺旋状有时也可呈线状或超螺旋状有时也可呈线状或超螺旋状大小为大小为1-4001-400kbkb可完整的在细菌间传递，也能伴细菌的可完整的在细菌间传递，也能伴细菌的 分裂而分配到子代细菌中去分裂而分配到子代细菌中去并不是细菌生命活动中不可缺少的物质。并不是细菌生命活动中不可缺少的物质。2、质粒可自主复制、质粒可自主复制方式方式方式方式： 一般与染色体相同，但也可不依赖染色体而独立复制，或整合到染色体上与染色体同步复制。 大质粒大质粒大质粒大质粒 小质粒小质粒小质粒小质粒3、质粒的消失（或消除）、质粒的消失（或消除） 质粒可自行丢失，频率10-8-10-2之间，复制过程中对丫啶噔染料和紫外线照射敏感，可人工处理而消失。4、质粒的分类、质粒的分类F F质粒质粒 致育性质粒致育性质粒 colcol质粒质粒 细菌素质粒细菌素质粒E.E.colicoli K88 K88 抗原性质粒抗原性质粒 R R质粒质粒 耐药性质粒耐药性质粒E.E.coli Ent coli Ent 产毒素质粒产毒素质粒 ViVi质粒质粒 毒素、粘附因子等质粒毒素、粘附因子等质粒 （致病蛋白（致病蛋白）5、质粒的转移、质粒的转移细菌质粒可在同种、同属或不同属细菌间转移细菌质粒可在同种、同属或不同属细菌间转移细菌质粒可在同种、同属或不同属细菌间转移细菌质粒可在同种、同属或不同属细菌间转移方式：方式：方式：方式： 接合性耐药性质粒，通过性菌毛接合转移接合性耐药性质粒，通过性菌毛接合转移 非接合性耐药性质粒，通过噬菌体为媒介非接合性耐药性质粒，通过噬菌体为媒介 将将DNADNA中信息转移；中信息转移；结果：结果：结果：结果：耐药菌可以将耐药基因转移至敏感菌，耐药菌可以将耐药基因转移至敏感菌， 使敏感菌也携带了耐药性，成为耐药菌；使敏感菌也携带了耐药性，成为耐药菌；（三）细菌转位子（三）细菌转位子1 1、定定定定义义义义：为为存存在在于于细细菌菌的的染染色色体体或或质质粒粒上上一一段段特特异异性性的的核核苷苷酸酸片片断断，可可在在DNADNA分分子子中中移移动动，不不断断改改变变他他们们在在基基因因组组内内的的位位置置，从从一一个个基基因因组组移移动动到到另另一一个个基基因因组组中中，通通过过改改变变或或影影响响基基因因插插入入位位点点附附近近的的基基因因表表达达，引引起起细细胞胞的的基基因因发发生生重重组组，在微生物的变异中起重要作用。在微生物的变异中起重要作用。AGU AUU CGA UACAAG UAU UCG AUA CA 2、分类、分类插入顺序插入顺序 （insertion sequence .IS） 转座子转座子 （transposon. Tn） 转座噬菌体转座噬菌体（1 1）插入顺序插入顺序IS 750-2000bp的DNA序列，由两未端反向重复顺序和转座有关的基因组成，不携带其它与插入功能无关的基因区域，是最小的转位因子，插入染色体或质粒后的效应，取决于插入的位置和插入的方向，IS是原核生物正常代谢的调节开关。已知IS有10余种，见表（2）转座子）转座子 转转座座子子与IS相似，但携带部分与插入功能无关的基因，长度超过2000bp。功能见表（3）转座噬菌体）转座噬菌体某些具有转座功能的溶原性噬菌体；某些具有转座功能的溶原性噬菌体；E.E.coli coli MuMu，D D108108，霍霍乱乱弧弧菌菌噬噬菌菌体体，假单胞菌噬菌体等假单胞菌噬菌体等第三节第三节 微生物的变异机制微生物的变异机制变异：变异： 可遗传型变异可遗传型变异 不可遗传型变异不可遗传型变异一、突变一、突变MutationMutation： 是是一一个个核核酸酸分分子子内内一一个个或或几几个个核核苷苷酸酸发发生生可可遗遗传传的的稳稳定定的的改改变变。