微生物学第05章 细菌的遗传变异

影响因素：
供受菌基因型： 同源性；亲缘关系近，转化率高 感受态（competence）： 生理活动过程中摄取 转化因子的最佳时期 环境因素：Mg2＋、Ca2＋等可促进转化
二、接合（conjugation）
概念： 通过性菌毛将供菌遗传
物质（质粒）转给受体菌，使受体菌 获得供体菌性状。
• 转导可转移较大片段的DNA，而且由于噬 菌体衣彀的保护，不易被降解，故转化效 率较高。
• 普遍性转导与温和噬菌体裂解期有关 • 普遍性转导的结果有二种---完全转导、 流产转导
噬菌体 DNA
普遍性转导示意图
细菌DNA
细菌被裂解 供体菌DNA与 受体菌DNA整 合 感染新的细菌
整合成功 完全转导
• 转导方式（普遍性转导、局限性转导） • ⒈普遍性转导-转导的DNA片段可以是供体 菌染色体中任何部分，也可以是质粒DNA • 前噬菌体从溶原菌染色体上脱离，进入溶 菌周期。装配时可能发生装配错误，将细 菌的DNA片段装入噬菌体衣彀内，形成一 个转导噬菌体。转导噬菌再感染其它细菌， 并进入溶原周期，就可导致细菌间基因的 转移和重组
转移：供菌提供DNA；受菌接受DNA 重组：受菌获得供菌DNA
类型 转化 基因来源 供菌 转移方式 受菌摄入
接合 转导 溶原性转换
供菌 供菌 噬菌体
通过性菌毛 噬菌体媒介 前噬菌体
一、转化 transformation
• 概念 供体菌游离的DNA片段直接被受体 菌摄取，使受体菌获得新的性状
–小鼠体内肺炎球菌转化经典试验
启动子 调节基因 操纵基因 (promoter) (regulatory gene/ (operator genne) inhibiting gene)
结构基因 (structural gene)
TGTTGACATTT
识别单位
ATTTGTTATAATG
结合部位
细 菌 结 构 基 因 示 意 图
细菌结构基因特点： ①结构基因中没有内含子 ②基因序列为连续的结构 ③转录后不需剪切加工 ④基因组间无重叠现象 ⑤一个DNA序列只编码一种 蛋白质
一. 形态结构的变异
细菌大小和形态变异
3-6%食盐 鼠疫杆菌────→多形态性(衰残型) 琼脂培基
细菌结构变异
炭疽杆菌────→失去形成芽胞能力, 毒性降低
10-20天
42-43℃
变形杆菌（H） ────→ （O）
迁徙生长 单个菌落
1%石炭酸
二. 菌落变异
细菌的菌落: 主要有光滑型(smooth,S) 和粗糙型(rough,R) 两种
F因子 转移与 复制
①
②
形成高 频重组 株
③ 形成F’质粒
F ’
从Hfr上脱离的F’
–R质粒的传递 •目前，临床上多重耐药菌株的出现与R质 粒通过接合传递密切有关。 R质粒组成： ①耐药传递因子(resistance transfer factor, RTF) RTF类似F因子，可编码产生 性菌毛并以接合方式转移。 ②耐药决定因子(r决定因子)：r决定因子 两端的IS可与RTF相连；且可有多个Tn连接 排列是造成多重耐药的原因。
2.质粒 (plasmid)
概念：质粒为细菌染色体外的遗传物 质，环状双股DNA。质粒携带有遗传 信息，控制某些特定的遗传性状，可 独立复制，与细菌的遗传变异有关。
特征：
①自我复制-可与染色体同步/不同步 ②决定细菌某些生物学性状 ③可自行丢失及消除，不影响细菌存活 ④可转移性-可以各种方式转移到其它菌 ⑤不相容性与相容性
第四节
基因的转移和重组
• 二个细菌间部分遗传基因，可以发生转移 (gene transfer)和重组(recombination)， 使受体菌获得新的遗传性状。 • 细菌基因转移和重组的方式：
–转化 （transformation) –接合 (conjugation) –转导 (transduction) –溶原性转换 (lysogenic conversion) –原生质体融合（protoplast fusion)
