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1、1,第五章 遺傳與變異,,2,,,細菌的各種生物性狀相對穩(wěn)定地傳給后代，并保持其種屬原有性狀且代代相傳，使其種屬得以保存。,在一定條件下，子代和親代之間以及子代和子代之間的生物學性狀差異。,變異性,遺傳性,3,基因型變異和表型變異,基因型：生物性狀的遺傳組成 表型：基因型的具體表現(xiàn)，可觀察或檢測到的個體性狀或特征。 基因型變異：可遺傳變異 由于DNA發(fā)生改變而導致微生物某些性狀的改變。這類變異僅涉及極少數(shù)個體，不可逆，能相對穩(wěn)定地遺傳。 表型變異：非遺傳型變異 是在DNA沒有改變的情況下發(fā)生的微生物某些性狀的改變。這類變異往往涉及生物群體，是可逆的，一旦條件復原，變異亦消失。,4,第一節(jié) 遺傳

2、與變異原理,一、DNA的結(jié)構(gòu)與功能 二、基因與基因的轉(zhuǎn)錄 三、遺傳信息的翻譯,5,第二節(jié) 細菌的遺傳與變異,一、細菌的變異現(xiàn)象,L型細菌變異（形態(tài)變異） H-O變異（鞭毛變異、變形桿菌） 芽胞變異（炭疽b） 莢膜變異（肺炎球菌） 抗原性變異 菌落變異：S-R變異 毒力的變異：增強、減弱（白喉、BCG ） 耐藥性變異：金黃色葡萄球菌、結(jié)核桿菌等,形態(tài)結(jié)構(gòu)的變異,,,,,,,,,形態(tài)變異,,3-6%食鹽鼠疫桿菌 多形態(tài)性(衰殘型) 瓊脂培基,,,L型變異藥物、抗體或補體等,正?；魜y弧菌,霍亂弧菌L型,,,毒力變異,,二、與細菌遺

3、傳變異相關(guān)的物質(zhì),,細菌染色體,染色體以外的遺傳物質(zhì),質(zhì)粒 轉(zhuǎn)座子 噬菌體,,11,（一）細菌的染色體,環(huán)狀雙螺旋DNA長鏈，不含組蛋白, 無核膜包圍。 結(jié)構(gòu)連續(xù), 幾乎無 內(nèi)含子，大多為單拷貝。 種內(nèi)和種間存在廣泛的遺傳物質(zhì)的交換。 細菌致病島（pathogenicity island)與毒力相關(guān)的大片段外源DNA。 雙向復制,12,（二）質(zhì)粒,胞漿內(nèi)染色體外的遺傳物質(zhì)，是環(huán)狀閉合的雙股DNA。,13,質(zhì)粒DNA的特征,具有自我復制的能力 質(zhì)粒DNA所編碼的基因產(chǎn)物能賦予細菌某些性狀特征 質(zhì)粒可自行丟失與消除，并非是細菌生命活動不可缺少 質(zhì)粒的轉(zhuǎn)移性 質(zhì)粒的相容性與不相容性,14,根據(jù)控制的

4、生物學性狀分為,F質(zhì)粒 R質(zhì)粒 Vi質(zhì)粒 細菌素質(zhì)粒 代謝質(zhì)粒 Ti質(zhì)粒,15,F質(zhì)粒 (Fertility plasmid),致育因子，分子量62 x106Da，94.5kb，編碼性菌毛。 F+菌株：攜帶F質(zhì)粒的菌株（相當于雄性） F-菌株：無F質(zhì)粒的菌株（相當于雌性） 在接合作用中起重要作用 P78,16,主要有抗藥性和抗重金屬兩大類 耐藥性質(zhì)粒：含耐藥基因，通過接合廣泛傳播 有兩部分組成： RTF和r決定因子 Resistance transfer factor ：功能與F質(zhì)粒相似，編碼性菌毛的產(chǎn)生和通過接合的轉(zhuǎn)移 r-determinant：含抗生素的抗性基因。 兩部分可單獨存在，也可

5、結(jié)合成復合物，復合物的穩(wěn)定性因R質(zhì)粒和菌種而異。 P129,R質(zhì)粒(Resistance plasmid),17,毒力質(zhì)粒,又Vi質(zhì)粒（virulence plasmid） 編碼細菌毒素 ETEC（腸產(chǎn)毒性大腸桿菌） 不耐熱毒素： LT（labile toxin) 耐熱毒素： ST (stable toxin）,18,如Col質(zhì)粒（Colicinogenic plasmid) 編碼大腸菌素（colicin) 大腸菌素是一種由大腸桿菌的某些菌株所分泌的細菌素，具有通過抑制復制、轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)移或能量代謝等而專一地殺死其他腸道細菌的功能，其分子量約（4 x104D）（8 x104D）。 G+細菌產(chǎn)生的細

