医学微生物学第五章细菌的遗传与变异

“穷则变，变则通，通则久。”《易经》

“我命在我，不在于天”（庄子）目前一页\总数六十页\编于十七点

细菌：一直被用做研究生物遗传与变异规律的实验材料。

●细菌个体微小

●遗传物质较为简单

●易于人工培养

●繁殖速度快

●突变型容易识别和检出目前二页\总数六十页\编于十七点一、细菌遗传的物质基础

二、细菌的基因突变

三、细菌的基因转移与重组

四、基因工程菌株的构建

五、微生物基因组学细菌的遗传与变异目前三页\总数六十页\编于十七点1、染色体（chromosome）细菌染色体是一个裸露的闭合环状的双链DNA分子，有核蛋白，缺乏组蛋白，无核膜包裹。

一、细菌遗传的物质基础目前四页\总数六十页\编于十七点细菌基因组结构的主要特征（1）遗传信息是连续的，不含内含子。很少有重复序列。（2）通常，编码相关功能的基因高度集中，组成操纵子（operon）结构，自一个启动子开始转录成多基因的mRNA分子，翻译成多种功能相关的蛋白质。一、细菌遗传的物质基础目前五页\总数六十页\编于十七点一、细菌遗传的物质基础乳糖操纵子目前六页\总数六十页\编于十七点2、质粒（plasmid）一、细菌遗传的物质基础

是细菌染色体外的遗传物质，大多由闭合环状双链DNA组成。目前七页\总数六十页\编于十七点●具有自我复制的能力。质粒DNA的特征一、细菌遗传的物质基础●

所携带的基因赋予宿主菌某些生物学

性状（如F质粒、R质粒、毒力质粒、

代谢质粒），增加细菌的存活机会。●非生存所必需，可自行丢失或消除。●可在细菌之间转移。目前八页\总数六十页\编于十七点3、转座子（transposon）B.McClintock一生未婚，却对玉米情有独钟，发现“会跳舞”（在染色体上移动）的基因，于1938年提出“转座因子”理论。因与传统的遗传学观念背道而驰，成了孤家寡人。DNA双螺旋和乳糖操纵子获诺贝尔奖后，仍将B.McClintock理

论视为另类。这一超越时代的理论直

到1983年才被承认，81岁高龄的她荣

获诺贝尔奖，真正成为基因调控理论

的先驱。（Mendel、Morgan）

目前九页\总数六十页\编于十七点一、细菌遗传的物质基础

转座子：是可移动的DNA片段，可在质粒与质粒之间或质粒与染色体之间随机转移，故称为“跳跃基因”（jumpinggene）。转座子不能自我复制。目前十页\总数六十页\编于十七点转座子的结构特点

●2个末端反向重复序列：能为整合酶所识别，与插入功能有关。一、细菌遗传的物质基础目前十一页\总数六十页\编于十七点

●中心序列：具有转座酶基因，且常携带细菌毒素基因、耐药基因等。一、细菌遗传的物质基础肠球菌万古霉素耐药基因目前十二页\总数六十页\编于十七点当转座子插入到某一基因中，可能会产生什么遗传学效应？一、细菌遗传的物质基础目前十三页\总数六十页\编于十七点一、细菌遗传的物质基础

二、细菌的基因突变

三、细菌的基因转移与重组

四、基因工程菌株的构建

五、微生物基因组学细菌的遗传与变异目前十四页\总数六十页\编于十七点基因突变（genemutation）：染色体基因发生突然而稳定的结构改变，包括一对或少数几对碱基的缺失、插入或置换（点突变：pointmutation），导致遗传性状的改变。1、概念二、细菌的基因突变目前十五页\总数六十页\编于十七点

结核分枝杆菌对一线抗痨药物如异烟肼、链霉素、利福平产生多重耐药性，与多个耐药基因突变的逐步累加密切相关。二、细菌的基因突变目前十六页\总数六十页\编于十七点

●

随机发生，不定向

●

稳定（“代代相传”）

●

自发突变频率为10-10～10-6

●

可诱发性：野生株、突变株

●

仅对1种或2种相类似的药物耐药2、特点二、细菌的基因突变目前十七页\总数六十页\编于十七点●

耐药性突变：耐药菌产生

●

毒力突变：疫苗研制、新现传染病

●

营养缺陷体突变：新药诱变作用检测

●高产突变：抗生素等药品

●抗原性突变：逃逸免疫机制3、突变现象及其应用二、细菌的基因突变目前十八页\总数六十页\编于十七点日本曾发生过一次细菌性痢疾暴发流行。从病人粪便中分离到大量的痢疾杆菌敏感株和耐药株（同时耐链霉素、氯霉素、四环素、磺胺类），且大肠杆菌与痢疾杆菌有完全相同的多重耐药性。多重耐药性传播迅速。耐药菌在传代、保藏过程中可自发失去耐药性。

