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细菌的遗传与变异

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第六章细菌的遗传与变异

第六章细菌的遗传与变异

第六章 细菌的遗传与变异
第二节 基因突变
二、细菌变异的类型
抗性变异
是对某种化学药物或致死物理因子抗性的变异。例 如培养枯草杆菌或蜡样芽孢杆菌于含少量青霉素G的 培养基中时，可诱导这些细菌产生青霉素酶以破坏 青霉素。
营养型变异
1． 主要引起营养缺陷变异，即细菌丧失合成一 种或几种生长因子的能力，无法在基本培养基上正 常生长繁殖的变异类型。如变异株丧失对某种糖类、 维生素、氨基酸或其他生长因子的合成能力，在补 充这些营养物质的培养基上才能生长。
第六章 细菌的遗传与变异
第四节 细菌遗传变异研究的意义
一、理论方面 二、实践方面
基因工程
基因工程是用人工方法将所需要的 某一供体生物的DNA大分子提取出来，在离 体的条件下用适当的工具酶切割，把它与 作为载体的DNA分子连接起来，然后与载体 一起导入某一易生长、繁殖的受体细胞中， 让外源遗传物质在其中“安家落户”，进 行正常的复制和表达，从而获得新的产物。
第六章 细菌的遗传与变异
第一节 细菌遗传变异的物质基础
二、质粒
转座因子
可移动的DNA片段称为转座因子。细菌的转座因子有 三种类型：插入序列、转座子以及某些特殊的噬菌体。
毒力岛
PAI是指病原菌的某个或某些毒力基因群，分子结构与功能有 别于细菌染色体，但位于细菌染色体之内，因此称之为“岛”。 PAI虽然是染色体的DNA片段，但两端往往具有重复序列与插入 元件，其G＋Cmol%及密码使用与细菌染色体有明显差异，分子 量较大，多为30到40kb，也有达100kb者。
第六章 细菌的遗传与变异
第二节 基因突变
三、诱发细菌变异的方法
物理方法
包括温度及各种射线。温度诱发基因突变的机制 似乎是专一对GC碱基对的作用。辐射的诱变作用一般 认为有直接作用和间接作用两个方面。

细菌的遗传和变异

细菌的遗传和变异

5、质粒的转移
细菌质粒可在同种、同属或不同属细菌间转移
方式： 接合性耐药性质粒，通过性菌毛接合转移 非接合性耐药性质粒，通过噬菌体为媒介 将DNA中信息转移；
结果：耐药菌可以将耐药基因转移至敏感菌，
使敏感菌也携带了耐药性，成为耐药菌；
（三）细菌转位子
1 、定义： 为存在于细菌的染色体或质粒上一段
表达调控：
（1）调控部位：起动子、终止子
（2）调节蛋白：阻遏蛋白
（3）效应物分子
乳糖操纵子模型
Francois Jacob和Jacques Monod提出，
E.coli 利用乳糖需两种酶：
LacZ基因编码的半乳糖苷酶→乳糖来自解为葡萄糖、半乳糖LacY基因编码的半乳糖穿透酶→将乳糖运输入细胞内
LacA基因编码转酰基酶→与前两酶一起受调控
减弱：BCG（卡介苗） Calmette 和Guerin 230次历时13年之久 传代培养，毒力减弱，抗原性不变的菌株。预 防接种，不致病，但可获得免疫力。 增强： 无荚膜肺炎链球菌→小白鼠腹腔接种， 毒力增强→产生荚膜；
（五）耐药性变异
对某种药物敏感的细菌变成对该药耐受的
变异称为耐药性变异；
染色体耐药基因的突变 耐药性质粒的转移 转座子的插入 →细菌产生特定的酶类或多肽 类物质→阻挡药物向靶细胞穿 透、发生新的代谢途径；
染色体（核质）
质粒
（一）细菌的染色体
1、特点：
（ 1 ）一条环状双螺旋长链，反复扭曲折叠，
呈负超螺旋结构； （2）长度约菌体1000倍，分子量109dal左右
2、细菌染色体的复制；
E.coli约需要20分钟，平均每分钟105bp
复制叉（replicating fork）

