噬菌体细菌的遗传与变异

关于噬菌体细菌的遗传与变异一、生物学特性1.基本形态有蝌蚪形、微球形和细杆形。2.大多为蝌蚪状，由头部和尾部组成。头部核酸+蛋白质衣壳。尾部尾须、尾领、尾髓、尾鞘、尾板、尾刺、尾丝等。（或RNA）第2页,共75页，2024年2月25日，星期天

二、噬菌体的种类根据噬菌体与宿主菌的相互关系，可将噬菌体分为两种类型——毒性噬菌体、温和噬菌体。毒性噬菌体（溶菌性噬菌体）是感染宿主菌后只会使宿主菌裂解死亡，即一种能“吃”细菌的病毒，噬菌体因此而得名。温和噬菌体（溶原性噬菌体）是可以不裂解宿主菌，与宿主菌同步繁殖；又能裂解宿主菌的病毒。第3页,共75页，2024年2月25日，星期天

三、毒性噬菌体（溶菌性噬菌体）

在易感菌内以复制方式进行增殖，增殖过程包括吸附、穿入、生物合成、成熟和释放几个阶段。从噬菌体吸附至细菌溶解放出子代噬菌体，称为噬菌体的复制周期或溶菌周期。第4页,共75页，2024年2月25日，星期天

吸附穿入生物合成成熟、释放毒性噬菌体的溶菌周期第5页,共75页，2024年2月25日，星期天

毒性噬菌体：只有溶菌性周期

噬菌体感染宿主菌增殖产生大量子代噬菌体宿主菌溶解再感染其他敏感细胞溶菌周期第6页,共75页，2024年2月25日，星期天噬菌体菌液（混浊）菌液（变澄清）噬菌体在液体培养基中的噬菌现象第7页,共75页，2024年2月25日，星期天噬菌体在固体培养基上的噬菌现象荧光假单胞菌+荧光假单胞菌噬菌体噬斑荧光假单胞菌第8页,共75页，2024年2月25日，星期天四、温和性噬菌体（溶原性噬菌体）

——有溶原性周期及溶菌性周期噬菌体感染细菌核酸整合到细菌染色体随细菌分裂而分配至子代细菌染色体中温和性噬菌体的溶原性周期第9页,共75页，2024年2月25日，星期天温和噬菌体的溶原性周期

噬菌体核酸前噬菌体溶原性细菌

传代前噬菌体前噬菌体第10页,共75页，2024年2月25日，星期天前噬菌体：整合在细菌染色体的噬菌体核酸，能与细菌染色体一起复制，当细菌分裂时又能传至子代细菌。——溶原性周期溶原性细菌：染色体上带有前噬菌体的细菌。溶原性：温和噬菌体具有产生成熟子代噬菌体颗粒和裂解宿主菌的潜在能力。——溶菌性周期三个概念第11页,共75页，2024年2月25日，星期天

温和噬菌体有三种存在状态：①细胞外具有感染性的噬菌体颗粒；②宿主菌细胞质内类似质粒形式的噬菌体核酸；③前噬菌体。①②③自发或诱导溶原性周期溶菌性周期第12页,共75页，2024年2月25日，星期天1.有些前噬菌体可导致溶原性细菌获得新的特性。2.溶原性细菌对其同源噬菌体具有“免疫性”，即同源噬菌体可再进入细胞，但不能增殖。溶原性细菌的特性：无毒白喉杆菌产毒白喉杆菌β棒状杆菌噬菌体（携带tox基因）溶原性转换第13页,共75页，2024年2月25日，星期天1.用于细菌的鉴定和分型

由于噬菌体的吸附作用具有高度的种、型特异性，即一种噬菌体只能进入并裂解与它相应的该种细菌的某一型，因此可用于细菌鉴定。五、噬菌体在医学中的应用第14页,共75页，2024年2月25日，星期天2.

细菌性疾病诊断可将已知噬菌体加入被检材料中共同孵育，如果出现噬菌体效价增长或噬菌现象，就证实材料中有相应的细菌存在。已知噬菌体第15页,共75页，2024年2月25日，星期天3.

