医学微生物学：2.细菌的遗传与变异

1、噬菌体（噬菌体（bacteriophage, phage） 东南大学病原生物学与免疫学系东南大学病原生物学与免疫学系 o 噬菌体是感染细菌、真菌、放线菌或螺旋体噬菌体是感染细菌、真菌、放线菌或螺旋体 等微生物的病毒，在葡萄球菌和志贺菌中首等微生物的病毒，在葡萄球菌和志贺菌中首 先发现。先发现。 大大 肠肠 埃埃 希希 菌菌 T2 噬噬 菌菌 体体 噬菌体的生物学性状 o 形态形态 n个体小，需用电子显微镜观个体小，需用电子显微镜观 察察 n蝌蚪形蝌蚪形、微球形和丝形、微球形和丝形 o 结构结构 n核酸：遗传物质，只有一种核酸：遗传物质，只有一种 DNA/RNA n蛋白质衣壳：保护核酸，决蛋白质

2、衣壳：保护核酸，决 定其外形和表面特征定其外形和表面特征 噬菌体的生物学性状：噬菌体的生物学性状： o 大多为大多为蝌蚪状蝌蚪状。由。由头部和头部和 尾部尾部组成。组成。 o 头部头部 核酸核酸+蛋白质衣壳蛋白质衣壳 六边形立体对称六边形立体对称 o 尾部尾部 尾须、尾领、尾髓、尾须、尾领、尾髓、 尾鞘、尾板、尾刺和尾丝尾鞘、尾板、尾刺和尾丝 噬菌体和细菌的相互关系噬菌体和细菌的相互关系 o 噬菌体感染细菌的后果：噬菌体感染细菌的后果： o 1）宿主菌溶解、死亡宿主菌溶解、死亡 毒性噬菌体毒性噬菌体 能在宿主菌细胞内复制增殖能在宿主菌细胞内复制增殖,产生许多子代噬菌体，并最产生许多子代噬菌体，

3、并最 终裂解细菌，称为终裂解细菌，称为毒性噬菌体。毒性噬菌体。 o 2）产生溶原性细菌）产生溶原性细菌 温和噬菌体温和噬菌体 噬菌体基因与宿主菌染色体整合，噬菌体噬菌体基因与宿主菌染色体整合，噬菌体DNADNA能随细菌能随细菌DNADNA复制，复制， 并随细菌的分裂而传代，称为并随细菌的分裂而传代，称为温和噬菌体或溶原性噬菌体温和噬菌体或溶原性噬菌体 ( (lysogenic phage)lysogenic phage)。 毒性噬菌体毒性噬菌体(virulent phage)(virulent phage) （溶菌性周期）（溶菌性周期） o吸附穿入吸附穿入 o有尾噬菌体与有尾噬菌体与细菌表面受

4、体细菌表面受体特异性特异性吸附吸附宿宿 主后，借助尾部末端含有的一种类似溶菌主后，借助尾部末端含有的一种类似溶菌 酶的物质，在细菌细胞壁上溶一小孔，然酶的物质，在细菌细胞壁上溶一小孔，然 后通过尾鞘的收缩，将头部后通过尾鞘的收缩，将头部DNADNA注入细菌体注入细菌体 内，而蛋白衣壳留在菌细胞外。内，而蛋白衣壳留在菌细胞外。 o 生物合成生物合成 o 转录形成转录形成mRNAmRNA，转移成噬菌体所需的转移成噬菌体所需的酶、调节蛋白和酶、调节蛋白和 结构蛋白结构蛋白。以噬菌体核酸为模板，通过核酸多聚酶催。以噬菌体核酸为模板，通过核酸多聚酶催 化作用，大量复制子代噬菌体的基因核酸。化作用，大量复

5、制子代噬菌体的基因核酸。 o 成熟与释放成熟与释放 o 蛋白质和核酸合成后，在细胞质内按一定程序装配成蛋白质和核酸合成后，在细胞质内按一定程序装配成 成熟的噬菌体。当子代达一定数目后，菌细胞突然成熟的噬菌体。当子代达一定数目后，菌细胞突然裂裂 解解，释放出的噬菌体又能感染新的敏感细菌。但有些，释放出的噬菌体又能感染新的敏感细菌。但有些 丝形噬菌体以丝形噬菌体以出芽方式出芽方式逐个释放。逐个释放。 毒性噬菌体毒性噬菌体(virulent phage) 返回返回 plaque forming unitsplaque forming units、PFUPFU 返回返回 温和噬菌体温和噬菌体( (te