细菌的遗传与变异

细菌的遗传与变异

三、转 导（Transduction）
以噬菌体为载体，将供体菌的一 段DNA片段转移给受体菌，使其获得 新的性状。
根据转导基因片段的范围，可分为两种：
普遍性转导：
可转移供体菌DNA的任何片段。
局限性转导：
只转移前噬菌体插入部位邻近的供体菌DNA片段
1）普 遍 性 转 导
噬菌体的溶菌周期发生装配错误，误将 供体菌DNA装入噬菌体内成为一个转导噬菌 体，再以正常方式感染另一宿主菌。
F′质粒：
Hfr菌中的F质粒可以从细菌染色体上 切离下来，终止其Hfr状态，切离时可能 带有染色体上临近的基因，这种质粒称为 F′质粒。
2）R质粒的接合
R质粒由耐药传递因子（RTF）和耐药（r） 决定子两部分组成，这两部分可单独，也可结 合在一起，只有结合在一起才能发生质粒的接 合性传递。
RTF的功能与F质粒相似，因此可介导类似 F质粒的接合过程；r决定子能编码对抗菌药物 的耐药性。
2、温 和 噬 菌 体
1）概 念：
前噬菌体： 整合在宿主菌染色体上的噬菌体基因组。
溶原性细菌：带有前噬菌体基因组的细菌 。 溶原状态：
噬菌体基因随溶原性细菌的分裂而传给子代 的状态。
2）溶原性周期和溶菌性周期
温和噬菌体感染宿主菌后所建立的溶原 状态可中断，前噬菌体可自发或在一定理化 因素诱导下从宿主菌染色体切离下来，重新 复制新的子代噬菌体，最终裂解细菌。
（5）质粒的相容性与不相容性
3、几种常见质粒：
F质粒 R质粒 Col质粒
fertility factor
性菌毛有关
resistance plasmid 与耐药性有关
Col plasmid
编码大肠菌素
Vi质粒 virulence plasmid 与细菌毒力有关

细菌的遗传和变异

细菌的遗传和变异




温和噬菌体可有溶原性周期和溶菌性周期，而毒性 噬菌体只有一个溶菌性周期
噬菌体与宿主的相互关系
四 转座因子

转座因子(transposzble element)又称跳跃基因 (jumping gene)：

是指存在于细菌染色体或质粒DNA分子上一段特异 的具有转移特性的核苷酸序列它在基因组不必借助 同源序列就可以移动，可以直接从基因组的一个位 点转移到另一个位点的（供体和受体）。
第十二章 微生物的遗传和变异
遗传(heredity)：使微生物的性状保持相对稳 定，且代代相传，使其物种得以保存。 变异(variation)：在一定条件下，子代与亲代 之间以及子代与子代之间的生物学性状出现的 差异。
江苏大学 医学院 申红星
基因:是一个相对独立的可遗传生物学功能 单位. 基因组:是指某一生物种类的遗传信息总和. 基因型:一种生物遗传物质的总和构成该生 物的基因型. 表性:由基因表达产物决定,生物所表现的生 物学性状。
是最小的转位因子，＜2kb，除了和转座功能相关的基因外，
不携带任何已知与插入功能无关的基因区域。IS两端有反向重 复序列。
2.转座子（transposon,Tn）
＞2kb，除携带与转座有关的基因外，还携带耐药性基
因、抗金属基因、毒素基因及其他结构基因。
可能与细菌的多重耐药性有关。
IS
Resistance Gene(s)
噬菌体的抗原性
噬菌体具有抗原性，能刺激机体产生特异性抗体。 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， 噬菌体仍能复制增殖。
噬菌体的抵抗力
噬菌体对理化因素与多数化学消毒剂的抵抗 力比一般细菌的繁殖体强； 能抵抗乙醚、氯仿和乙醇，一般经75℃ 30min或更久才能被灭活。噬菌体能耐受低 温和冰冻， 对紫外线和X射线敏感，一般经紫外线照射 10～15min即失去活性。

