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1、Chapter 5Heredity and variation of bacteria本章学习要点本章学习要点1.细菌的遗传物质与特征；细菌的遗传物质与特征；2.噬菌体的概念及应用；噬菌体的概念及应用；3.细菌基因突变及类型；细菌基因突变及类型；4.细菌基因转移的方式和相关概念。细菌基因转移的方式和相关概念。The phenomenon of bacterial variationi.Variation in morphology and structurelose capsule ( Pneumococcus)H OLose SporeL-formVariation ii.Variation
2、 in virulenceBovine TB BCG13years, 230 generationC. diphtheriae b-corynephage, diphtheriae toxinVariationiii.Variation in drug resistancePenicillin resistant strains of staphylococcus aureusiv.Variation in colonyS-Rv.Variation in antigenicityInfluenza virus Genetic materials about bacterial variatio
3、n1.Chromosomes染色体2.Plasmids质粒3.Transposable elements转座元件4.Phage噬菌体5.integron整合子 为双螺旋环状为双螺旋环状DNA长链，附着在长链，附着在横隔中介体或细胞膜上，长约横隔中介体或细胞膜上，长约10001300m，约，约30005000个基因，个基因，编码编码2000多种酶和其它结构蛋白。多种酶和其它结构蛋白。 细菌染色体与真核细胞染色体不细菌染色体与真核细胞染色体不同，除同，除 rRNA基因是多拷贝以外，基因是多拷贝以外，其余为其余为单拷贝单拷贝，很少有重复序列很少有重复序列，基因结构连续，基因结构连续，无内含子无内含子
4、，RNA分分子转录后不必再加工。子转录后不必再加工。 目前已完成几十种细菌的基因测目前已完成几十种细菌的基因测序工作序工作。1. ChromosomesSize E.coli 1300mm, 4,288geneRolling-circle pattern of replication 2. Plasmids 是细菌染色体以外能进行自主复制的遗传物质，为闭合是细菌染色体以外能进行自主复制的遗传物质，为闭合环状的双链环状的双链DNA分子，存在于胞质中，决定细菌的某些分子，存在于胞质中，决定细菌的某些生物学性状，但不为细菌生长繁殖所必须。生物学性状，但不为细菌生长繁殖所必须。 质粒的大小范围为质粒的
5、大小范围为1Kb1000Kb（ 40kbp40kbp为大质粒）。为大质粒）。特性：Small double-stranded DNA molecules, usually circularexist independently of host chromosome autonomously replicating may disappear spontaneously or by induction (UV)compatibility and incompatibilityplasmid 类型：类型： Fertility plasmid, F质粒质粒编码性菌毛编码性菌毛 Resistance
6、plasmid, R质粒质粒使细菌产使细菌产 生耐药性生耐药性 Coliciogenic plasmid ，Col质粒质粒编码细菌素编码细菌素 Virulence plasmid Vi质粒质粒与细菌毒力有关与细菌毒力有关 转移特性：Conjugative接合性质粒：接合性质粒：接合性质粒：接合性质粒： 40-100kbp， e.g. F F质粒、质粒、质粒、质粒、R R质粒、质粒、质粒、质粒、ColCol质粒、毒力质粒、毒力质粒、毒力质粒、毒力质粒等质粒等质粒等质粒等Non-conjugative 非接合性质粒：非接合性质粒：非接合性质粒：非接合性质粒： 分子量小，无编码转移体系所需基因。分子
7、量小，无编码转移体系所需基因。分子量小，无编码转移体系所需基因。分子量小，无编码转移体系所需基因。Bacteria 75, 30 ，sensitive to rays 噬菌体根据其对宿主细胞的作用特点可分成 Lytic or virulent phage毒性噬菌体（毒性噬菌体（ e.g., T4 ） Lysogenic or temperate phage温和噬菌体温和噬菌体（ e.g., l ）Virulent phage毒性噬菌体毒性噬菌体Phage that can only multiply within bacteria and kill the cell by lysis. 能在宿