6、mperate phage)temperate phage) 噬菌体基因与宿主菌染色体整合，噬菌体噬菌体基因与宿主菌染色体整合，噬菌体DNADNA能随能随 细菌细菌DNADNA复制，并随细菌的分裂而传代，称为复制，并随细菌的分裂而传代，称为温和温和 噬菌体或溶原性噬菌体噬菌体或溶原性噬菌体( (lysogenic phage)lysogenic phage)。 温和噬菌体温和噬菌体(temperate phage)(temperate phage)(溶原性噬菌体）溶原性噬菌体） （溶原性周期，溶菌性周期（溶原性周期，溶菌性周期) ) o 一、溶原性周期一、溶原性周期: : o前噬菌体前噬菌体

7、整合在细菌基因组中的噬菌体基因组称为前噬菌体整合在细菌基因组中的噬菌体基因组称为前噬菌体 （prophageprophage） o溶原性细菌溶原性细菌 带有前噬菌体基因组的细菌称为溶原性细菌（带有前噬菌体基因组的细菌称为溶原性细菌（lysogenic lysogenic bacteriumbacterium） o 二、溶菌性周期二、溶菌性周期 前噬菌体偶尔可自发或在某些理化和生物因素的诱导下脱前噬菌体偶尔可自发或在某些理化和生物因素的诱导下脱 离宿主菌基因组而进入溶菌周期，产生成熟噬菌体，离宿主菌基因组而进入溶菌周期，产生成熟噬菌体， 导致细菌裂解。导致细菌裂解。 返回返回 细菌的遗传与变异细

8、菌的遗传与变异 东南大学病原生物学与免疫学系东南大学病原生物学与免疫学系 遗传和变异的概念遗传和变异的概念 o 细菌：生命体、具有遗传性和变异性。细菌：生命体、具有遗传性和变异性。 o 遗传：遗传：heredityheredity，是指子代与亲代之间性状是指子代与亲代之间性状 （表型）具有相似性。（表型）具有相似性。 o 变异：变异：variationvariation，子代与亲代之间、子代与子代与亲代之间、子代与 子代之间性状的差异性。子代之间性状的差异性。 细菌变异的类型细菌变异的类型 o 表型变异表型变异：是环境因素影响所致。：是环境因素影响所致。 o 遗传变异：遗传变异：细菌性状（表型

9、）的变异是其基因细菌性状（表型）的变异是其基因 结构发生改变所致，又称基因型变异。结构发生改变所致，又称基因型变异。 细菌的变异现象细菌的变异现象 o 细菌性状：形态、结构、新陈代谢、抗原性、细菌性状：形态、结构、新陈代谢、抗原性、 毒力以及对药物的敏感性等。毒力以及对药物的敏感性等。 o 形态、结构变异：形态、结构变异：L L型细菌、荚膜等。型细菌、荚膜等。 o 毒力变异：卡介苗毒力变异：卡介苗(BCG)(BCG)、白喉棒状杆菌。白喉棒状杆菌。 o 耐药性变异：敏感、耐药、多重耐药等。耐药性变异：敏感、耐药、多重耐药等。 o 菌落变异：粗糙型菌落、光滑型菌落。菌落变异：粗糙型菌落、光滑型菌落

10、。 基因型和表型变异的比较基因型和表型变异的比较 遗传变异遗传变异表型变异表型变异 基因结构基因结构 变化变化 未变未变 可逆性可逆性不或极少不或极少 可逆可逆 稳定性稳定性 稳定稳定 不稳定不稳定 环境影响环境影响 涉及细菌数涉及细菌数 不受影响不受影响 受影响受影响 个别个别 全体全体 细菌的遗传物质一细菌的遗传物质一 o 种类：细菌染色体、质粒、转座因子、整合种类：细菌染色体、质粒、转座因子、整合 子、噬菌体等。子、噬菌体等。 o 细菌染色体：核质、环状双螺旋细菌染色体：核质、环状双螺旋DNADNA、其功能其功能 是携带遗传信息，决定细菌生物学性状。是携带遗传信息，决定细菌生物学性状。

