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第 5 章

第 5 章. 细菌的遗传与变异. Heredity and variation of bacteria. 薛 庆 节. 微生物教研室. 电子邮箱： qjxue9797@126.com QQ:676370420. 遗传是 相对的 ，变异是 绝对的 微生物的变异分遗传性变异和 非遗传性变异 基因型变异：基因突变或基因的转移与重组 表型变异：由外界环境的影响作用于微生物引起的变异. 遗传与变异非常重要！！！！！. 遗传性变异 非遗传性变异 原 因 基因改变 环境因素

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第 5 章

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  1. 第5章 细菌的遗传与变异 Heredity and variation of bacteria 薛 庆 节 微生物教研室 电子邮箱：qjxue9797@126.com QQ:676370420

  2. 遗传是相对的，变异是绝对的 • 微生物的变异分遗传性变异和非遗传性变异 • 基因型变异：基因突变或基因的转移与重组 • 表型变异：由外界环境的影响作用于微生物引起的变异 遗传与变异非常重要！！！！！

  3. 遗传性变异 非遗传性变异 • 原 因 基因改变 环境因素 • 可逆性 不可 可 • 遗传性 可 不可 • 变异细菌 个别 全部 推荐《微生物遗传学》盛祖嘉，科学出版社， 2007年第三版

  4. 第一节 细菌的遗传物质Genetical materia of bacteria • 细菌染色体(Bacterial chromosome)：一条环状双螺旋DNA长链，按一定构型反复回旋成松散网状结构，附着在横隔中介体或细胞膜上 • 其遗传物质特点：无组蛋白；无核膜包被 • 染色体特征(Chromosome characteristics)： （1）相对较小，只有一个复制起点 （2）组成操纵子结构（3）无内含子 （4）大部分DNA是编码蛋白质

  5. （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

  6. （二）质粒（plasmid） • 定义：细菌染色体外的遗传物质，环状闭合双股DNA，位于细菌细胞质内，能自我复制、控制着细菌的某些生物学性状 质粒为细菌所必须吗？？？

  7. （一）质粒的主要特征 • 1、自主复制 • 质粒是一个复制子 • 2、质粒基因常赋予宿主细胞某些特性

  8. 3、质粒可自行丢失与消除，但消除频率很低 • 4、质粒的转移性：可通过接合、转化或转导等方式在细菌间转移 • 5、不相容性或相容性

  9. 质粒类型(plasmids type) • F质粒(fertility plasmids)—— 编码细菌性菌毛 • R质粒(resistance plasmids)—— 编码细菌耐药性 • Col质粒(colciogenic plasmid) 编码大肠埃希菌的细菌素 • 代谢质粒(Metabolic plasmid) • Vi质粒(virulenceplasmids)—— 编码细菌毒力因子

  10. R质粒(R plasmid) • 接合型抗药质粒：由抗药转移因子（RTF）和抗药决定子或称抗药基因(r-det)组成 • 非接合型抗药质粒：没有抗药转移因子，只有抗药基因(r-det) • 致育性和抗药性导致它们成为传染性抗药因子

  11. 3.转座因子(transposable element) • 概念:是细菌基因组中能改变自身位置的一段DNA序列，这种转座作用可以发生在同一染色体上，也可在染色体之间或质粒之间，甚至在染色体和质粒之间 巴巴拉·麦克林托克，一个值得敬佩的人!

  12. IS Resistance Gene(s) IS IS Resistance Gene(s) IS 种类(type) • ⑴ 插入序列（insertion sequence，IS）： • 为最简单的或序列较短的Tn，只含与转 • 位有关的基因，两端 为反向重复序列 • ⑵ 转座子（transposon，Tn）： • 含转位有关基因及耐药性基因、 抗金 • 属基因、毒素基因或结构基因等 • Tn可在细菌的染色体和质粒之间、质粒 • 和质粒之间转移，导致耐药性的播散

  13. IS bp Tn 耐药或毒素基因 常见的插入序列和转座子 IS1 768 Tn1 AP（氨苄青霉素） IS2 1327 Tn6 Kan（卡那霉素） IS3 1300 Tn10 Tet（四环素） IS4 1426 Tn551 Em（红霉素） IS5 1195 Tn681 E.coli ET（肠毒素）

  14. 整合子（integron，In）： • 是一种运动的DNA分子，具有独特结构可捕获和整合外源性基因，使之转变为功能性基因的表达单位。定位于细菌染色体、质粒或转座子上 • 基本结构：两端为保守末端，中间为可变区，含一个或多个基因盒 • 整合子含有3个功能元件：重组位点；整合酶基因；启动子 • 通过转座子或接合性质粒，使多种耐药基因在细菌中进行水平传播

  15. 第三节 基因的转移和重组Gene transfer and recombinant 转移：供菌提供DNA；受菌接受DNA 重组：受菌获得供菌DNA 同源重组 非同源重组

  16. 一、转化（transformation） • ①概念：受体菌直接摄取供体菌裂解后游离的DNA片段而获得新性状 • 转化因子：在转化过程中转化的DNA片段。分子量＜1×107, ≯10-20个基因