细菌性疾病的治疗有些创伤感染时，细菌对多种抗生素都产生了耐药性的情况下，最有效地办法就是采用相应噬菌体来治疗。但由于噬菌体过于专一，限制了其在临床上的广泛应用。我国著名医学微生物学家余贺曾在1958年利用噬菌体成功治疗了绿脓杆菌对烧伤病人的感染。第16页,共75页，2024年2月25日，星期天4.分子生物学与基因工程研究的重要工具：由于噬菌体的结构简单，基因数较少，可作为基因的运载体。第17页,共75页，2024年2月25日，星期天细菌的遗传与变异第18页,共75页，2024年2月25日，星期天

遗传：子代与亲代的生物学性状基本相同，且代代相传。变异：子代与亲代以及子代与子代之间的生物学性状出现差异。变异遗传性变异基因型变异非遗传性变异表型变异第19页,共75页，2024年2月25日，星期天细菌的变异

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。其特点是在群体中以极低的几率（一般为10-9～10-6/代）出现，常发生于个别细菌；不易受环境因素影响，变异发生后一般是不可逆的，产生的新性状可稳定地遗传给后代；性状变化的幅度大。第20页,共75页，2024年2月25日，星期天细菌的变异

非遗传性变异：指不涉及遗传物质结构改变而只发生在转录、翻译水平上的基因表达发生的改变，称为表型变异。其特点是易受环境因素的影响，凡在此环境因素作用下的整个群体中几乎所有细菌都发生同样变化；当环境中的影响因素去除后，变异的性状又可复原。性状变化的幅度小。目前对非遗传性变异的发生机理不十分清楚。第21页,共75页，2024年2月25日，星期天

遗传性变异

非遗传性变异基因改变+-遗传+-可逆性+外界环境+变异范围个别细胞群体±±变异的类型及特点第22页,共75页，2024年2月25日，星期天一、细菌遗传变异的物质基础（一）细菌染色体：是一条环状双螺旋DNA长链，按一定构型反复回旋成松散网状结构，附着在中介体或细胞膜上。特点：无组蛋白；无核膜包被；无内含子。功能：细菌的主要遗传物质。第23页,共75页，2024年2月25日，星期天（二）质粒（plasmid）1.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。第24页,共75页，2024年2月25日，星期天（1）可自我复制（2）编码细菌某些特定的生物学性状（3）与细菌繁殖代谢无关，非细菌生活所必需：可自行或经人工处理而消失（4）转移性：可通过接合/转化/转导方式转移（5）相容性与不相容性

2.质粒的特征第25页,共75页，2024年2月25日，星期天3.质粒的种类⑴F质粒（致育质粒）：编码性菌毛有性菌毛：雄性菌（F+）无性菌毛：雌性菌（F-）⑵R质粒（耐药性质粒）：编码耐药性接合性R质粒：通过性菌毛转移非接合性R质粒：通过噬菌体转移第26页,共75页，2024年2月25日，星期天⑶Vi质粒（毒力质粒）：编码毒力因子例如，K质粒：编码粘附结构

ST或LT质粒：编码肠毒素⑷Col质粒（细菌素质粒）：编码细菌素例如，大肠杆菌Col质粒：编码大肠菌素⑸代谢质粒：编码代谢酶第27页,共75页，2024年2月25日，星期天无毒白喉杆菌产毒白喉杆菌β棒状杆菌噬菌体（携带tox基因）（三）噬菌体是侵袭细菌、真菌等微生物的病毒。温和噬菌体感染细菌细胞后整合到细菌基因组中，成为细菌基因组的一部分。当细菌处于溶原期，某些前噬菌体携带的外源性基因会在细菌内表达，从而改变细菌的某些生物学性状，称为溶原性转换。溶原性转换第28页,共75页，2024年2月25日，星期天（四）转座元件⒈概念：是一类可在细菌染色体、质粒或噬菌体之间自行移动的一段特异的具有转位特性的核苷酸片段——可移动遗传元件，又称移动基因、跳跃基因。

