第5章-细菌的遗传和变异-噬菌体

1、第第5 5章章 细菌的遗传和变异细菌的遗传和变异遗传（遗传（heredity） 遗传使细菌的性状保持相对稳定，且代代相传，遗传使细菌的性状保持相对稳定，且代代相传，使其种属得以保存。使其种属得以保存。变异（变异（variation） 在一定条件下，子代和亲代之间以及子代和子代在一定条件下，子代和亲代之间以及子代和子代之间的差异称为变异。之间的差异称为变异。遗传性变异（基因型变异）遗传性变异（基因型变异） 细菌的基因结构发生了改变，如基因突变或重细菌的基因结构发生了改变，如基因突变或重组，不可逆，可遗传给后代。组，不可逆，可遗传给后代。非遗传性变异（表型变异）非遗传性变异（表型变异） 环境改变导

2、致，基因结构未发生变异，可逆，环境改变导致，基因结构未发生变异，可逆，不可遗传。不可遗传。第一节、第一节、细菌遗传变异的物质基础细菌遗传变异的物质基础一一 、细菌的遗传物质、细菌的遗传物质一）细菌的染色体一）细菌的染色体一一 细菌染色体细菌染色体细菌属于原核细胞型微生物细菌属于原核细胞型微生物, 细菌染色体是环状双螺旋细菌染色体是环状双螺旋DNA，不含组蛋白，不含组蛋白, 无核膜包围。无核膜包围。基因基因, 是具有一定生物学功能的核苷酸序列，如编码结构是具有一定生物学功能的核苷酸序列，如编码结构蛋白、酶等功能蛋白、酶等功能。细菌基因的结构是连续的。细菌基因的结构是连续的, 无内含子。无内含子。

3、细菌染色体细菌染色体DNA的复制：大肠埃希菌已证明是双向复制的复制：大肠埃希菌已证明是双向复制 蛋白质不是遗传物质？蛋白质不是遗传物质？二二 细菌的基因组结构细菌的基因组结构特征特征 1. 遗传信息在基因组中排列的延续性遗传信息在基因组中排列的延续性 2. 功能相关的基因组成操纵子结构功能相关的基因组成操纵子结构 3. 结构基因单拷贝及结构基因单拷贝及rRNA基因的多拷贝基因的多拷贝 4. 基因组的重复序列少而短基因组的重复序列少而短三三 细菌的基因组测序细菌的基因组测序4细菌的基因调控细菌的基因调控 1. 操纵子转录调控操纵子转录调控 2. 分解代谢物阻遏调控分解代谢物阻遏调控 3. 细菌的

4、应激反应细菌的应激反应 4. 细菌的热休克应答（细菌的热休克应答（HSP70） 5. 信号传导和二元调节系统信号传导和二元调节系统 6. 重叠基因重叠基因 7. 反义反义RNA与小干扰与小干扰RNA二）二） 质粒（质粒（plasmidplasmid）概念：概念： 是存在于细菌染色体以外是存在于细菌染色体以外, 能进行自主复制的遗传因能进行自主复制的遗传因子，环状闭合的双链子，环状闭合的双链DNA; 对细菌的遗传性状有着重要对细菌的遗传性状有着重要的影响的影响。 非必需的基因非必需的基因质粒的特征质粒的特征 自我复制能力：为复制子，单拷贝或多拷贝自我复制能力：为复制子，单拷贝或多拷贝 编码产物赋

5、予细菌某些性状特征编码产物赋予细菌某些性状特征 可自行丢失与消除可自行丢失与消除 转移性转移性 分为相容性和不相容性分为相容性和不相容性(1) 致育因子（致育因子（fertility factor，F因子）因子）与有性生殖有关与有性生殖有关带有带有F质粒的为雄性菌，能长出性菌毛质粒的为雄性菌，能长出性菌毛(F+)；无无F质粒的为雌性菌，无性菌毛质粒的为雌性菌，无性菌毛(F-) 几种重要的质粒几种重要的质粒(2) 耐药性质粒（耐药性质粒（resistance plasmid, R质粒）质粒）编码细菌对抗菌药物或重金属盐类的耐药性。编码细菌对抗菌药物或重金属盐类的耐药性。(3) 细菌素质粒细菌素质