细菌的遗传与变异

细菌的遗传与变异

2.质粒的分类 质粒的分类
1）能否通过细菌的接合作用进行转移 ） 接合性质粒 非接合性质粒 2）质粒在宿主菌内拷贝数的多少 ） 严紧型质粒 松弛型质粒 3）质粒的相容与不相容性 两种结构相似、密切相关的质粒不能稳定共存于一个 两种结构相似、 宿主菌； 结构相差较大、 宿主菌 ； 结构相差较大 、 互不相干的质粒可以共存于 同一个菌体。 同一个菌体。 4）质粒的来源不同 ） 天然质粒 人工构建质粒
第六章 细菌的遗传变异
主要内容
一、细菌的遗传物质 （一）细菌的染色体 （二）染色体以外的遗传物质 二、基因突变 （一）细菌变异的类型 （二）细菌变异的机制 三、细菌遗传变异的实际应用
细菌的遗传 细菌的遗传 细菌的变异 细菌的变异 细菌变异的分类 细菌变异的分类
第一节
一、基因组
细菌遗传的物质基础
氨基酸数目的 增加或减少
AAA C
ATG CAC CTT CTT ATA AAA ACC GAA TAA 甲硫 组 甲硫 组 亮 亮 亮 亮 异亮 赖 赖 组 苏 赖 谷 天冬 精 异亮
移码突变
异常蛋白质
ATG CAC CTC CTT AAA CAT AAA AAC CGA ATA A
3）碱基的互变异构 ） 四种碱基均可发生互变异构，引起互补碱基的改变。 四种碱基均可发生互变异构，引起互补碱基的改变。 T(酮基型）——A 酮基型） 酮基型 T(烯醇型）——G 烯醇型） 烯醇型
一、细菌变异类型
1.形态变异 形态变异 （1）自然形成或诱导产生的细菌 型。 ）自然形成或诱导产生的细菌L型 （2）病原菌在特定的动物组织器官中，可发生形态结 ）病原菌在特定的动物组织器官中， 构变异 2.结构和抗原性变异。 结构和抗原性变异。 结构和抗原性变异 鞭毛变异。 （1）荚膜变异。（2）芽孢变异。（3)鞭毛变异。 ）荚膜变异。 ）芽孢变异。 鞭毛变异 H-O变异 ： 有鞭毛能运动的细菌丧失鞭毛形成能力的 变异： 变异 变异称 3.培养性状的变异 S-R变异；R-S 变异 变异； 培养性状的变异 变异 4.毒力变异 毒力变异 5.生化性状变异 生化性状变异 （1）营养缺陷型变异（2）诱导酶产生。（3）终末产 ）营养缺陷型变异（ ）诱导酶产生。 ） 物阻遏。6.耐药性变异 物阻遏。 耐药性变异

细菌的遗传与变异

细菌的遗传与变异
第三十页，共三十一页。
内容总结
第五章 细菌的遗传与变异。质粒基因可编码多种重要的生物学性状：1)致育质粒〔F质粒 〕与有性生殖功能关联。分两类，一是接合性耐药质粒〔R质粒〕，另一是非接合耐药性质粒 。3)毒力质粒〔Vi质粒〕 编码与该菌致病性有关的毒力因子。4)细菌素质粒 编码细菌产生细 菌素。回复突变 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野 生型的性状
➢ DNA的损伤修复：当细菌DNA受到损伤时，细胞会用有效的
DNA修复系统进行细致的修复，使损伤降为最小。
第十三页，共三十一页。
彷徨试验(fluctuation test)
第十四页，共三十一页。
影印试验(replica plating)
第十五页，共三十一页。
二. 基因的转移与重组
➢ 基因转移(gene transfer)：外源性的遗传物质由供体菌进入
第五章 细菌的遗传与变异
1. 遗传(heredity)：使细菌的性状保持相对稳定，且代代相传，使其菌种
得以保存。
2. 变异(variation)：在一定条件下，子代与亲代之间以及子代与子代 之间的生物学性状出现的差异。
3. 细菌的变异分为遗传性变异和非遗传性变异。 4. 遗传性变异：是细菌的基因结构发生了改变，故又称 基因型变异。
片段转入某受体菌细胞内的过程。
第十七页，共三十一页。
第十八页，共三十一页。
2. 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。能通过结合方 式转移的质粒称为接合 性质粒，不能通过性菌 毛在细菌间转移的质粒 为非接合性质粒。
第九页，共三十一页。