• 转座子也是目前基因工程和遗传学研 究的重要工具。
4.整合子（integron，In）
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
生物的基因结构发生了改变，变异的 性状可遗传给子代，称为基因型变异。
非遗传性变异/表型变异 (phenotypic variation)
生物的性状受外界环境的影响发生改 变，其基因结构未改变，不能遗传，这 种变异称为表型变异。
表
型
变
异
1%石炭酸
去除1%石炭酸
恢复其原有的生长特性
基因型变异 BCG：牛型结核杆菌（有毒株）
3.转位因子
概念： 是一类在细菌染色体、质粒或噬菌体 之间可自行移动的特异性的独立的 DNA 片 段。 意义： ① 改变遗传物质的核苷酸序列 ② 影响插入点附近基因的表达（失活） ③ 直接插入一段新序列，造成基因的 转移和重组 以上均能造成细菌性状的变异
1.插入序列（ insertion sequence,IS） 结构较简单，长度小于2Kb。只带有 自身插入所需要的酶基因，不带有任何 与插入无关的基因。 插入后与插入点附近的序列共同起作 用。如有些质粒和染色体上，有一些相 同的IS，因此质粒就可以经同源性重组 插入到染色体中，形成一种高频重组株 （Hfr）。
R质粒组成示意图
RTF Tn9 Tn4 Tn5
IS
R决定因子
Tn9 耐氯霉素 Tn4 耐氨苄青霉素、链霉素等 Tn5 耐卡那霉素
三、转导 transduction
• 概念 以温和噬菌体为载体，将供体菌的 遗传物质转移到受体菌中，使受体菌获得 新的遗传性状。 • 溶原噬菌体的溶原期与裂解期交替进行， 此时温和噬菌体起转导载体作用
Tn (transposon): 2000~25000 bp 两端为IS 中心序列有与转位无关基因 如：毒素基因、耐药基因等
复合转座子的结构
IS未端反向重复
中心序列
IS---与转座子插入有关 中心序列---携带有特 殊基因（如耐药基因等）
常见的插入序列和转座子
IS
IS1 IS2 IS3
bp
768 1327 1300
λ噬菌体DNA bio
gal
λ噬菌体DNA bio
四、溶原性转换 lysogenic conversion
概念 温和噬菌体以前噬菌体形式存在于 细菌染色体中，并导致细菌基因型发生改 变，使溶原性细菌获得了新的性状。
• 毒力增强
β棒状噬菌体 白喉棒状杆菌 ────→ 获得白喉毒素
• 毒力减弱
胆汁、甘油、马铃薯培养基
牛型结核杆菌
──────── →卡介苗 13年(230代)
四. 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。 金黄色葡萄球菌耐青霉素的菌株已从1946年 的14%上升至目前的80%。 有些细菌还表现为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(耐药菌株) 长期培养
表面光滑、湿润、 边缘整齐
表面粗糙、干燥、 边缘不整齐
S—R变异
变异时不仅菌落的特征发生改变，且细菌的其它性状也 发生了变化。 S型菌的致病性强，但有少数R型菌的致病性强，如结核 分枝杆菌。 S—R变异常见于肠道杆菌，由于失去LPS的特异性寡糖 重复单位而引起的。
S型菌落 R型菌落
三. 毒力变异
高频重组株 Hfr
Hfr（高频重组菌株）：
F质粒与染色体整合 具有结合和转移功能 细菌染色体转移频率高，F质粒低 受体菌获得供体菌性状 用于绘制基因图
Hfr转移细菌染色体过程
③Hfr 中的F质粒有时也可从Hfr 中脱离 下来。又形成了质粒脱离下来的F质粒上 可以带有染色体上邻近的一些基因，这种 质粒称为F’质粒 因此，带有F质粒、 Hfr、F’质 粒的细菌均是 F+阳性菌，有性菌毛， 可与F- 菌接合
整合失败 流产转导
• ⒉局限性转导