11、o 噬菌体：毒性噬菌体、温和噬菌体。噬菌体：毒性噬菌体、温和噬菌体。 细菌的遗传物质二细菌的遗传物质二 o 质粒：细菌染色体外的遗传物质。它是闭合环质粒：细菌染色体外的遗传物质。它是闭合环 状的双链状的双链DNADNA，控制细菌的某些特性。，控制细菌的某些特性。 o 特征：复制（自主、同步）、类型（松驰型、特征：复制（自主、同步）、类型（松驰型、 严紧型、接合型、非接合型）、相容特严紧型、接合型、非接合型）、相容特 性、非必需的成分（质粒可丢失）。性、非必需的成分（质粒可丢失）。 重重 要要 的的 质质 粒粒 o F F质粒：编码性菌毛。质粒：编码性菌毛。 o R R质粒：细菌的耐药性。质粒：

12、细菌的耐药性。 o 代谢质粒：编码酶蛋白。代谢质粒：编码酶蛋白。 o 毒力质粒：编码毒素等。毒力质粒：编码毒素等。 转转座元件座元件( (transposable elementtransposable element）/ /转位转位 o 是存在于细菌染色体或质粒是存在于细菌染色体或质粒DNADNA分子上的分子上的一段特异性一段特异性 核苷酸序列片段核苷酸序列片段，它能在，它能在DNADNA分子中分子中移动，移动，不断改变不断改变 它们在基因组的位置，能从一个基因组转移到另一个它们在基因组的位置，能从一个基因组转移到另一个 基因组中。基因组中。 o 插入序列（插入序列（insertion se

13、quence, ISinsertion sequence, IS） o 转座子（转座子（transposon,Tntransposon,Tn） o 整合子（整合子（integron.In) o插入序列（插入序列（insertion sequence, ISinsertion sequence, IS） n是是最小的转位因子最小的转位因子，2 2kbkb，不携带任何已知与插入功能无关的基，不携带任何已知与插入功能无关的基 因区域因区域. .存在于多种细菌的染色体或质粒中。存在于多种细菌的染色体或质粒中。 转座子（转座子（transposon,Tntransposon,Tn） IS ISResis

14、tance Gene(s) 。 2 2kbkb，除携带与转位有关的基因外，还携带耐药性，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。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。可能与细菌的多重耐药性有关。 一段可移动的DNA分子，可捕获外源性基因，使多种耐药性基因在细菌中耐药性基因在细菌中 水平传播。水平传播。 o RTF:与与F质粒相似，质粒相似， 编码性菌毛的产生和通编码性菌毛的产生和通 过接合转移。过接合转移。 o 耐药（耐药（r）决定子）决定子:能编能编 码对抗菌药物的耐药性，码对抗菌药物的耐药性， 可由几个转座子连接相

15、可由几个转座子连接相 邻排列。邻排列。 整合子（整合子（integron.In) 遗传性变异的机制遗传性变异的机制 o 基因的突变：基因的突变：genetic mutationgenetic mutation、是指、是指 DNA DNA碱基的置换、插入、缺失所致碱基的置换、插入、缺失所致 的基因结构的变化。的基因结构的变化。 o 基因的转移和重组：基因的转移和重组：genetic transfer genetic transfer and recombination and recombination。 基基 因因 突突 变变 o 概念：细菌遗传物质的结构发生稳定的改变，概念：细菌遗传物质的结

16、构发生稳定的改变， 它是个别核苷酸的增减或顺序改变。它是个别核苷酸的增减或顺序改变。 o 特征：突变率（自发突变、诱发突变）、突变特征：突变率（自发突变、诱发突变）、突变 与选择（随机、环境的选择）、回复突与选择（随机、环境的选择）、回复突 变（野生株、突变株）。变（野生株、突变株）。 突变型细菌及其分离突变型细菌及其分离 o 耐药性突变型耐药性突变型：药敏试验药敏试验的确证。的确证。 o 营养缺陷突变型营养缺陷突变型：含特定：含特定营养物质营养物质的选择的选择 性培养基，进行性培养基，进行筛选筛选。 o 条件致死性突变型条件致死性突变型：温度敏感温度敏感突变株。突变株。 o 发酵阴性突变型发