细菌的遗传和变异

毒性噬菌体（virulent phage）
– 能在宿主菌细胞内复制增殖，产生许多子代噬 菌体，并最终裂解细菌，称为毒性噬菌体
温和噬菌体（temperate phage）/ 溶原性噬菌体（lysogenic phage）
– 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DNA能随细菌DNA复制，并 随细菌的分裂而传代
牛分枝杆菌
卡介苗
13年(230代)
.
7
耐药性变异
细菌对某种抗菌药物有敏感变成耐药的变异 称为耐药性变异。
金黄色葡萄球菌 1946年对青霉素的耐药率 14%，目前超过80%
有些细菌还同时耐受多种抗菌药物，即多重 耐药性，甚至产生药物依赖性。
含链霉素培基
痢疾杆菌
依链株
长期培养
.
8
菌落变异
在陈旧培养基中长期培养
突变与选择 突变是随机的、不定向的，外界环境 不能决定突变，只能对突变进行选择。
以耐药突变体为例
实验：影印试验
说明：耐药突变株在接触药物之前出现，药物的作 用是选择耐药株，淘汰敏感株
结论：细菌基因突变产生耐药性，与抗生素的使用 无关
具有相对稳定性；
可发生回复突变
.
36
突变与选择证明实验
影印培养 replica plating (Lederberg 1952)
IS Resistance Gene(s) IS
Tn 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。
.
32
转座子的特征
转座子 Tn1 Tn2 Tn3
Tn4 Tn5 Tn6 Tn7 Tn9 Tn10 tn551 Tn971 Tn1681

细菌的遗传与变异


菌可获得F质粒而成为F+菌。
F+菌
F-菌
F+菌 F-菌
F+菌
F+菌
F质粒的接合
F＋
F-
F＋
F＋
高频重组菌（high frequency recombinant， Hfr菌）：整合后的细菌能高效地转移染色体上 的基因
Hfr
F-
Hfr
F-
Hfr
F-
Hfr
F-
F+ 菌 （性菌毛）
F’菌 F+ 菌
F 质粒 雄性菌： Hfr菌

（5）大多编码顺序则不重叠 （6）结构基因是单拷贝，rRNA是多拷贝 （7）具有各种功能的识别区域 功能（function)： – 细菌的主要遗传物质 – 决定细菌的基因型 – 为细菌生命活动所必需

毒力岛（pathogenicity island, PAI）
毒力岛：指病原菌的某个或菌体
前噬菌体
噬菌体的基本特性 噬菌体(bacteriophage, phage): 是感染细菌、真菌、放线菌或螺旋体等微生物的病毒. 噬菌体
细菌细胞
噬菌体的特点：
1、个体微小、可以通过滤器；
2、没有完整的细胞结构，主要由蛋 白质构成的衣壳和包含于其中的核酸组 成； 3、只能在活的微生物细胞内复制增
有荚膜的肺炎球菌
无荚膜的肺炎球菌
2、毒力变异
细菌的毒力变异包括其毒力的增强与减弱，如
白喉毒素的产生及卡介苗的获得均为细菌毒力变异 的结果。 3、耐药性变异 细菌对某种抗菌药物由敏感变成耐药的变异称耐 药性变异，这种变异给临床治疗带来很大的困难，并 成为当今医学上的重要问题。
4、菌落变异 细菌的菌落由S型变异为R型多见，且常伴随细菌理