能否用基因突变解释以上现象？二、细菌的基因突变目前十九页\总数六十页\编于十七点一、细菌遗传的物质基础

二、细菌的基因突变

三、细菌的基因转移与重组

四、基因工程菌株的构建

五、微生物基因组学细菌的遗传与变异目前二十页\总数六十页\编于十七点

供体菌（donor）将遗传物质转移至受体菌（recipient），使后者获得新的生物学性状，称为基因转移（genetransfer）。1、基因转移的概念三、细菌的基因转移与重组目前二十一页\总数六十页\编于十七点2、基因转移的元件●

质粒●

转座子●

温和噬菌体（temperatephage）三、细菌的基因转移与重组目前二十二页\总数六十页\编于十七点

●

接合（conjugation）

●

转化（transformation）

●

转导（transduction）

●

转座（transposition）3、基因转移的方式三、细菌的基因转移与重组目前二十三页\总数六十页\编于十七点

接合：供体菌通过性菌毛与受体菌直接接触，将遗传物质（主要是质粒DNA）转移给受体菌，使受体菌获得新的遗传性状。三、细菌的基因转移与重组目前二十四页\总数六十页\编于十七点质粒质粒接合转移示意图染色体性菌毛受体菌

(敏感菌)供体菌

(耐药菌)三、细菌的基因转移与重组受体菌

(耐药菌)目前二十五页\总数六十页\编于十七点耐药基因：赋予宿主菌一种或多重耐药性耐药传递基因：编码性菌毛，决定自主复制与接合转移耐药性

（R）质粒三、细菌的基因转移与重组目前二十六页\总数六十页\编于十七点R质粒主要以接合方式从耐药菌传递给敏感菌，使后者变为耐药菌，得以生存。三、细菌的基因转移与重组R质粒在同一种属或不同种属细菌之间传递，造成耐药性的广泛传播，给临床治疗带来很大困难。目前二十七页\总数六十页\编于十七点日本曾发生过一次细菌性痢疾暴发流行。从病人粪便中分离到大量的痢疾杆菌敏感株和耐药株（耐链霉素、氯霉素、四环素、磺胺类），且大肠杆菌与痢疾杆菌有完全相同的多重耐药性。多重耐药性传播迅速。耐药菌在传代、保藏过程中可自发失去耐药性。用多重耐药质粒转移可合理解释。三、细菌的基因转移与重组目前二十八页\总数六十页\编于十七点Griffith肺炎链球菌感染小鼠实验（1928）无荚膜活菌有荚膜活菌有荚膜死菌三、细菌的基因转移与重组目前二十九页\总数六十页\编于十七点有荚膜的活菌？

如何证实？三、细菌的基因转移与重组目前三十页\总数六十页\编于十七点Griffith认为，活的无荚膜肺炎链球菌（R菌）从死的有荚膜肺炎链球菌（S）中获得某种物质，而能产生荚膜，这一现象称之为转化。引起转化现象的物质称为转化因子。三、细菌的基因转移与重组1、转化因子是DNA还是蛋白质？

2、如何证实你的推测？目前三十一页\总数六十页\编于十七点1944年，

Avery研究揭示，转化因子的本质是DNA，即遗传物质是DNA。三、细菌的基因转移与重组悲催原因：DNA在结构上似乎不像蛋白质那样变化多端，具有个性，很难设想可作为遗传信息的载体；Avery过于谨慎，在论文中只愿意说“DNA或许是转化因子的基本单位”。

鉴于对Avery理论抱有怀疑，诺贝尔奖评委会认为推迟发奖更合适。1952年，当对Avery成就的争议平息、准备授奖时，Avery已撒手人寰。目前三十二页\总数六十页\编于十七点

●

接合（conjugation）

●

转化（transformation）

●

转导（transduction）

●

转座（transposition）基因转移的方式三、细菌的基因转移与重组目前三十三页\总数六十页\编于十七点

转化：受体菌从周围环境中直接摄取供体菌游离的DNA片段，并整合入受体菌基因组中，从而获得供体菌部分遗传性状的过程。

三、细菌的基因转移与重组荚膜基因目前三十四页\总数六十页\编于十七点转化条件：●

供体菌DNA片段的大小：10～20kb

●

供体DNA性质：同源性高的、未变性的双链DNA；质粒DNA。

●

受体菌：处于“感受态”

