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1、第5章 细菌的遗传与变异,目 的 要 求,1.掌握：细菌的遗传物质；插入序列、转座子的概 念；细菌的基因转移和重组的几种方式 （转化、接合、转导、溶原性转换、原生质 体融合）的概念和机制； 2.熟悉：遗传变异的原理；细菌的变异现象。 3.了解：细菌基因突变的规律；遗传变异在医学上 的应用。,第一节、细菌的遗传物质,1.细菌染色体（bacterial chromosome）： 为一条环状双螺旋的DNA分子组成的细菌染色体相对聚集在一起，形成一个较为致密的区域，称为类核（nucleoid）。,细菌染色体的特征：,1）相对较小，只有一个复制启始位点。 2）功能相关的基因组成操纵子结构，转录一条mRN
2、A链，然后分别合成各自的蛋白。 3)基因是连续的，没有内含子，转录后不需要剪切加工。 4）大部分DNA编码表达蛋白质，不翻译区中含间隔区和调控序列 5）大多数编码顺序不重叠 6）结构基因大多数是单拷贝 7）具有各种功能的识别区域,3、转座因子（transposable element）,能细菌基因组中能改变自身位置的一段DNA片段。,特点,插入序列（insertion sequence, IS) 转座子（transposon, Tn）,可在质粒与质粒之间、质粒和染色体之间、染色体不同 部位之间自行转移。 转位基因必须依附染色体和质粒复制,分 类,概念,是最简单或序列较短的转座因子，长度不超2k
3、bp，两端有反向重复序列作为重组酶的识别位点，中心序列能编码转座酶及与转录有关的调节蛋白。,1）插入序列（insertion sequences, IS),除两端的IS外还带有其它遗传基因（如耐药性基因、抗金属基因、毒素基因、其他结构基因等），这些基因可随Tn的转座而发生转移重组，从而使插入处基因的完整性受到破坏，造成大的染色体突变。,2）转座子（transposon, Tn）,Kanr Bler Strr,4、整合子（integron,In）,是一种运动性的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。 定位于染色体和质粒或转座子上。 基本结构由两端的保守
4、末端和中间的可变区构成。,5、噬菌体基因组,毒性噬菌体 溶菌周期 温和噬菌体 溶原周期 溶菌周期 溶原性细菌 前噬菌体,第二节、细菌基因表达的调节,操纵子细菌的许多相关基因串联排列在染色体的特定部位，其上游有启动子（promotor）和操纵基因（operator gene）序列，共同构成一个转录单位，称为操纵子。 操纵子上游有一调节基因，编码的蛋白质能调节操纵子的活动。这些功能相关的基因串联排列,受上游共同调控区的调控,同时转录,同时翻译,最终形成功能相关的几种蛋白质。,P,P,大肠埃希菌乳糖酶基因乳糖操纵子,5,TGTTGACATTT ATTTGTTATAATG CAT 3,R,P,O,La
5、cZ,LacY,调节基因,启动子,操纵基因,结构基因,识别部位,结合部位,6,-,9,bp,4,-,7,bp,LacA,结构基因：大肠杆菌乳糖代谢酶（半乳糖苷酶、半乳糖苷通透酶、 半乳糖苷乙酰化酶）基因（LacZ、LacY、LacA）串联排列于DNA区段上。 操纵基因（operator gene）：控制基因转录的序列； 启动子（promotor）序列：RNA聚合酶的识别和结合部位。前者由TTGACA序列组成，后者由TATAATG序列组成，成为pribnow框。,（一）抑制基因转录 1、阻遏蛋白(repressor):在乳糖操纵子上游的调节基因区域，有产生阻遏蛋白的基因，产生的阻遏蛋白具有抑制基
6、因转录的作用。,2、辅阻遏物（corepressor） 是一种小分子物质，与阻遏蛋白结合形成一种活性阻遏物，其与操纵基因结合，抑制基因转录。 （二）促进基因转录 分解物基因结合蛋白（catabolite gene-activator protein,CAP）,与cAMP结合形成CAPcAMP复合物后，能与启动子区域的DNA序列结合，从而增强RNA聚合酶与启动子结合，明显提高基因的转录和翻译。,第三节、基因的转移和重组,F 质粒接合,通过性菌毛的接触沟通将接合性质粒从供菌转移到受菌。,Hfr菌接合,A,B,C,D,E,F质粒可以整合到染色体上形成高频重组株（high frequency reco