2.造成结果：改变原有核苷酸序列影响插入点附近基因的表达本身所携带的一定的基因序列表达第29页,共75页，2024年2月25日，星期天

3.转座元件的种类：（1）插入序列（insertionsequence，IS）＜2kb，最小的转座元件，不携带任何与插入功能无关的基因。与插入点附近的序列共同起作用，可能是原细胞正常代谢的调节开关之一。第30页,共75页，2024年2月25日，星期天

（2）转座子（transposon，Tn）＞2kb，除了两端的IS和携带与转位有关的基因外，还携带耐药性基因、毒力基因等。称之为耐药性岛、毒力岛等。Tn第31页,共75页，2024年2月25日，星期天

毒力岛

是指一个分子量很大（20～100Kb）、载有毒力基因的不稳定DNA片段，两侧与IS和/或tRNA相连。第32页,共75页，2024年2月25日，星期天

特点

1.毒力岛载有编码许多毒力相关基因，产物多为分泌性蛋白、细胞表面蛋白、细菌的分泌系统等，如溶血素、菌毛、Ⅲ型分泌系统。

2.毒力岛可在细菌的不同菌株甚至不同菌种之间进行DNA重组，若非致病菌株通过基因重组获得了毒力岛则具备了致病性。第33页,共75页，2024年2月25日，星期天

细菌毒力岛

毒力岛的功能沙门菌SPI-1编码一个Ⅲ型分泌系统SPI-2编码另一个Ⅲ型分泌系统SPI-3与巨噬细胞内存活和在镁离子不足的条件下存活有关SPI-4与Ⅰ型分泌系统及在巨噬细胞内存活有关大肠杆菌EPECLEE编码III型分泌系统，介导AE损伤葡萄球菌Tst编码TSST部分病原菌的毒力岛第34页,共75页，2024年2月25日，星期天二、细菌变异的机制（一）基因突变：是DNA在复制过程中发生差错导致基因组内核苷酸序列的改变，发生了可遗传的变化。狭义：专指点突变广义：点突变+染色体畸变（二）基因的转移与重组

基因转移：外源性遗传物质由供体转入受体菌细胞内的过程。基因重组：转移的基因与受体菌DNA发生整合。第35页,共75页，2024年2月25日，星期天（一）细菌的基因突变野生型：首次从自然界分离到的菌株一般称野生型菌株，简称野生型。即具有原始性状的生物或没有突变的生物。突变型：野生型经突变后形成的带有新性状的菌株，称突变型菌株，又称突变型或突变体。

第36页,共75页，2024年2月25日，星期天自发性：突变可以随机的自然发生。不对应性：突变是不定向的，结果与原因不对应。稀有性：自发突变率极低，约10-9~10-6/代。可诱变性：突变率可因诱变剂影响提高10～1000倍。可逆性：野生型突变型野生型细菌基因突变的主要特点第37页,共75页，2024年2月25日，星期天1.基因突变的自发性与不对应性二个经典实验:

（1）彷徨实验（2）影印实验上述二个实验可以证明细菌的基因突变可以在没有人为诱变因素的情况下自发地发生，且是随机发生、不定向的，与环境不相对应。第38页,共75页，2024年2月25日，星期天两种观点细菌接触某种物质后使其定向变异。细菌自发、随机变异，环境淘汰敏感菌。

很久以前，人们对抗性突变产生的原因争论十分激烈。一种观点认为，突变的原因和突变的性状是相对应的，即定向变异，也有人称它为“驯化”或“驯养”。另一种观点则认为，基因突变可以是自发的，随机发生、不定向的，与环境不相对应。第39页,共75页，2024年2月25日，星期天

（1）彷徨实验：又称波动实验或变量实验。1943年，鲁里亚（Luria）和德尔波留克（Delbrück）据统计学原理设计，证明了突变的自发性与不对应性的存在。发现病毒的复制机制和基本结构第40页,共75页，2024年2月25日，星期天