6、菌素通常由質(zhì)粒基因編碼,細菌素質(zhì)粒,19,代謝質(zhì)粒,攜帶有能降解某些基質(zhì)的酶的基因，能利用一般細菌所難以分解的物質(zhì)作碳源。,Ti質(zhì)粒 Tumor inducing plasmid 誘癌質(zhì)粒，長200kb，是一大型質(zhì)粒，當前已成為植物遺傳工程研究中的重要載體。,質(zhì)粒分類,,能否通過細菌的接合作用傳遞,復制是否與細菌染色體同步,按基因數(shù),,,,,,,,,,,,,,,,,,,接合性質(zhì)粒,非接合性質(zhì)粒,緊密型,松弛型,小質(zhì)粒（20-30個基因）,大質(zhì)粒（含幾百個基因）,21,,概念：噬菌體是感染細菌、真菌、放線菌和螺旋體等微生物的病毒 。,,,（三）噬菌體,化學組成,,蛋白質(zhì)：構(gòu)成頭部衣殼及尾部， 有

7、保護作用并決定噬菌體的外形、表面特點。,核酸：是其遺傳物質(zhì)，為DNA或RNA，常見的噬菌體的基因組為2-200kb。,多數(shù)DNA的DNA為線狀雙股（有尾），少數(shù)的為環(huán)狀單股 多數(shù)RNA-的RNA為線狀單股，少數(shù)線狀雙股且分節(jié)段,,,噬菌體基本形態(tài),復合對稱結(jié)構(gòu),蝌蚪形復合對稱結(jié)構(gòu) 微球形廿面體對稱 細桿形螺旋對稱結(jié)構(gòu),,,各種噬菌體的形態(tài),,,,,大腸埃希菌T2噬菌體,蝌蚪形噬菌體結(jié)構(gòu)模式圖,26,,,,毒性噬菌體 凡能在宿主菌細胞內(nèi)復制增殖，產(chǎn)生許多子代噬菌體，最終裂解細菌的噬菌體稱毒性噬菌體。 溫和噬菌體 又溶原性噬菌體 噬菌體核酸與宿主菌染色體整合，不產(chǎn)生子代噬菌體，但噬菌體DN

8、A能隨細菌DNA復制，并隨細菌的分裂而傳代。,27,,,,溶菌周期：又稱噬菌體的復制周期，是指從噬菌體吸附開始至細菌溶解釋放子代噬菌體。,,,增殖過程：,,吸附,,穿入,,生物合成,,成熟與釋放,28,吸附,,,29,侵入（penetraction）,核酸注入細胞的過程,30,31,,3. 生物合成,裝配：分期、分批進行,,,釋放:,,1）裂解：多以裂解細胞的方式釋放。,2）分泌：噬菌體穿出細胞，細胞并不裂解。,噬菌體的裂解過程,,噬菌斑,36,溫和噬菌體,相關(guān)概念： 前噬菌體 溶原性細菌 溶原狀態(tài) 溶原性轉(zhuǎn)換,37,前噬菌體,定義：整合于細菌染色體上的噬菌體基因 在前噬菌體階段，噬菌體的復制

9、被抑制，宿主細胞正常繁殖，噬菌體基因組與宿主基因組同步復制，并隨宿主細胞分裂傳遞到子代細胞。,38,溶原性細菌,帶有前噬菌體基因組的細菌。 可進行正常生長繁殖，而不被裂解。,39,溶原性現(xiàn)象（溶原狀態(tài)）,噬菌體基因組長期存在于宿主細胞內(nèi)，不進行復制增殖，沒有成熟噬菌體產(chǎn)生的現(xiàn)象。 A. 是一種比裂解反應更有利于持續(xù)和傳播的生存方式; B. 在大多數(shù)情況下，溶原性細菌內(nèi)溫和噬菌體gene組整合于宿主細菌染色體中; C. 噬菌體基因組隨宿主復制而復制。,40,,溶原性轉(zhuǎn)換,,是指當噬菌體感染細菌時，宿主菌染色體中獲得了噬菌體的DNA片段，使其成為溶原狀態(tài)時而致細菌獲得新的性狀。,,,,41,,,前