6、粒编码各种细菌产生的细菌素。编码各种细菌产生的细菌素。Col质粒编码大肠埃希菌产生大肠菌素质粒编码大肠埃希菌产生大肠菌素乳酸菌产生乳酸菌产生Nisin A抑制抑制G菌菌 食品防腐食品防腐(4) 毒力质粒（毒力质粒（virulence plasmid，Vi质粒）质粒）编码与该菌致病性有关的毒力因子。编码与该菌致病性有关的毒力因子。如致病性的大肠埃希菌产生的耐热性肠毒素是由如致病性的大肠埃希菌产生的耐热性肠毒素是由 ST质粒编码的。质粒编码的。细菌粘附定植在肠粘膜表面是由细菌粘附定植在肠粘膜表面是由K质粒决定的。质粒决定的。(5) 代谢质粒（代谢质粒（metabolic plasmid）编码产生相

7、关的代谢酶。编码产生相关的代谢酶。沙门菌发酵乳糖的能力通常是由质粒决定的沙门菌发酵乳糖的能力通常是由质粒决定的根瘤菌的固氮基因根瘤菌的固氮基因fix位于质粒中位于质粒中三）转座因子（三）转座因子（transposable element） 插入序列（插入序列（insertion sequence，IS） 转座子（转座子（transposon，Tn）四）整合子（四）整合子（integron）二、噬菌体（二、噬菌体（bacteriophagebacteriophage）噬菌体噬菌体是感染细菌、真菌、放线菌或螺是感染细菌、真菌、放线菌或螺旋体等旋体等微生物的病毒微生物的病毒。葡萄球菌和志贺菌中首先发

8、现葡萄球菌和志贺菌中首先发现病毒的特性：病毒的特性：没有完整的细胞结构，由蛋白质和核酸组成没有完整的细胞结构，由蛋白质和核酸组成专性细胞内寄生的微生物专性细胞内寄生的微生物个体微小，可以通过细菌滤器个体微小，可以通过细菌滤器种类多种类多分布极广分布极广噬菌体的生物学性状噬菌体的生物学性状大肠埃希菌大肠埃希菌T4噬菌体噬菌体抗原性抗原性 噬菌体衣壳蛋白具有抗原性，能刺激机体产生抗噬菌体衣壳蛋白具有抗原性，能刺激机体产生抗体。该抗体能抑制相应噬菌体侵袭敏感细菌，但体。该抗体能抑制相应噬菌体侵袭敏感细菌，但对已吸附或已进入宿主菌的噬菌体不起作用，噬对已吸附或已进入宿主菌的噬菌体不起作用，噬菌体仍能复

9、制增殖。菌体仍能复制增殖。噬菌体的生物学性状噬菌体的生物学性状抵抗力抵抗力 比一般细菌的繁殖体强比一般细菌的繁殖体强抵抗乙醚、氯仿和乙醇抵抗乙醚、氯仿和乙醇75 30min或更久才能被灭活或更久才能被灭活耐受低温和冰冻耐受低温和冰冻但对紫外和但对紫外和X射线敏感，一般经紫外照射射线敏感，一般经紫外照射 1015min即失去活性。即失去活性。噬菌体的生物学性状噬菌体的生物学性状噬菌体的生物学性状噬菌体的生物学性状噬菌体噬菌体宿主菌宿主菌形态形态核酸核酸T1-T7、N4大肠埃希菌大肠埃希菌蝌蚪形蝌蚪形dsDNA，线状线状P1志贺菌志贺菌蝌蚪形蝌蚪形dsDNA，线状线状P22沙门菌沙门菌蝌蚪形蝌蚪形

10、dsDNA，线状线状SP01、SP82枯草芽胞杆菌枯草芽胞杆菌蝌蚪形蝌蚪形dsDNA，线状线状29解淀粉芽胞杆菌解淀粉芽胞杆菌蝌蚪形蝌蚪形dsDNA，线状线状PM2假单胞菌假单胞菌微球形，有包膜微球形，有包膜dsDNA，线状线状X174、S13、M12、G4大肠埃希菌大肠埃希菌微球形微球形ssDNA，线状线状f1、fd、M13大肠埃希菌大肠埃希菌丝形丝形ssDNA，线状线状MS2、f2、fr、Q大肠埃希菌大肠埃希菌微球形微球形ssRNA，线状线状6假单胞菌假单胞菌微球形，有包膜微球形，有包膜dsRNA，线状，分成线状，分成3节段节段毒性噬菌体毒性噬菌体 ( (virulent phage)vi