实验要点:①取对噬菌体敏感的大肠杆菌配制成约103/ml的细菌悬液，在2个试管中各加入10ml。彷徨实验第41页,共75页，2024年2月25日，星期天②把A管的菌液先分装在小试管中培养24h，然后再分别将菌液涂在含噬菌体的平板上再培养24h。接种多管培养基培养24hA分别取各管菌液至含噬菌体的平板培养24h平板间抗性菌落数波动很大第42页,共75页，2024年2月25日，星期天③B管中的菌液不经分装先整管培养24h；然后才分别涂到同样含噬菌体的平板上再培养24h。B整管培养24hA接种多管培养基培养24h分别取各管菌液至含噬菌体的平板培养24h

至含噬菌体平板培养24h各平板抗性菌落数基本相同平板间抗性菌落数波动很大

同一时间接触噬菌体第43页,共75页，2024年2月25日，星期天

（2）影印实验：1952年，Lederberg等设计了一种比彷徨实验更为巧妙的能证明细菌抗性突变的自发性与不对应性的实验。——细菌未接触过链霉素而具有对链霉素的抗性。

包有灭菌丝绒布的木圆柱“印章”第44页,共75页，2024年2月25日，星期天

实验要点：把对链霉素敏感的大肠杆菌涂布在不含链霉素的培养基平板表面，待其长出菌落后，用影印法接种到——①不含链霉素的培养基平板；②含有链霉素的选择性培养基平板。

该培养基平板表面生长的菌落从未接触过链霉素

链霉素敏感的大肠杆菌接种不含链霉素的培养基①②第45页,共75页，2024年2月25日，星期天①无链霉素平板

②含链霉素平板标记点耐药菌株

影印后丝绒布上对应菌落含链霉素培养管

（细菌生长混浊）

含链霉素培养管（细菌不生长澄清）

根据耐药菌落在平板②出现的位置，从平板①找出相应的菌落并转种至含链霉素的液体培养基中培养，可见细菌生长。在整个试验过程中，该菌落未接触过链霉素，但已具有对链霉素的抗性。——突变的自发性、不对应性

第46页,共75页，2024年2月25日，星期天

彷徨试验和影印试验也证明：自发突变率极低，发生突变的细菌只是大量菌群中的个别菌。若环境中存在利于突变菌而不利于野生型细菌生长的因素时，就会淘汰大量敏感菌，使突变菌获得生长繁殖而成为优势菌群，才能将突变株选择出来。无抗生素的平板含抗生素的平板耐药菌落细菌培养瓶2.基因突变的稀有性与选择耐药菌落第47页,共75页，2024年2月25日，星期天3.可诱发性——诱发突变在细菌生长繁殖过程中，突变可以自然发生，也可以诱发发生。如果用高温、紫外线、X射线、烷化剂、亚硝酸盐等理化因素去诱发细菌突变，可使突变率提高10～1000倍，这些理化因素称为诱变剂。第48页,共75页，2024年2月25日，星期天第一次突变正向突变突变株第二次突变回复突变

表现野生株性状的突变株野生株4.基因突变的可逆性——回复突变与抑制突变细菌由野生型变为突变型是正向突变突变株经过又一次突变恢复为野生型的性状，这种第二次突变称为回复突变。回复突变可自发或诱发发生。一般来说，回复突变率<<正向突变率。第49页,共75页，2024年2月25日，星期天（1）原位回复突变：基因第二次突变时，在第一次突变位点上恢复了原来的碱基，纠正了正向突变的DNA序列，是真正意义上的回复突变，但几率很小。正向突变：A→a；原位回复突变:a→A。（2）抑制突变：基因第二次突变时，抑制了第一次突变的表型效应，没有纠正正向突变的DNA序列，只是使突变体表型恢复为野生型。回复突变第50页,共75页，2024年2月25日，星期天野生型+-第一次突变第二次突变-同点抑制突变-异点抑制突变有活性的突变体++++失活抑制突变①基因内抑制突变：抑制基因突变发生在同一基因内。第51页,共75页，2024年2月25日，星期天野生型酶蛋白第一次突变失活酶蛋白有活性突变体的酶蛋白

