细菌的遗传和变异

• 在陈旧培养基中长期培养 光滑型菌落 ─────→ 粗糙型菌落 S 或在有免疫力的人体内 R
• 失去LPS的特异性多糖重复单位
细菌遗传变异的物质基础
细菌染色体
• 细菌属于原核细胞型微生物, 细菌染色体是环 状双螺旋DNA，不含组蛋白, 无核膜包围。 • 基因, 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。细菌基因的结构 是连续的, 无内含子。 • 细菌染色体DNA的复制：大肠埃希菌已证明是 双向复制
基因突变规律
• 突变率
– 自然突变率 – 诱导突变率
• 突变与选择
– 彷徨试验 – 影印培养试验
• 回复突变
DNA的损伤修复
基因的转移和重组
• 基因转移
– 外源性的遗传物质由供体菌转入某受体菌细胞的 过程称为基因转移（gene transfer） 。
• 重组
– 转移的基因与受体菌DNA整合在一起称为重组（ recombination），使受体菌获得供体菌的某些性 状。
• 细菌的基因转移和重组可通过转化、接合、 转导、溶原性转换和细胞融合等方式进行。
转化（transformation）
• 转化是供体菌裂解游离的DNA片段被受体 菌直接摄取，使受体菌获得新的性状。 • 转化现象在肺炎链球菌、葡萄球菌和流感 嗜血杆菌等中被证实。
转化试验
转化
• 转化因子（transforming principle ）
转化
接合（conjugation）
• 接合是细菌通过性菌毛相互连接沟通， 将遗传物质（主要是质粒DNA）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 粒称为接合性质粒，F质粒、R质粒、Col 质粒和毒力质粒。
接合
• F质粒的接合
– F+×F－ – 高频重组菌（high frequency recombination,Hfr） – F′ – F+ 、 Hfr、 F′都为雄菌
ABCDEFG
Transposase
GFEDCBA
转位因子
• 转座子（transposon,Tn）
– 长度一般超过2kb，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等。因此当Tn插入某 一基因时，一方面可引起插入基因失活产生 基因突变，另一方面可因带入耐药性基因而 使细菌获得耐药性。转座子可能与细菌的多 重耐药性有关。
细菌的遗传和变异
细菌的遗传和变异
• 遗传（heredity）
– 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。
• 变异（variation）
– 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。
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 重组，不可逆，可遗传给后代。
转导频率
溶原性转换（ lysogenic conversion）
• 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DNA片段 ，使其成为溶原状态时而致细菌获得新 的性状。
– 白喉棒状杆菌
原生质体融合（protopast 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。 • 聚乙二醇可促使二种原生质体的融合。 • 原生质体融合是一种人工基因转移系统 ，本质上与基因转移无关或关系很小。
• 非遗传性变异（表型变异）
– 环境改变导致，基因结构未发生变异，可逆 ，不可遗传。
细菌的变异现象
• • • • 形态、结构变异 毒力变异 耐药性变异 菌落变异
形态结构变异
• 3-6%食盐 鼠疫杆菌────→多形态性(衰残型)。 琼脂培基
形态结构变异
• 青霉素、溶菌酶 正常形态细菌──────→ L型变异 抗体或补体 (部分或完全失去胞壁)
普遍性转导
普遍性转导
• 完全转导
– 外源性DNA片段与受体菌的染色体整合，并 随染色体而传代，称完全转导
• 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，称为流 产转导
局限性转导
• 局限性转导或特异性转导， 所转导的只 限于供体菌染色体上特定的基因。如λ噬 菌体进入大肠埃希菌。
在基因工程中的应用
• 基因工程是根据遗传变异中细菌可因基 因转移和重组而获得新性状的原理设计 的
– 切取目的基因——连接到载体上——转移到 工程菌内，大量表达目的基因产物 – 目前已大量生产胰岛素、干扰素、多种生长 激素、rIL-2等细胞因子和乙肝疫苗等生物制 品
细菌素质粒
• 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
代谢质粒
• 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
质粒的特征
– 自我复制能力，为复制子，单拷贝或多拷贝
• 紧密型质粒和松弛型质粒
– – – –
编码产物赋予细菌某些性状特征 可自行丢失与消除 有转移性 可分为相容性和不相容性
正常霍乱弧菌
霍乱弧菌L型
形态结构变异
• 特殊结构的变异
42-43℃ 炭疽杆菌────→失去形成芽胞能力, 毒性 10-20天 降低
变形杆菌（H） 迁徙生长 1%石炭酸
鞭毛变异
（O） 单个菌落
毒力变异
• β棒状噬菌体 白喉棒状杆菌────→ 获得白喉毒素
毒力变异
• 胆汁、甘油、马铃薯培养基 牛型结核杆菌────────→卡介苗 13年(230代)
– 普遍性转导（generalized transduction） – 局限性转导（restricted transduction）
普遍性转导
• 前噬菌体从溶原菌染色体上脱离，进行增殖，在 裂解期的后期，噬菌体的DNA已大量复制，在噬 菌体DNA装入外壳蛋白组成新的噬菌体时，在 105～107次装配中会发生一次装配错误，误将细 菌的DNA片段装入噬菌体的头部，成为一个转导 噬菌体。转导噬菌体能以正常方式感染另一宿主 菌，并将其头部的染色体注入受体菌内。因被包 装的DNA可以是供体菌染色体上的任何部分，故 称为普遍性转导。
– 在转化过程中，转化的DNA片段称为转化因 子 ，分子量小于107，最多不超过10~20个基 因。
• 感受态（competence）
– 受体菌只有处于感受态时，才能摄取转化因 子。细菌处于感受态是因为其表面有一种吸 附DNA的受体.