11、rulent phage) 能在宿主菌细胞内复制增殖能在宿主菌细胞内复制增殖,产生许多子代噬产生许多子代噬菌体，并最终裂解细菌，称为菌体，并最终裂解细菌，称为毒性噬菌体毒性噬菌体。毒性噬菌体毒性噬菌体增殖过程增殖过程 1）吸附）吸附 只要细菌有特异性受体只要细菌有特异性受体，不论死活噬菌体都能吸附，但，不论死活噬菌体都能吸附，但噬菌体不能进入死亡的宿主菌。噬菌体不能进入死亡的宿主菌。 2）穿入）穿入 将头部将头部DNA注入细菌体内，而蛋白衣壳留在菌细胞外。注入细菌体内，而蛋白衣壳留在菌细胞外。生物合成生物合成 大量复制子代噬菌体的基因核酸。大量复制子代噬菌体的基因核酸。成熟与释放成熟与释放 蛋

12、白质和核酸合成后，在细胞质内按一定程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；裂菌释放出细胞外序装配成成熟的噬菌体；裂菌释放出细胞外毒性噬菌体毒性噬菌体在液体培养基中在液体培养基中 噬菌现象可使浑浊菌液变为澄清噬菌现象可使浑浊菌液变为澄清在固体培养基中在固体培养基中 噬斑（噬斑（plaque）。）。 噬斑噬斑温和噬菌体温和噬菌体 (temperate phage)噬菌体基因与宿主菌染色体整合，不产生子代噬噬菌体基因与宿主菌染色体整合，不产生子代噬菌体，但噬菌体菌体，但噬菌体DNA能随细菌能随细菌DNA复制，并随细复制，并随细菌的分裂而传代，称为菌的分裂而传代，称为温和噬菌体或

13、溶原性噬菌温和噬菌体或溶原性噬菌 体体(lysogenic phage)。温和噬菌体温和噬菌体前噬菌体前噬菌体 整合在细菌基因组中的噬菌体基因组称为前噬整合在细菌基因组中的噬菌体基因组称为前噬菌体（菌体（prophage）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 bacterium）温和噬菌体可有三种存在状态温和噬菌体可有三种存在状态前噬菌体前噬菌体游离的具有感染性的噬菌体颗粒游离的具有感染性的噬菌体颗粒宿主菌胞质内类似质粒形式的噬菌体核酸宿主菌胞质内类似质粒形式的噬菌体核酸溶原状态溶原状态 十分稳定，能经历许多代十

14、分稳定，能经历许多代 可中断可中断 可可“治愈治愈”溶原性转换（溶原性转换（lysogenic conversion） 某些前噬菌体可导致细菌基因型和性状发生改变某些前噬菌体可导致细菌基因型和性状发生改变噬菌体的应用噬菌体的应用细菌的鉴定与分型细菌的鉴定与分型分子生物学研究的重要工具分子生物学研究的重要工具细菌感染的诊断与治疗细菌感染的诊断与治疗第二节第二节 细菌的基因转移和重组细菌的基因转移和重组基因转移（基因转移（gene transfer） 重组（重组（ recombination）转化、接合、转导、溶原性转换和细胞融合转化、接合、转导、溶原性转换和细胞融合接合（接合（conjugati

15、onconjugation）接合是细菌通过接合是细菌通过性菌毛性菌毛相互连接沟通，将遗传物相互连接沟通，将遗传物质（主要是质（主要是质粒质粒DNA）从供体菌转移给受体菌。）从供体菌转移给受体菌。 接合性质粒：能通过接合方式转移的质粒称为接接合性质粒：能通过接合方式转移的质粒称为接合性质粒，如：合性质粒，如：F质粒、质粒、R质粒、质粒、Col质粒和毒力质质粒和毒力质粒。粒。接合接合F质粒的接合质粒的接合F+F高频重组菌（高频重组菌（high frequency recombination, Hfr）F F+ 、 Hfr、 F都为雄菌都为雄菌 接合（接合（F F+ +F F）F+F-F+F-F+F