8、主细胞中复制增殖，产生子代能在宿主细胞中复制增殖，产生子代 噬菌体，并最终裂解细菌。噬菌体，并最终裂解细菌。 virulent phage multiplication cycle attachment吸附：吸附：噬菌体与细菌表面受体发生特异性结合的过程噬菌体与细菌表面受体发生特异性结合的过程 penetration穿入：穿入：噬菌体核酸进入宿主细胞的过程噬菌体核酸进入宿主细胞的过程 biosynthesis生物合成：生物合成：噬菌体利用宿主细胞的原料，合成噬菌体利用宿主细胞的原料，合成 自身的核酸和蛋白质自身的核酸和蛋白质 maturation release成熟与释放：成熟与释放：将合成好
9、的核酸和蛋白质按将合成好的核酸和蛋白质按一定程序装配成完整的成熟噬菌体，最终细胞破裂，噬菌体释放出来。一定程序装配成完整的成熟噬菌体，最终细胞破裂，噬菌体释放出来。 Bacteriophagia 噬菌现象液体培养基液体培养基混浊菌液混浊菌液 澄清澄清固体培养基固体培养基plaque 噬菌斑噬菌斑噬菌体数量测定法噬菌体数量测定法plaque forming unit 噬斑噬斑形成单位（形成单位（ pfu）温和噬菌体温和噬菌体Temperate Phagetemperate phage (lysogenic phage): 侵入菌细胞后，噬菌体的基因与宿主菌染色体整合，不产生侵入菌细胞后，噬菌体的
10、基因与宿主菌染色体整合，不产生子代噬菌体，但可随细菌子代噬菌体，但可随细菌DNA的复制和细菌分裂而传代。的复制和细菌分裂而传代。 毒性噬菌体（毒性噬菌体（virulent phage): 侵入菌细胞后侵入菌细胞后,在其中增殖引起细菌裂解，释放大量子代噬菌在其中增殖引起细菌裂解，释放大量子代噬菌体。体。 其复制周期包括两种其复制周期包括两种: lysogenic cycle 溶原性周期溶原性周期 lytic cycle 溶菌性周期溶菌性周期 prophage: 整合在细菌基因组中的噬菌体基因组溶原性细菌phage prophage（前噬菌体前噬菌体）整合在细菌基因组中的噬菌整合在细菌基因组中的噬
11、菌体基因。体基因。 lysogenic bacterium（溶原性细菌溶原性细菌）带有前噬菌带有前噬菌体基因的细菌。体基因的细菌。 lysogen（溶原性）溶原性）产生成熟子代噬菌体及溶解细产生成熟子代噬菌体及溶解细菌细胞的潜在能力菌细胞的潜在能力。 lysogenic cycle （溶原性周期）（溶原性周期）噬菌体基因整合在染色体上随细菌分裂传代。 lytic cycle （溶菌性周期）（溶菌性周期）噬菌体基因直接复制繁殖产生子代噬菌体并使菌细胞破裂。 lysogenic conversion（溶溶原原性性转转换换）当温和噬菌体感染宿主菌使之溶原化时，由于噬菌体基因整合于宿主菌染色体上，而使
12、宿主菌获得新的遗传性状的现象，称之为溶原性转换。5整合子integron1989年年Strokes和和Hall首次提出其概念。首次提出其概念。 整合子是一种整合子是一种运动性的运动性的DNA分子分子，具有，具有独特结构独特结构可捕获和整合外源性可捕获和整合外源性基因，使之转变为基因，使之转变为功能性基因的表达单位功能性基因的表达单位。它通过转座子或接合性质粒，使。它通过转座子或接合性质粒，使多重耐药基因多重耐药基因在细菌中进行水平传播。整合子存在于许多细菌中，定位于染在细菌中进行水平传播。整合子存在于许多细菌中，定位于染色体和质粒或转座子上，是细菌固有的一种遗传单位，并通过捕获外源性基色体和质
13、粒或转座子上，是细菌固有的一种遗传单位，并通过捕获外源性基因来增强细菌生存的适应性。因来增强细菌生存的适应性。整合酶基因、重组位点和启动子整合酶基因、重组位点和启动子Mechanism of variationPhenotypic variation（表型变异或非遗传性变异）非遗传性变异）基因结构正常，由环境因素的改变诱导生物学特性发基因结构正常，由环境因素的改变诱导生物学特性发生改变生改变。Genotypic variation（遗传性变异）遗传性变异）基因结构发生基因结构发生改变，导致生物学性状发生改变，又称基因型变异。改变，导致生物学性状发生改变，又称基因型变异。 变异的方式包括：变异的
14、方式包括： Mutation突变突变 Gene transfer and recombination基因转移与重组基因转移与重组Mutation a stable heritable change of bacterial gene （changes in DNA sequences） 指遗传物质的结构发生了指遗传物质的结构发生了突然而稳定的改变，而引起的遗传性变异。突然而稳定的改变，而引起的遗传性变异。根据根据DNA片段变化的大小，可分为大突变和小突变。片段变化的大小，可分为大突变和小突变。 micromutation小突变小突变： Base substitutions, deletions