细菌的遗传与变异


质粒
1、结构 2、特征 3、类型
质粒的结构
环状双链DNA 大质粒：含几百个基因 小质粒：含几十个基因
质粒的特征
自主性 表现性 非必须性 转移性 相容性与不相容性
质粒的类型
致育质粒（fertility plasmid，F质粒） 耐药质粒（resistance plasmid，R质粒） 毒力质粒（virulence plasmid，Vi质粒） 细菌素质粒 代谢相关质粒
吸附 成熟、释放
穿入 生物合成
毒性噬菌体的溶菌性周期
前噬菌体
温和噬菌体的溶源性周期
温和噬菌体的溶菌性周期
转位因子
1、插入序列 2、转座子 3、转座噬菌体
转座子的种类与特征
转座子 Tn1 Tn2 Tn3
Tn4 Tn5 Tn6 Tn7 Tn9 Tn10 Tn551 Tn971 Tn1681
携带耐药或毒素基因 AP（氨苄青霉素）
基因的重组
转移后基因在新位置上与原有 DNA整合的过程
本章小结
1、细菌变异的概念与类型 2、细菌变异的遗传学基础 3、噬菌体的结构与类型 4、细菌基因变异的机制 5、细菌间基因转移与重组的方式
R-决定子
R质粒的构成
噬菌体
1、形态与结构 2、增殖过程 3、类型
噬菌体 (电镜图）
噬菌体 (模式图）
头部
尾领 尾鞘 尾板
尾部
尾刺 尾丝 尾髓
噬菌体结构示意图
成熟 释放
吸附
生物 合成
穿入
噬菌体的增殖过程
噬菌体的类型
毒性噬菌体（virulent phage） ——溶菌性噬菌体
温和噬菌体（temperate phage） ——溶原性噬菌体

细菌的遗传与变异医学微生物学


05 未来展望
深入理解细菌遗传与变异机制
深入研究细菌基因组结构和功能
随着基因组学技术的发展，未来将更深入地了解细菌基因组的组成、结构和功 能，揭示细菌遗传与变异的内在机制。
探索细菌基因表达调控机制
研究细菌基因表达的调控机制，包括转录、翻译和蛋白质修饰等过程，有助于 发现新的抗菌药物靶点。
开发新型抗菌药物和疫苗
人卫生习惯的改善。
加强抗菌药物管理和监管
02
制定更严格的抗菌药物使用政策和管理制度，遏制抗菌药物的
滥用，降低细菌抗药性的产生。
促进国际合作与交流
03
加强国际合作与交流，共同应对细菌抗药性的全球挑战，分享
最佳实践和成功经验。
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
04 细菌的遗传与变异在医学 中的意义
细菌抗药性的产生和传播
细菌抗药性
指细菌对抗生素等药物产生耐药 性的现象。
产生机制
细菌通过基因突变或获得外源基因 的方式，产生抗药性酶或改变药物 作用靶点，从而对药物产生抵抗力。
传播方式
抗药性细菌可通过直接接触、共同 生活等方式在人群中传播，也可通 过食物、水等媒介传播。
细菌的遗传与变异医学微生物学
目 录
• 细菌的遗传物质 • 细菌的变异 • 细菌的进化 • 细菌的遗传与变异在医学中的意义 • 未来展望
01 细菌的遗传物质
DNA的结构与功能
DNA双螺旋结构
由两条反向平行的脱氧核糖核酸链组 成，碱基通过氢键配对，形成稳定的 双螺旋结构。
DNA的功能
储存遗传信息，指导蛋白质合成，影 响细胞功能和形态。
病原菌的进化与变异
进化机制
病原菌在长期适应环境的过程中， 通过基因突变和基因重组等方式， 不断进化出新的毒力基因和致病
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卡介苗（BCG）

卡-介（Calmette-Güérin）二氏将有毒力的 牛型结核分枝杆菌在含胆汁、甘油和马铃 薯的培养基上经13年传230代，得到毒力 减弱而抗原性稳定的菌株，用于结核病的 预防。
Department of Microbiology, Harbin Medical University
ABCDEFG 800-1400bp
转座酶
GFEDCBA
Department of Microbiology, Harbin Medical University
第二节 细菌的变异现象