  17. ②实验依据： • 肺炎链球菌 荚膜 S型菌落 R型菌落 毒力 • Ⅲ S型菌 ＋ ＋ ＋ • ⅡR型菌 － ＋ －

  18. 小鼠体内肺炎球菌转化试验

  19. DNA受体 重组 吸附 摄入 + 突变株 机制：感受态受体菌摄取同源DNA后发生重组 《EB病毒融合基因重组BCG及抗肿瘤 活性的研究》国家自然基金

  20. 二、接合（conjugation） • ①概念：通过性菌毛连接沟通，将遗传物质（质粒或染色体DNA)从供体菌转移给受体菌的过程 • 接合性质粒：F质粒、R质粒、Col质粒、Vi质粒 • 非接合性质粒(不要求) ： • ②常见方式 • （1）F质粒的接合 • （2）R质粒的接合

  21. F－菌 F＋ 菌 电镜下的接合

  22. F质粒的接合 F＋ F- F＋ F＋

  23. Hfr F- Hfr F- Hfr F- Hfr 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

  24. F+菌 F’菌 F 质粒 雄性菌： （性菌毛） Hfr菌 F+菌 F’ 菌 Hfr F’质粒 24

  25. R质粒的接合(conjugation of R plasmids) RTF RTF IS IS r决定子 r决定子 Tn9 Tn4 Tn5 R质粒结构图

  26. 耐药性传递因子 （resistance transfer factor，RTF） a）组成 耐药决定子（r 决定子） RTF r RTF+r 存在方式： 单独存在不能发生R质粒接合性传递 RTF:编码性菌毛和转移质粒 r决定子：编码耐药性 b）功能

  27. 1）概念：由噬菌体介导，将供菌体的一段DNA转移到受体菌体内，使受体菌获得供菌的部分性状1）概念：由噬菌体介导，将供菌体的一段DNA转移到受体菌体内，使受体菌获得供菌的部分性状 普遍性转导(generalized transduction): 2）类型 局限性转导/特异性转导(restricted/Specific transduction): 三、转导（Transduction） 噬菌体有特异性，转导现象仅发生在同种细菌中

  28. 普遍性转导(generalized transduction): • 噬菌体转导供体菌染色体上任何部位DNA片段，发生于裂解期 • 完全转导：供体菌DNA片段与受体菌染色 体整合并随之传代 • 流产转导：供体菌DNA片段不与受体菌染 色体整合也不可自我复制（大多为此）

  29. 细菌DNA（将供菌任意DNA装配） 噬菌体DNA 细菌被普遍性转导噬菌体感染 普遍性转导模式图 细菌裂解期 整合 未整合 完全转导 流产转导

  30. Generalized Transduction • Infection of Donor • Release of phage • Phage replication and degradation of host DNA • Assembly of phages particles • Infection of recipient • Legitimate recombination

  31. 局限性转导(restricted transduction) • 前噬菌体从宿主菌染色体上脱离时发生偏差，将前噬菌体两侧的宿主染色体基因转移到受体菌，使受体菌的遗传性状发生改变的过程 • 噬菌体转导供体菌染色体上特定部位的DNA片段，发生于溶原期 • 噬菌体将自身一段DNA留在供菌染色体上， 却将相邻供菌的部分DNA带给受菌并整合至受体菌染色体上 31

  32. gal 断裂和 再接 正常脱离 bio gal gal gal 断裂和 再接 偏差脱离 bio bio bio 局限性转导模式图 32

  33. β棒状杆菌噬菌体如： 白喉杆菌白喉杆菌 产白喉毒素 不产白喉毒素 带有tox基因 溶原性转换(lysogenic conversion) 宿主菌获得感染它的噬菌体的DNA片段而获得 新的遗传性状 33

  34. 产毒白喉杆菌 无毒白喉杆菌 白喉杆菌溶原性转换示意图 β棒状杆菌噬菌体

  35. 原生质体融合（proptopast fusion） ① 概念：人工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 质体后进行相互融合的过程 ② 融合剂：PEG（聚乙二醇） ③ 应用：基因转输、实验工具 35

  36. 5、原生质体融合（proptopast fusion） ① 概念：人工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 质体后进行相互融合的过程 ② 融合剂：PEG（聚乙二醇） ③ 应用：基因转输、实验工具 原生质体融合 36 36

  37. 类型 基因来源 转移方式 转化 （transformation）供菌 受菌摄入 接合 （conjugation）供菌 通过性菌毛 转导（transduction）供菌 噬菌体媒介 溶原性转换 (lysogenic conversion) 噬菌体 前噬菌体 原生质体融合(protoplast fusion) 供菌 融合

  38. 第四节 基因突变(Gene mutation) • 基因突变：DNA碱基对置换、插入或缺失所致基因结构的变化 • 一、基因突变的规律 1、自发突变与诱发突变 2、突变率 3、突变与选择 4、回复突变与抑制突变

  39. 彷徨试验：随机的、非定向的突变是在接触噬 菌体之前就已发生，噬菌体对突变 仅起筛选而不是诱导作用

  40. 影印平板：自发的，随机的，非诱导的药 物仅起选择作用

  41. 二、突变型细菌及其分离： • 耐药性突变型 药敏试验 • 营养缺陷突变型 营养物质筛选 • 条件致死性突变型 温度敏感试验 • 发酵阴性突变型 乳糖发酵试验

  42. 第五节 微生物遗传变异在医学上的应用 (Microbial genetic variation in Medicine) 自学 42

  43. 本章复习要点 思考题 1.细菌染色体特征与质粒的特征 2.细菌基因转移和重组的类型及其主要差异？ 3.何谓质粒、BCG、transformation、transduction、conjugation、F 质粒、 R质粒、Hfr、lysogenic conversion试验？ 4.影印试验验证何种理论？突变型细菌有哪些？

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