15、, insertions, rearrangements DNA序列上序列上个别碱基置换、插入、缺失影响到一个或几个基因改变，个别碱基置换、插入、缺失影响到一个或几个基因改变，又称又称point mutation点突变点突变 macromutation大突变大突变：染色体上一段染色体上一段DNA分子的插分子的插入或丢失，引起入或丢失，引起chromosomal aberration染色体畸变。染色体畸变。突变的机制与规律突变的机制与规律突变可自发，也可诱发，均具有一定的突突变可自发，也可诱发，均具有一定的突变率，其机制与规律不同。变率，其机制与规律不同。 自发突变：自发突变：106109 诱发
16、突变：诱发突变：1041061. Spontaneous mutation 特点：特点：自发突变表现为随机性与不定向性。自发突变表现为随机性与不定向性。突变是随机的、自发的，不是由外界突变是随机的、自发的，不是由外界因素诱导产生的。因素诱导产生的。耐药性变异中药物的筛选作用。（影印培养试验）耐药性变异中药物的筛选作用。（影印培养试验）Without antibioticWith antibioticsWithout antibioticDrug resistants grow2.induced mutation 由诱变剂（化学、物理和生物因素）诱由诱变剂（化学、物理和生物因素）诱发的突变，称为
17、诱发突变。发的突变，称为诱发突变。诱变剂的种类多，诱发突变率高。诱变剂的种类多，诱发突变率高。 化学诱变剂一般均有致癌的可能性，检测一种物质是否为致癌化学诱变剂一般均有致癌的可能性，检测一种物质是否为致癌物可用物可用Ames 试验试验 AmesAmes试验试验试验试验野生型菌野生型菌野生型菌野生型菌 突变型菌突变型菌突变型菌突变型菌组氨酸营养缺乏型鼠伤寒沙门组氨酸营养缺乏型鼠伤寒沙门组氨酸营养缺乏型鼠伤寒沙门组氨酸营养缺乏型鼠伤寒沙门菌菌菌菌(His-)(His-)在无组氨酸的培养基中在无组氨酸的培养基中在无组氨酸的培养基中在无组氨酸的培养基中不能生长不能生长不能生长不能生长, ,当回复突变成
18、当回复突变成当回复突变成当回复突变成His+His+后后后后, ,则能在该培养基中生长。诱导剂则能在该培养基中生长。诱导剂则能在该培养基中生长。诱导剂则能在该培养基中生长。诱导剂可诱导细菌回复突变。应用这一可诱导细菌回复突变。应用这一可诱导细菌回复突变。应用这一可诱导细菌回复突变。应用这一试验可检测物品是否有诱发突变试验可检测物品是否有诱发突变试验可检测物品是否有诱发突变试验可检测物品是否有诱发突变作用。作用。作用。作用。mutagenTest chemical常见的突变类型resistant mutation 抗性突变 nutrient deficient mutation 营养缺陷性突变
19、virulence mutation 毒力突变 conditional lethal mutation条件致死性突变二、二、 Gene transfer and recombination 外源性遗传物质由外源性遗传物质由donor bacteria供体菌供体菌转入某转入某recipient bacteria受体菌受体菌细胞内的过程，称为细胞内的过程，称为gene transfer 基因转移基因转移。转移的基因与受体菌。转移的基因与受体菌DNA整合在一起，称为整合在一起，称为recombination重组重组。基基因因转移转移与与重重组组方式方式Lysogenic conversion溶原性转
20、换溶原性转换Conjugation接合接合Transduction转导转导Transformation转化转化protoplast fusion细细胞融合胞融合1.transformation recipient bacteria takes up exogenous DNA of donor bacteria(供体菌游离的供体菌游离的DNA片段直接进入受体菌片段直接进入受体菌,使受体菌获得新的遗传性状使受体菌获得新的遗传性状),称为称为transformation转化转化. 经典试验经典试验1928年年Griffiths experiment(肺炎球菌转化试验肺炎球菌转化试验)1994年，A
21、very等2.conjugation bacterial DNA is transferred from donor bacteria to recipient bacteria by F pilus. Hfr(high frequent recombinant bacterium ) 细菌通过性菌毛相互连接沟通，将质粒或染色体的细菌通过性菌毛相互连接沟通，将质粒或染色体的DNA从供体菌转移给受体菌的过程，称为接合从供体菌转移给受体菌的过程，称为接合。 接合与转化不同，需要供菌与受菌之间通过中空的管接合与转化不同，需要供菌与受菌之间通过中空的管道（即性菌毛）连接将遗传物质从供菌转移给受体菌。道