（competence）状态，可采

用CaCl2诱导法、电穿孔法。三、细菌的基因转移与重组目前三十五页\总数六十页\编于十七点三、细菌的基因转移与重组

莱德伯格（J.Lederberg）立志成为一名内科医生，进入哥伦比亚医学院学习了2年。1946年暑假，莱德伯格进入耶鲁大学微生物学家塔特姆（EL.Tatum）实验室学习，对细菌遗传学十分入迷。假期结束后，他不再回医学院，

而留下给塔特姆作实验室助理。“圣者随时而行，贤者应事而变，

智者无为而治，达者顺天而生”（老子）

目前三十六页\总数六十页\编于十七点原养型菌落产生原因？如何证实？①基因突变？②接合？

③转化？接种至基础培养基Met＋His＋Phe＋Trp＋，产生频率为1×10－5Met－His－Phe＋Trp＋Met＋His＋Phe－Trp－营养缺陷型细菌目前三十七页\总数六十页\编于十七点一、细菌遗传的物质基础不需细菌之间接触，排除接合；一种比细菌更小的生物将菌株（左）遗传物质转移给菌株（右）。Met－His－Phe＋Trp＋Met＋His＋Phe－Trp－Met＋His＋Phe＋Trp＋↓加入DNA酶(＋)不受DNA酶干扰，排除转化。加热杀死细菌(－)目前三十八页\总数六十页\编于十七点

●

接合（conjugation）

●

转化（transformation）

●

转导（transduction）

●

转座（transposition）基因转移的方式三、细菌的基因转移与重组目前三十九页\总数六十页\编于十七点

以噬菌体为媒介，将供体菌DNA片段转移到受体菌内，经基因重组，使受体菌获得新的遗传学性状。三、细菌的基因转移与重组（1）转导的概念

目前四十页\总数六十页\编于十七点●是感染细菌、放线菌等的病毒。

●分为头部和尾部。头部由核心（核酸）

和衣壳（蛋白质）构成。

●必须寄生在活的易感宿主菌体内，依靠尾部牢

牢吸附宿主菌。三、细菌的基因转移与重组（2）噬菌体（phage）目前四十一页\总数六十页\编于十七点（3）噬菌体感染细菌的结局

●

烈（毒）性噬菌体（virulentphage）：噬菌体在宿主菌内复制增殖，产生大量子代噬菌体，最终裂解细

菌，建立溶菌周期。三、细菌的基因转移与重组目前四十二页\总数六十页\编于十七点三、细菌的基因转移与重组前噬菌体溶原性细菌

●温和噬菌体（temperatephage）：感染宿主菌后，其核酸整合到宿主菌基因组中，与宿主菌DNA一起复制，随细菌的分裂而传至子代细菌（“和平相处”）。目前四十三页\总数六十页\编于十七点三、细菌的基因转移与重组（4）转导的机制

目前四十四页\总数六十页\编于十七点在子代噬菌体组装时，可能会发生错误（1次/105～107），误将大小合适的供体菌DNA片段装入噬菌体头部，

成为“假噬菌体”。

假噬菌体目前四十五页\总数六十页\编于十七点当“假噬菌体”再度感染受体菌时，可将供体菌DNA带入受体菌，发生基因重组。完全转导与流产转导普遍性转导、局限性转导三、细菌的基因转移与重组假噬菌体供体菌DNA受体菌目前四十六页\总数六十页\编于十七点一、细菌遗传的物质基础Met－His－Phe＋Trp＋Met＋His＋Phe－Trp－Met＋His＋Phe＋Trp＋↓温和噬菌体将Phe、Trp合成酶基因在细菌之间发生转移。目前四十七页\总数六十页\编于十七点●用于某些细菌（如鼠疫杆菌、霍乱弧

菌）的鉴定和分型

●耐药菌感染的治疗

●分子生物学研究工具

●遗传工程：噬菌体展示

技术三、细菌的基因转移与重组（5）噬菌体的应用目前四十八页\总数六十页\编于十七点

●

接合（conjugation）

●

转化（transformation）

●

转导（transduction）

●

转座（transposition）基因转移的方式三、细菌的基因转移与重组目前四十九页\总数六十页\编于十七点4、转座（transposition）三、细菌的基因转移与重组

转座子在质粒之间或质粒与染色体之间的自行转移现象。目前五十页\总数六十页\编于十七点转座子能在2个没有任何同源性的基因组之间转座（即插入到某一基因），引起一系列遗传效应。

●

引起插入基因失活，产生基因突变●在插入部位引入一个或多个新的基因

（如耐药基因)

三、细菌的基因转移与重组目前五十一页\总数六十页\编于十七点一、细菌遗传的物质基础

二、细菌的基因突变

三、细菌的基因转移与重组

四、基因工程菌株的构建

五、微生物基因组学细菌的遗传与变异目前五十二页\总数六十页\编于十七