细细菌菌的的突变自然发生率很低，约突变自然发生率很低，约1010-9-9-10-10-6-6；（一）基因突变的规律（一）基因突变的规律1 1、自发突变与诱导、自发突变与诱导： 自发突变率低，加入诱变剂可使突变率提高10-1000倍；2 2、随机突变、随机突变： 突变是随机的不定向的，不是外界因素决定的；突变是随机的不定向的，不是外界因素决定的；说明该菌落在接触药物之前早已形成，与抗生素的使用无关3 、突变与回复突变：、突变与回复突变：自然环境下所具有的表现型称为自然环境下所具有的表现型称为野生型野生型野生型野生型突变后的菌株称为突变后的菌株称为突变株突变株突变株突变株突变株再次回到野生型的表型相同的过程为突变株再次回到野生型的表型相同的过程为回复突变回复突变回复突变回复突变，但基因型不一定完全恢复，但基因型不一定完全恢复（二）突变的类型：（二）突变的类型：1 1、碱碱基基对对的的置置换换、插插入入、缺缺失失及及转转位位因子插入等因子插入等（1）置换： 转换：嘌呤对嘌呤，嘧啶对嘧啶转换：嘌呤对嘌呤，嘧啶对嘧啶 颠换：嘌呤对嘧啶颠换：嘌呤对嘧啶 影影响响的的密密码码的的组组成成氨氨基基酸酸组组成成发发生生改改变变表表型改变型改变（2）插入和缺失）插入和缺失 密密码码子子由由三三个个碱碱基基依依次次排排列列而而成成，核核苷苷酸酸序序列列插插入入和和缺缺失失一一个个碱碱基基插插入入或或缺缺失失位位点点之之后后的的序序列列发发生生移移码码突突变变，导导致致密密码码子子错错误误蛋蛋白白质质改改变变影影响响酶酶催催化化的的反反应应的的性性质质遗传性状的改变；遗传性状的改变；AGU AUU CGA UACAAG UAU UCG AUA CA 单单一一核核苷苷酸酸发发生生的的突突变变为为点点突突变变，大大片片断断的的核核苷苷酸酸也也可可发发生生插插入入、缺缺失失细菌遗传性状更大的改变；细菌遗传性状更大的改变； 如如转转位位子子引引起起的的突突变变同同时时涉涉及及到到许许多多基基因因的改变，不能返祖；的改变，不能返祖；2、基因的转移与重组、基因的转移与重组（基因突变：一个细菌内部发生遗传物（基因突变：一个细菌内部发生遗传物质的改变）质的改变）（1）转移与重组：）转移与重组： 两个性状不同的细菌间发生转移与重组两个性状不同的细菌间发生转移与重组 供体供体 受体受体（2）基因的转移方式：）基因的转移方式：接接合合转转化化图片见书 Page631928年由Griffith用肺炎链球菌发现基因转移现象1944年Avery证实死菌体提供了决定荚膜型别的DNA3 3、发生转化的两个条件、发生转化的两个条件（1 1）受体菌处于感受态：）受体菌处于感受态： 钙处理法，电转染法钙处理法，电转染法（2 2）并非所有菌都能摄入外源并非所有菌都能摄入外源DNADNA（三）转导（三）转导 transduction 以以以以噬噬噬噬菌菌菌菌体体体体为为为为媒媒媒媒介介介介，将将将将供供供供体体体体菌菌菌菌的的的的基基基基因因因因转转转转移移移移到到到到受受受受体体体体菌内，导致受体菌的基因型改变的过程；菌内，导致受体菌的基因型改变的过程；菌内，导致受体菌的基因型改变的过程；菌内，导致受体菌的基因型改变的过程； 1、噬菌体：、噬菌体： DNA复制 蛋白前体合成 头部填充装配有感染性噬菌体裂解细菌释放（1 1）普遍性转导）普遍性转导 （generalize transduction）（2）局限性转导）局限性转导 (specialize transduction)（四）接合（四）接合 conjugation 受体菌和供体菌直接接触，供体菌通过性菌毛将所带有的F质粒或类似的遗传物质转移至受体菌的过程为接合接合，主要见于革兰氏阴性菌；1 1 1 1、高频重组基因、高频重组基因、高频重组基因、高频重组基因（Hfr,High frequency recombinant）2 2、性导、性导：( ( ( (sexductionsexduction) ) 当当HfrHfr中的中的F F质粒从染色体上脱离下来时，质粒从染色体上脱离下来时，会带有一部分染色体上的邻近基因，该会带有一部分染色体上的邻近基因，该F F质粒质粒称称FF质粒，当质粒，当FF质粒进入质粒进入F-F-菌时，菌时，F-F-菌可菌可获得部分新的基因，通过获得部分新的基因，通过FF质粒转移基因称质粒转移基因称为性导；为性导；3、溶原性转换、溶原性转换 ( Lysogenic conversion)前噬菌体导致细菌的基因发生改变称前噬菌体导致细菌的基因发生改变称溶原性转换溶原性转换溶原性转换溶原性转换 无毒的白喉棒状杆菌受无毒的白喉棒状杆菌受棒状杆菌噬菌体感染后产生外毒素，故也会棒状杆菌噬菌体感染后产生外毒素，故也会引起抗原性变；引起抗原性变； A A群链球菌、肉毒芽胞梭菌因之产生红疹毒素和内毒素、外毒素群链球菌、肉毒芽胞梭菌因之产生红疹毒素和内毒素、外毒素