7、mbinant，Hfr），具有高频率转移自身染色体到F菌的能力。,1.Hfr类似于F质粒，可合成性菌毛。,2.可转移供菌的染色体DNA。被整合的F质粒起引导转移作用。,F/质粒： Hfr菌中的F质粒有时会从染色体上脱离，终止Hfr状态，从染色体上脱离的F质粒还会携带有相邻染色体DNA片段，称为F/质粒,A,C,D,B,转导（transduction）,由噬菌体介导，将供菌的DNA片段转入受菌，使受菌获得供菌的部分遗传性状。 分为普遍性转导和局限性转导,普遍性转导,1、在噬菌体成熟装配过程中，误将宿主（供菌）染色体片段或质粒片段装入噬菌体内，产生转导噬菌体。当它感染其他菌时，便将供菌DNA转入受
8、菌。 2、任何供菌DNA片段都有可能被误装入噬菌体内，故成为普遍性转导。 3、毒性噬菌体和温和噬菌体都能介导普遍转导。,普遍性转导的结局,完全转导 外源性DNA片段与受体菌的染 色体整合，并随染色体复制而 传代。 流产转导 外源性DNA片段游离在胞质中,既不能与受体菌染色体整合， 也不能自身复制，也不能传代。,局限性转导,1、进入溶原期的温和噬菌体，以前噬菌体形式整合在细菌染色体的某一位置，当其自发或经诱导中止溶原状态，前噬菌体脱离细菌染色体时，脱离的前噬菌体基因携带出与它紧密连锁的细菌的DNA片断，使受体菌获得供体菌的某种遗传性状的过程。 2、所转导的只限于供体菌染色体上特定的基因。如噬菌体
9、进入大肠埃希菌。,1,2,溶原性转换 (lysogenic conversion),在温和噬菌体的溶原期，因前噬菌体与细菌染色体整合而导致细菌基因型发生改变而获得新的性状。,无毒的白喉杆菌感染了-棒状杆菌噬菌体后变成了产毒的白喉杆菌。,原生质体融合（protoplast fusion）,原生质体融合是将两种不同的细菌经溶菌酶或青霉素等处理，失去细胞壁成为原生质体后进行彼此融合的过程。 融合后的双倍体细胞可以短期生存，在此期间染色体之间可以发生基因的交换和重组，获得多种不同表型的重组融合体。 聚乙二醇可促使二种原生质体的融合。,第四节、基因突变（mutation),概念,基因突变（点突变） 染色
10、体畸变（大突变）,随机发生与选择压力：自发突变、回复突变（野生型突变型） 突变剂诱导突变,是指DNA碱基对的置换、插入或缺失所致的基因结构的变化，可分为点突变和染色体畸变。,类型,规 律,一、基因突变规律 1、自发突变,彷徨试验证明：突变是自发的；是在接触噬菌体之前已经发生；噬菌体对突变仅起筛选作用，而不是诱导作用,2、诱发突变：人工诱导产生的突变。可提高细菌的突变率。许多理化因子 如X线，紫外线，亚硝酸盐等都具有诱变活性。 突变率：自发突变率为109106 诱发突变率提高101000倍,3、突变与选择 要从菌群中找出个别突变菌，必须将菌群放在一种利于突变菌 而不利于其他菌生长的环境中，才能将
11、突变株选择出来。,4、回复突变与抑制突变 细菌由野生型变为突变型是正向突变，有时突变株经过又一次突变可恢复为野生型的性状，这种第二次突变称回复突变（reverse mutation）。 一般回复突变并没有改变正向突变的DNA序列，而是一个抑制基因（suppressor gene）突变抑制了第一次突变所致的性状改变。,二、突变型细菌及其分离,1、抗性突变型 耐药性突变：指原来对某种药物敏感的细菌发生变异而成为对该药具有耐受的菌株，可用影印试验筛选耐药突变株。 2、营养缺陷突变型 细菌由原来能合成某种营养物质的原养型突变为不能合成该物质的营养缺陷型。 3、条件致死性突变型 突变的细菌在某种特定条件
12、下不能存活，而在另一适当条件下仍可正常生长。如温度敏感突变株（temperature sensitive mutant, ts株） 4、发酵阴性突变型 突变后失去发酵某种糖的能力，主要是突变造成某种酶的缺陷。,第五节、细菌遗传变异在医学上的实际意义,1、影响细菌学诊断 2、预防耐药菌株的扩散： 3、制备菌苗,凡能诱导细菌突变的物质也可诱发人体细胞的基因突变,这些物质有可能是致癌物质. 鼠伤寒沙门菌(his-) 不生长(无菌落) 鼠伤寒沙门菌(his-) 菌落生长 凡能提高突变率、诱导菌落生长较多者，即证明被检物有致癌的可能性。,(组氨酸营养缺陷型),普通培养基,可疑致癌物 ?,4、检测致癌物质
13、（Ames test）,目的基因（从生物体细胞基因组中制备的DNA片段） 载体（质粒、噬菌体） 重组DNA分子 工程菌（大肠埃希菌、酵母菌） 目的基因产物：胰岛素、干扰素、生长因子、白细胞介素、乙肝疫苗等,连接酶,转移,人工培养,5、基因工程方面的应用,思 考 题,一、名词解释 1接合（conjugation） 2转导（transduction）3转化（transformation）4R质粒 5转座子 6插入序列 7突变 8.整合子 9.ts株 10. Ames试验 二、简答题 1举例说明细菌变异类型。 2简述F+菌、F-菌、Hfr菌和F菌的区别 3简述质粒的概念及主要特性。 4简述普遍性转导与局限性转导的区别。 5何谓彷徨试验？意义如何？ 6.何谓影印培养试验？意义如何？,