它们成了同工酶②基因间抑制突变：抑制基因突变发生在不同基因。抑制突变回复突变第52页,共75页，2024年2月25日，星期天（二）基因转移与基因重组的方式

基因转移：外源性遗传物质由供体转入受体菌细胞内的过程。基因重组：转移的基因与受体菌DNA发生整合。方式：1.转化；2.接合；3.转导；4.溶原性转换；5.原生质体融合。第53页,共75页，2024年2月25日，星期天1.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。②实验依据：肺炎链球菌荚膜S型菌落R型菌落毒力ⅢS型菌＋＋－＋ⅡR型菌－－＋－第54页,共75页，2024年2月25日，星期天1928年Griffith的小鼠体内肺炎球菌转化试验

1944年Avery的结论第55页,共75页，2024年2月25日，星期天转化AC供菌裂解释放DNA片断处于感受态的受菌直接摄取DNA片断重组第56页,共75页，2024年2月25日，星期天2.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。（2）通过接合方式转移的质粒称为接合性质粒。接合性质粒：F质粒、R质粒、Col质粒、Vi质粒。非接合性质粒

第57页,共75页，2024年2月25日，星期天F+菌F-菌F+菌F-菌F+菌F+菌F质粒的接合

F+菌F-菌F+菌（获得F质粒）接合第58页,共75页，2024年2月25日，星期天3.转导（Transduction）（1）概念：以噬菌体为载体，将供菌体的一段DNA转移到受体菌内。（2）类型局限性转导——脱离错误普遍性转导——装配错误第59页,共75页，2024年2月25日，星期天①普遍性转导

毒性噬菌体和温和噬菌体都能介导普遍性转导。在噬菌体成熟装配过程中，由于装配错误，误将宿主（供体菌）染色体片段或质粒装入噬菌体内。当该噬菌体感染受体菌时，则将供体菌DNA带入受体菌内。因供体菌染色体片段或质粒的任何DNA片段都有可能被包装转导，则称为普遍性转导第60页,共75页，2024年2月25日，星期天细菌被普遍性转导噬菌体感染细菌DNA（将供菌任意DNA装配）噬菌体DNA未整合细菌裂解期整合完全转导流产转导普遍性转导模式图第61页,共75页，2024年2月25日，星期天普遍性转导中外源DNA的结果供体菌的DNA片段在受体菌内重组，随其一起复制，称为完全转导。供体菌的DNA片段不能与受体菌重组，其本身不具有独立复制功能，转导的片段只能随细胞分裂沿单个细胞传递下去，称为流产转导。第62页,共75页，2024年2月25日，星期天②局限性转导:

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。

前噬菌体从宿主菌染色体脱离时发生偏差，将自身一段DNA留在供菌染色体上，却将相邻供菌的部分DNA带给受菌并整合至其染色体上。第63页,共75页，2024年2月25日，星期天局限性转导模式图galbio正常脱离断裂和再接galbio偏差脱离断裂和再接galbiogalbio（半乳糖苷酶基因

）（生物素基因

）第64页,共75页，2024年2月25日，星期天无毒白喉杆菌产毒白喉杆菌β棒状杆菌噬菌体（携带tox基因）溶原性转换

宿主菌获得感染它的温和噬菌体的DNA片段而获得新的遗传性状。4.溶原性转换(lysogenicconversion)第65页,共75页，2024年2月25日，星期天5.原生质体融合（proptopastfusion）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。第66页,共75页，2024年2月25日，星期天

3～6%Nacl

鼠疫耶氏菌从卵圆形杆状多形态性

陈旧培基物

三、细菌的变异现象（一）形态、结构的变异：形态的变异：第67页,共75页，2024年2月25日，星期天结构的变异：①细胞壁变异：有→无（L型变异）

②荚膜变异：有→无，如肺炎球菌③芽胞变异：有→无，如炭疽杆菌④鞭毛变异：有→无（H-O变异），如变形杆菌

第68页,共75页，2024年2月25日，星期天

42～43℃

炭疽杆菌失去形成芽胞能力，毒力降低。