形态结构变异：细菌L型 、H－O变异
抗原性变异 菌落变异：S-R变异 毒力变异 耐药性变异
Department of Microbiology, Harbin Medical University
第三节 细菌变异机制

突变
倒位 重复 缺失
野生型
置换
插入
Department of Microbiology, Harbin Medical University A～G、X代表不同的 DNA 片段
染色体畸变类型
基因转移和重组

基因转移
供体菌DNA转移给受体菌的过程
基因重组
进入受体菌的外源DNA能够复制，导致其基因
噬菌体（phage）
是侵噬细菌或真菌的病毒 蝌蚪形、球形、杆状

Department of Microbiology, Harbin Medical University
噬菌体结构

头部
核心：DNA
或 RNA 衣壳：蛋白质

尾部
蛋白质 与吸附宿主有关
Department of Microbiology, Harbin Medical University
Department of Microbiology, Harbin Medical University
质粒

特点
自主复制 双股闭合环状DNA分子
编码某些表型
可丢失和转移

分类
表型
F质粒、R质粒、Vi质粒
Department of Microbiology, Harbin Medical University
型发生改变成为重组体或重组菌

方式
转化、接合、转导、溶原性转换、原生质体融
合
Department of Microbiology, Harbin Medical University
转化 transformation
肺炎链球菌的转化试验
Department of Microbiology, Harbin Medical University
噬菌体的复制
Department of Microbiology, Harbin Medical University
噬菌体感染细菌的结果

溶菌性周期
毒性噬菌体
溶原性周期
前噬菌体 Microbiology, Harbin Medical University
溶菌周期
吸附阶段 生物合成阶段 释放阶段

Department of Microbiology, Harbin Medical University
转座子

转座子 transposon,Tn
细菌 DNA 内一段核苷酸序列，能在质粒之间、质粒与
染色体之间自行转移位置，是细菌菌体内可移动的遗 传物质
转化

受体菌直接摄取供 体菌DNA片段并整 合到自己的基因组 中，从而获得新的 遗传性状的过程。
Department of Microbiology, Harbin Medical University
接合 conjugation

F质粒（fertility plasmid） 雄性菌（F+） 雌性菌（F-）
转导 transduction

概念：以噬菌体为媒介，将供体菌 DNA 片段转移到受体菌内，使受体菌 获得新的遗传性状。
Department of Microbiology, Harbin Medical University
接合
转导
转化
Department of Microbiology, Harbin Medical University
第一篇
微生物学基础
第3章 细菌遗传与变异 Bacterial Genetics
微生物学教研室 王燕
Department of Microbiology, Harbin Medical University
教学大纲

掌握内容：细菌的遗传物质；基因转移与重组方 式的种类及定义；噬菌体及其相关概念。 熟悉内容：细菌的变异类型；噬菌体与宿主菌相 互关系。
F质粒接合转移模式图
Department of Microbiology, Harbin Medical University
接合 conjugation

概念： 两 个 细 菌 接 触 ， 供 体 菌 通 过 性 菌 毛 将 DNA 直接转入受体菌内，使受体菌获得 新的遗传性状的过程 。
Department of Microbiology, Harbin Medical University
溶原性转换 Lysogenic conversion

溶原性细菌因染色体上整合有前噬菌体而 获新遗传性状
Department of Microbiology, Harbin Medical University
第一节 与细菌遗传相关的物质
细菌染色体 质粒 噬菌体 转座子

Department of Microbiology, Harbin Medical University
细菌染色体

细菌染色体 chromosome 一条环状双螺旋DNA长链 按一定构型反复回旋而成的松散网状结 构
了解内容：细菌的变异现象；细菌遗传变异研究 的实际意义。
Department of Microbiology, Harbin Medical University


问题
微生物的概念及种类？ 医学微生物学的主要研究内容是什么？

Department of Microbiology, Harbin Medical University