17、酵阴性突变型：乳糖发酵试验乳糖发酵试验。 二、基因转移和重组二、基因转移和重组 o 基因转移（基因转移（gene transfergene transfer） n 外源性的遗传物质外源性的遗传物质由由供体菌供体菌转入某转入某受体菌受体菌细胞的细胞的 过程称为基因转移。过程称为基因转移。 o 重组（重组（ recombinationrecombination） n 转移的基因与受体菌转移的基因与受体菌DNADNA整合整合在一起称为重组，在一起称为重组， 使使受体菌获得供体菌的某些性状受体菌获得供体菌的某些性状。 o 方式：方式：转化、接合、转导、溶原性转换和原生质体转化、接合、转导、溶原性转换和

18、原生质体 融合融合。 n1.转化转化 供体菌裂解游离的供体菌裂解游离的DNA片段被受体菌直片段被受体菌直 接摄取，使受体菌获得新的性状接摄取，使受体菌获得新的性状 转化试验(1928 Griffith) 小鼠肺炎链球菌的转化试验小鼠肺炎链球菌的转化试验 转化 转化因子（转化因子（transforming principle ）： 在转化过程中，转化的单在转化过程中，转化的单 链链DNA片段称为转化因片段称为转化因 子子 。 感受态（感受态（competence）：）： 受体菌只有处于感受态时，受体菌只有处于感受态时， 才能摄取转化因子。才能摄取转化因子。 o 细菌通过细菌通过性菌毛性菌毛相互连

19、接沟通，将遗传物相互连接沟通，将遗传物 质（主要是质粒质（主要是质粒DNA）从供体菌转移给受）从供体菌转移给受 体菌。体菌。 o 能通过接合方式转移的质粒称为能通过接合方式转移的质粒称为接合性质接合性质 粒粒：F质粒、质粒、R质粒、质粒、Col质粒和毒力质粒质粒和毒力质粒 等。等。 接合（接合（conjugation） （1） F质粒的接合质粒的接合 F+菌菌 接合 接合 F-菌 菌 F+菌菌 F+菌（获得菌（获得F质粒）质粒） （2）高频重组菌（）高频重组菌（Hfr)的形成的形成 F+Hfr F质粒质粒 受体菌受体菌 单独存在和自行复制单独存在和自行复制 与细菌染色体整合（少与细菌染色体整合

20、（少 数）数） 整合后的细菌有可能提整合后的细菌有可能提 高转移染色体基因的频高转移染色体基因的频 率，故称率，故称高频重组菌高频重组菌 （Hfr）。）。 高频重组菌的接合高频重组菌的接合 Hf r F-Hf r F- Hf r F-Hf r F- 从从Hfr菌中染色体上菌中染色体上 脱离下来的脱离下来的F质粒有质粒有 时会携带相邻的染色时会携带相邻的染色 体基因或体基因或DNA片段，片段， 称为称为F质粒质粒（该菌被（该菌被 称为称为F菌菌）。）。 F+菌、菌、Hfr、F三三 种菌都有性菌毛，均种菌都有性菌毛，均 可通过接合方式进行可通过接合方式进行 基因的转移。基因的转移。 转导：转导：t

21、ransductiontransduction o 基本概念：以噬菌体为载体，将供体菌部分基本概念：以噬菌体为载体，将供体菌部分 遗传物质传递给受体菌，使得受体菌的遗传物质传递给受体菌，使得受体菌的 性状发生改变的过程。性状发生改变的过程。 o 转导方式：普遍性转导（毒性和温和噬菌体）、转导方式：普遍性转导（毒性和温和噬菌体）、 局限性转导（温和噬菌体）局限性转导（温和噬菌体）。 供体菌受体菌 转导噬菌体 细菌DNA 噬菌体DNA （1） 普遍性转导普遍性转导 前噬菌体脱离溶原性细菌增殖时，误装入细前噬菌体脱离溶原性细菌增殖时，误装入细 菌菌DNA。故该噬菌体感染受体菌时，则将供。故该噬菌体感染受体菌时，则将供 体菌体菌DNA带入受体菌内。带入受体菌内。 局限性转导restricted transduction o前噬菌体从宿主菌染色前噬菌体从宿主菌染色 体脱离时发生偏差，将体脱离时发生偏差，将 前噬菌体两侧的宿主染前噬菌体两侧的宿主染 色体色体基因基因转移到受体菌，转移到受体菌， 使受体菌的遗传性状发使受体菌的遗传性状发 生改变的过程。生改变的过程。 普遍性转导与局限性转导的区别普遍性转导与局限性转导的区别 区别要点区别要点普遍性转导普遍性转导局限性转导局限性转导 基因转导发生的时期基因转导发生的时期裂解期裂解期溶原期溶原