10、噬菌體的誘導與脫離 一定條件（紫外線、X線、致癌劑、突變劑等）誘發(fā)下中止溶原狀態(tài)進入溶菌周期，發(fā)生噬菌體的增殖，宿主菌細胞裂解，發(fā)生率為10-210-5。,42,溶原性周期、溶菌性周期,溫和噬菌體的周期：溶原性周期、溶菌性周期,,44,溫和噬菌體的周期可有溶原性周期和溶菌性周期 毒性噬箘體只有一個溶菌性周期,45,（四）轉(zhuǎn)座子（轉(zhuǎn)位因子）（transposon, Tn）,概念：是一類在細菌的染色體、質(zhì)?；蚴删w之間自行移動的遺傳成分，是基因組中一段特異的具有轉(zhuǎn)位特性的獨立的DNA序列。 伴隨著轉(zhuǎn)座子的轉(zhuǎn)位過程，如是內(nèi)源的轉(zhuǎn)座子會出現(xiàn)插入突變，如是外源性的轉(zhuǎn)座子則出現(xiàn)基因的轉(zhuǎn)移與重組

11、。,種 類,,,插入序列（IS） 轉(zhuǎn)座子或復合轉(zhuǎn)座子（Tn）,46,,,插入序列 是最小的轉(zhuǎn)座子，不攜帶任何已知與插入功能無關(guān)的基因區(qū)域，往往是插入后與插入點附近的序列共同起作用，可能是原細胞正常代謝的調(diào)節(jié)開關(guān)之一。 分布于細菌的染色體、質(zhì)粒及某些噬菌體DNA上 大小<2kbp,（insertion sequence, IS）,47,,,轉(zhuǎn)座子 除攜帶與轉(zhuǎn)位有關(guān)的基因外，還攜帶耐藥性基因、抗金屬基因、毒素基因及其他結(jié)構(gòu)基因等。因此當Tn插入某一基因時，一方面可引起插入基因失活產(chǎn)生基因突變，另一方面可因帶入耐藥性基因而使細菌獲得耐藥性。轉(zhuǎn)座子可能與細菌的多重耐藥性有關(guān)。 大小2kbp以上,（

12、transposon, Tn）,轉(zhuǎn)座子的特征,,49,轉(zhuǎn)座子的遺傳學效應,插入突變 染色體畸變 基因的轉(zhuǎn)移和重排,50,三、細菌變異的機制,表型變異：環(huán)境因素的影響 基因型變異：DNA發(fā)生改變,51,（一）基因的突變和損傷后修復,,,,（二）基因的轉(zhuǎn)移與重組,,基因轉(zhuǎn)移,外源性的遺傳物質(zhì)由供體菌轉(zhuǎn)入某受體菌細胞的過程,重組,轉(zhuǎn)移的基因在胞質(zhì)中能自行復制與表達，或與受體菌DNA整合在一起,方 式,轉(zhuǎn)化 接合 轉(zhuǎn)導 溶原性轉(zhuǎn)換 原生質(zhì)體融合,53,基因重組,凡把兩個不同性狀個體內(nèi)的遺傳基因轉(zhuǎn)移在一起重新組合，形成新遺傳型個體的方式，稱基因重組。,54,1. 轉(zhuǎn)化（transformation）,,

13、轉(zhuǎn)化試驗,56,,一般出現(xiàn)在細菌對數(shù)生長期的后期，細胞膜不穩(wěn)定，表面具有吸附DNA的受體的狀態(tài)，僅維持數(shù)分鐘至3-4h。,感受態(tài),,,轉(zhuǎn)化因子吸附在受體菌表面受體上,供體菌雙鏈DNA,受體菌表面的核酸內(nèi)切酶,解鏈,與受體菌DNA重組,原型菌,突變株,轉(zhuǎn)化過程,一條鏈降解,一條鏈進入受體菌,繁殖,,,,,,,,,,,,,,,,轉(zhuǎn)化全過程,,受體菌,,,轉(zhuǎn)位因子,,,吸附,,,攝入,,,重組,,,,,,,,,,,,,,,,,,,分裂,突變株,,,,,60,,,細菌通過性菌毛相互連接溝通，將遺傳物質(zhì)（主要是質(zhì)粒DNA）從供體菌轉(zhuǎn)移給受體菌。,2. 接合（conjugation）,F質(zhì)粒的接合,,F+