16、+F+F+接合接合 高频重组菌（高频重组菌（HfrHfr）F+F+Hfr接合接合 高频重组菌（高频重组菌（HfrHfr）HfrF-HfrF-HfrF-HfrF-接合接合 （性导，（性导，FF） FFFFF F F-FF-R质粒质粒 耐药转移因子耐药转移因子（resistance transfer factor,RTF） 耐药（耐药（r）决定子）决定子Tn 9Tn 21Tn 10Tn 8RTFR determinantR质粒决定耐药的机制：质粒决定耐药的机制： 使细菌产生灭活抗生素的酶类使细菌产生灭活抗生素的酶类 R质粒控制细菌改变药物作用的靶部位质粒控制细菌改变药物作用的靶部位 R质粒可控制细

17、菌细胞对药物的通透性质粒可控制细菌细胞对药物的通透性转化（转化（transformationtransformation）转化是供体菌裂解游离的转化是供体菌裂解游离的DNA片段被受体菌片段被受体菌直接摄取直接摄取，使受体菌获得新的性状。，使受体菌获得新的性状。转化因子（转化因子（transforming principle ） 在转化过程中，转化的在转化过程中，转化的DNA片段称为转化因子片段称为转化因子 ，分子量小于分子量小于107，最多不超过，最多不超过1020个基因。个基因。感受态（感受态（competence） 受体菌只有处于感受态时，才能摄取转化因子。受体菌只有处于感受态时，才能摄取

18、转化因子。细菌处于感受态是因为其表面有一种吸附细菌处于感受态是因为其表面有一种吸附DNA的受体的受体.转化转化转化转化转化转化转导（转导（transductiontransduction）转导是以转导转导是以转导噬菌体为载体噬菌体为载体，将供体菌的一段，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。转移到受体菌内，使受体菌获得新的性状。 普遍性转导（普遍性转导（generalized transduction） 局限性转导（局限性转导（restricted transduction） 普遍性转导普遍性转导（generalized transductiongeneralized tr

19、ansduction）误将细菌的误将细菌的DNA片段装入噬菌体的头部，被包装的片段装入噬菌体的头部，被包装的DNA可以是供体菌染色体上的任何部分可以是供体菌染色体上的任何部分完全转导完全转导流产转导流产转导普遍性转导普遍性转导流产转导流产转导局限性转导局限性转导（restricted transductionrestricted transduction）局限性转导或特异性转导，局限性转导或特异性转导， 所转导的只限于供体菌所转导的只限于供体菌染色体上特定的基因。如染色体上特定的基因。如噬菌体进入大肠埃希菌。噬菌体进入大肠埃希菌。galbiogalbiogalbiogalbiobiogal普遍

20、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期转导的遗传物质转导的遗传物质供体菌染色体供体菌染色体DNA任任何部位或质粒何部位或质粒噬菌体噬菌体DNA及供体及供体菌菌DNA的特定部位的特定部位转导的后果转导的后果完全转导或流产转导完全转导或流产转导受体菌获得供体菌受体菌获得供体菌DNA特定部位的遗特定部位的遗传特性传特性转导频率转导频率受体菌的受体菌的10-7转导频率较普遍转转导频率较普遍转导增加导增加1000倍倍(10-4)溶原性转换（溶原性转换（ lysogenicly

21、sogenic conversion conversion）溶原性转换是当噬菌体感染细菌时，宿主菌染色体溶原性转换是当噬菌体感染细菌时，宿主菌染色体中获得了噬菌体的中获得了噬菌体的DNA片段，使其成为溶原状态时片段，使其成为溶原状态时而致细菌获得新的性状。而致细菌获得新的性状。 四四 基因转座基因转座转座子（转座子（transposon,Tn）转座子的特征转座子的特征转座子携带耐药或毒素基因Tn1 Tn2 Tn3AP（氨苄青霉素）Tn4AP、SM（链霉素）、Su（磺胺）Tn5Km（卡那霉素）Tn6KmTn7TMP（甲氧苄氨嘧啶）、SMTn9Cm（氯霉素）Tn10Tc（四环素）tn551Em（红霉素）Tn971EmTn1681大肠埃希菌（肠毒素基因）第三节第三节 细菌的基因突变细菌的基因突变突变（突变（mutation）点突变（点突变（point mutation）染色体畸变（染色体畸变（chromosome aberration）转换（转换（transition）颠换（颠换（transversion）移码突变（移码突变（transhift mutation）一、基因突变机制和规律一、基因突变机制和规律