22、（即性菌毛）连接将遗传物质从供菌转移给受体菌。性菌毛的产生由质粒基因编码。性菌毛的产生由质粒基因编码。DonorRecipient 接合质粒的转移方式接合质粒的转移方式接合质粒的转移方式接合质粒的转移方式 F plasmid （fertility factor, F F质粒）接合质粒）接合F F质粒又称为致育因子质粒又称为致育因子 F+ (F+ (雄性菌）雄性菌） F- F-（雌性菌）（雌性菌） F+F+HfrFF plasmidHfr,high frequency of recombinationF+HfrPhysiological States F plasmidF plasmid高频重组
23、菌高频重组菌（high frequency recombinant,Hfr）Conjugation with a F plasmid Resistance plasmid ( drug resistance R质粒质粒)接合接合耐药性质粒有两部分组成：耐药性质粒有两部分组成：resistance transfer factor （ RTF耐药性传递因子耐药性传递因子)编码性菌毛。编码性菌毛。R determinant（耐药决定因子）耐药决定因子）携带耐药基因。携带耐药基因。3.transduction 以以温和噬菌体温和噬菌体为媒介，将供体菌的一段为媒介，将供体菌的一段DNA转移到受体菌内，使
24、受体菌获得新性转移到受体菌内，使受体菌获得新性状状。 普遍性转导普遍性转导 其转移方式有两种其转移方式有两种局限性转导局限性转导 Generalized transduction普遍性转导普遍性转导普遍性转导的结果：普遍性转导的结果：又可分成完全转导又可分成完全转导和流产转导两种。和流产转导两种。 specialized transduction局限性转导局限性转导4. lysogenic conversion有前噬菌体的溶源菌发生基因型的改变，获得新有前噬菌体的溶源菌发生基因型的改变，获得新性状。性状。白喉棒状杆菌白喉棒状杆菌 白喉棒状杆菌白喉棒状杆菌 -棒状杆菌噬菌体棒状杆菌噬菌体（正常）
25、（感染）（正常）（感染） 不产生外毒素不产生外毒素 产生白喉外毒素产生白喉外毒素常见的细菌有：常见的细菌有：A群链球菌、金葡菌、肉毒梭菌等群链球菌、金葡菌、肉毒梭菌等 红疹毒素 溶血毒素 肉毒毒素第三节第三节 细菌变异的实际应用细菌变异的实际应用一、诊断、治疗与预防中的应用一、诊断、治疗与预防中的应用1. 变异后变异后性状不典型性状不典型,给细菌鉴定工作带来困难给细菌鉴定工作带来困难.2. 耐药性变异的监测耐药性变异的监测, 有利于指导正确选择抗有利于指导正确选择抗菌药物菌药物.3. 毒力变异的研究毒力变异的研究,以利于研制疫苗预防传染病以利于研制疫苗预防传染病二、在检测致癌物质方面的应用二、
26、在检测致癌物质方面的应用 Ames试验检测诱变剂试验检测诱变剂三、在流行病学方面的应用三、在流行病学方面的应用 应用指纹图谱法（应用指纹图谱法（fingerprinting)将不同来源将不同来源细菌所携带的质粒细菌所携带的质粒DNA、毒力基因、耐药基因等、毒力基因、耐药基因等经同一种限制性内切酶切割后进行琼脂糖凝胶电经同一种限制性内切酶切割后进行琼脂糖凝胶电泳，比较所产生的片段大小和数目是否相同，以泳，比较所产生的片段大小和数目是否相同，以确定某一感染暴发流行菌株或相关基因的来源，确定某一感染暴发流行菌株或相关基因的来源，播散等情况。播散等情况。四、在基因工程方面的应用四、在基因工程方面的应用
27、 基因工程是基因工程是20世纪世纪70年代以来在分子遗传年代以来在分子遗传学基础上发展起来的一项生物技术，在药学基础上发展起来的一项生物技术，在药物、激素、疫苗的研制与开发上得到广泛物、激素、疫苗的研制与开发上得到广泛应用，取得了丰硕的成果。应用，取得了丰硕的成果。复习思考复习思考一、名词一、名词质粒噬菌体毒性噬菌体温质粒噬菌体毒性噬菌体温和噬菌体前噬菌体溶原性细菌和噬菌体前噬菌体溶原性细菌 溶原性转位因子转化接合溶原性转位因子转化接合 转导溶原性转换转导溶原性转换 TnAmes试验试验二、思考题二、思考题1. 质粒的主要特性与类型质粒的主要特性与类型2.噬菌体的概念与主要生物学特性噬菌体的概念与主要生物学特性3.温和噬菌体在细菌遗传变异中的作用温和噬菌体在细菌遗传变异中的作用4.细菌遗传性变异机制与研究意义细菌遗传性变异机制与研究意义5.基因突变的机制与规律基因突变的机制与规律6.细菌基因转移的主要方式细菌基因转移的主要方式