14、F,Recipient,,,,,,供體菌,受體菌,62,FF特點,DNA以滾環(huán)復制的方式復制 雜交后可獲得兩個F菌 轉(zhuǎn)移F質(zhì)粒的頻率可達70%,,,,,,Hfr,有小部分進入受體細菌的F質(zhì)?？烧系绞荏w菌染色體上，與染色體一起復制，由于整合后的細菌能以高效率轉(zhuǎn)移染色體上的基因，故稱高頻重組菌 Hfr。,HfrF,65,主要轉(zhuǎn)移供體菌的DNA 轉(zhuǎn)移F質(zhì)粒的頻率幾乎為0 大多數(shù)雜交后仍只有一個F 據(jù)此原理可畫出細菌基因圖,HfrF特點,,,66,,,Hfr 中的F質(zhì)?？蓮娜旧w上脫離下來，終止Hfr狀態(tài)，從染色體上脫離的F質(zhì)粒有時可帶有染色體上幾個鄰近的基因，這種質(zhì)粒稱F質(zhì)粒，帶有F質(zhì)粒的細菌為F

15、菌。,F菌,,,,,,,,67,性導,通過F/因子的轉(zhuǎn)移而使供體菌的部分基因轉(zhuǎn)入受體菌，改變受體菌的性狀。,FF,,,,R質(zhì)粒與耐藥性有關(guān)，尤其與多重耐藥性有關(guān)。,分離到抗多種藥物的宋內(nèi)志賀菌多重耐藥株，很難用基因突變解釋,健康人中大腸埃希菌3050%有R質(zhì)粒，而致病性大腸埃希菌90%有R質(zhì)粒,,,耐藥性（R）質(zhì)粒的組成,耐藥傳遞因子（ RTF）：,與F質(zhì)粒相似，編碼性菌毛的產(chǎn)生和通過接合轉(zhuǎn)移。,耐藥（r）決定子：,能編碼對抗菌藥物的耐藥性，可由幾個轉(zhuǎn)座子連接相鄰排列。,71,R質(zhì)粒決定耐藥的機制,使細菌產(chǎn)生滅活抗生素的酶類。 R質(zhì)?？刂萍毦淖兯幬镒饔玫陌胁课?。 R質(zhì)粒可控制細菌細胞對藥物的

16、通透性。,,,非接合性質(zhì)粒分子量較小，無編碼轉(zhuǎn)移體系所需要的基因，因而不能單獨接合傳遞。但如果在同一宿主細胞因存在接合性質(zhì)粒（如或質(zhì)粒），非接合性質(zhì)粒就會被誘動傳遞。,,以溫和噬菌體為載體，將供體菌的一段DNA轉(zhuǎn)移到受體菌內(nèi)，使受體菌獲得新的性狀。,,3. 轉(zhuǎn)導(transduction),,,,,,,,完全轉(zhuǎn)導,流產(chǎn)轉(zhuǎn)導,普遍性轉(zhuǎn)導,,,,,,,普遍性轉(zhuǎn)導： 被轉(zhuǎn)導的DNA可以是供體菌染色體的任何部分。,完全轉(zhuǎn)導： 被轉(zhuǎn)導的DNA片段與受體菌的染色體整合，并隨染色體而傳代。,流產(chǎn)轉(zhuǎn)導： 被轉(zhuǎn)導的DNA片段游離在細胞質(zhì)中，既不能與受體菌染色體整合，也不能自身復制，子代中只有一個子代細

17、胞具有該DNA片段。,76,轉(zhuǎn)移供體菌染色體的任何部分，也可轉(zhuǎn)移質(zhì)粒 可轉(zhuǎn)移較大的DNA片段 轉(zhuǎn)移效率高,普遍性轉(zhuǎn)導與轉(zhuǎn)化的區(qū)別,,,,局限性轉(zhuǎn)導： 所轉(zhuǎn)導的只限于供體菌染色體上特定 的基因（前噬菌體兩側(cè)）的轉(zhuǎn)導。,,,普遍性轉(zhuǎn)導與局限性轉(zhuǎn)導的區(qū)別,,,,受體菌獲得供體菌DNA特定部位的遺傳特性,完全轉(zhuǎn)導或流產(chǎn)轉(zhuǎn)導,轉(zhuǎn)導的后果,噬菌體DNA及供體菌DNA的特定部位,供體菌染色體DNA任何部位或質(zhì)粒,轉(zhuǎn)導的遺傳物質(zhì),溶原期,裂解期,基因轉(zhuǎn)導發(fā)生的時期,局限性轉(zhuǎn)導,普遍性轉(zhuǎn)導,區(qū)別要點,,,,轉(zhuǎn)化、接合、轉(zhuǎn)導的區(qū)別,80,,5. 原生質(zhì)體融合,將兩種不同的細菌經(jīng)溶菌酶或青霉素等處理，失去細胞壁成為原生質(zhì)體后進行彼此融合的過程。,,,基因的轉(zhuǎn)移與重組,