转化
• 转化因子吸附在受体菌表面受体上，然 后再被摄入 。 • 解链，一链进入受体菌，另一链为进入 提供能量。 • 重组。 • DNA复制重组菌繁殖后，获得新的性状 的细菌称为转化菌的突变株。
转位因子
• 转座噬菌体或前噬菌体
– 是一些具有转座功能的溶原性噬菌体，当整合 到细菌染色体上，能改变溶原性细菌的某些生 物学性状，如白喉棒状杆菌、肉毒梭菌等的外 毒素就是由转座噬菌体的有关基因所编码的。 另外，转座噬菌体从细菌染色体分离脱落时， 可能连带有细菌的DNA片段，故它还可能在遗 传物质转移过程中起载体作用。
质粒（plasmid）
• 质粒是细菌染色体外的遗传物质，是环状闭 合的双链DNA。
– 大质粒 – 小质粒
• 几种重要的质粒
– – – – – 致育质粒（F质粒） 耐药质粒 毒力质粒（Vi质粒） 细菌素质粒 代谢质粒
致育质粒（F质粒）
• 与有性生殖有关 • 带有F质粒的为雄性菌，能长出性菌毛； • 无F质粒的为雌性菌，无性菌毛
局限性转导
gal
bio
gal bio
gal bio
gal
bio
bio
普遍性转导与局限性转导的区别
区别要点
基因转导发生的时期 转导的遗传物质 转导的后果
普遍性转导
裂解期 供体菌染色体DNA 任何部位或质粒
局限性转导
溶原期 噬菌体DNA及供体 菌DNA的特定部位
完全转导或流产转导 受体菌获得供体菌 DNA特定部位的遗 传特性 受体菌的10-7 转导频率较普遍转 导增加1000倍(10-4)
耐药性质粒
• 编码细菌对抗菌药物或重金属盐类的耐 药性。
– 可通过细菌间接合进行传递的称接合性耐药 质粒，又称R质粒 – 不能通过接合传递的非接合性耐药质粒，但 可通过噬菌体传递。
毒力质粒（Vi质粒）
• 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ST质粒编码的。 – 细菌粘附定植在肠粘膜表面是由K质粒决定 的。
接合
Donor
F+
F-
F+
F-
Recipient
F+
F+
F+
F+
接合
F+
F+
Hfr
接合-
Hfr
F-
接合
F’
F-
F’
F-
F’
F’
F’
F’
接合
• R质粒的接合
– 日本首先分离到抗多种药物的宋内志贺菌多重 耐药株，多重耐药性很难用基因突变解释。 – 健康人中大肠埃希菌30%~50%有R质粒，而致 病性大肠埃希菌90%有R质粒。 – R质粒与耐药性有关，尤其与多重耐药性有关 。耐药质粒从一个细菌转移到另一个细菌中。
接合
• R质粒
– 耐药传递因子（resistance transfer factor,RTF）
• 与F质粒相似，编码性菌毛的产生和通过接合转移
– 耐药（r）决定子
• r-dir能编码对抗菌药物的耐药性，可由几个转座子 连接相邻排列，如Tn9带有氯霉素耐药基因，Tn4带 有氨苄青霉素、磺胺、链霉素的耐药基因，Tn5带 有卡那霉素的耐药基因。