• 所转导的DNA片段只限于供体菌染色体中 个别特定的基因（如大肠杆菌λ 染色体转 导的半乳糖酶基因或生物素基因） • 局限性转导与温和噬菌体的溶原期有关
局限性转导示意图
gal λ噬菌体DNA bio
λ噬菌体DNA
gal bio gal
λ噬菌体DNA
bio
λ噬菌体DNA gal bio gal
IS (insertion sequence): 750~1550 bp 两端重复序列，与插入有关 中心序列有转位酶基因
2.转座子（ transposon, Tn）
结构较复杂，分子量大（2Kb以上）， 上除了含有与转位有关的基因外，还至少 携带1个决定细菌遗传性状有关的基因 （如耐药性基因、重金属抗性基因、毒素 基因等）。 其中以带有耐药性基因的Tn研究的最 多，当Tn插入时，一方面可引起插入基因 的失活、另一方面带入了耐药基因使细菌 获得了耐药性。
Tn
Tn1 Tn6 Tn10
耐药或毒素基因
AP（氨苄青霉素） Kan（卡那霉素） Tet（四环素）
IS4
IS5
1426
1195
Tn551
Tn681
Em（红霉素）
E.coli ET（肠毒素）
• 总之 ，转座子广泛存在于细菌中， 由于转座子的转位，可以造成细菌的 耐药基因、毒力基因等在细菌中传播 和重排。
胆汁-甘油-马铃薯培养 13年，230次传代
减毒株（BCG）
基因型和表型变异的比较
基因型Fra Baidu bibliotek异
基因结构 可逆性 稳定性 环境影响 涉及细菌数 变化 不或极少 稳定 不受影响 个别
表型变异
未变 可逆 不稳定 受影响 全体
第一节 细菌的变异现象
• 形态结构的变异 • 菌落变异 • 毒力变异 • 耐药性变异
第4章
细菌的遗传变异
• 遗传(heredity)：子代与亲代之间生物学性状
的相似性 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
• 变异(variation)：子代与亲代之间以及子代
与子代之间生物学性 状的差异性
使细菌适应外界因素的变化，从而得以进化 和发展
遗传性变异/基因型变异(genotypic variation)
第二节 细菌的遗传物质
• • • • 染色体 质粒 转座因子 整合子
– 除染色体外其它均是在细菌中专有的遗 传物质。
1.细菌染色体
– 细菌染色体为一环状双股DNA链。 – 革兰阳性菌核质连接在中介体上。 – 革兰阴性菌核质连接在细胞膜某一点上。 特征： ①相对较小，只有一个复制起始位点 ②功能相关基因组成操纵子 ③基因结构是连续的，无内含子 ④基因组间无重叠现象 ⑤不编码DNA比真菌细胞基因少
5.
噬菌体（bacteriophage）：
形态结构: 蝌蚪形 衣壳：蛋白质 核酸：dsDNA
分布广: 有菌就有噬菌体 宿主特异性：流行病调查；分型 参与细菌变异：转导, 溶原性转换
第三节 细菌基因表达的调节
组成： 由结构基因、操纵基因、启动子、调 节基因共同组成
乳糖操纵子(operon)
R/I P O Lac Z Lac Y Lac A
种类及功能：
致育质粒-(fertility
plasmid) F质粒，产生性菌毛---F+ 毒力质粒- (virulence plasmid) Vi质粒，产生相应毒素 耐药质粒- (resistance plasmid) R质粒，编码细菌对抗菌药物的耐药性 细菌素质粒Col质粒，产生细菌素 代谢质粒-编码产生相关酶 如脲酶、枸橼酸盐利用酶等
F因子的传递— F因子经接合传递后在受体菌中可有三种存在方 式： ① F质粒在受体菌中单独存在，使 F- 菌转变为F+ 菌，长出性菌毛。
②F质粒经接合传递后,与染色体重组,形成高 频重组株highfrequencyrecombinant,Hfr。 • Hfr的细菌，基染色体上带有F质粒，因此， 也可产生性菌毛
受菌主动摄取外源性DNA 供菌死亡时释放或人工方法提取DNA
• 转化的DNA片段称 转化因子 • 转化因子分子量小于1×107，不超过 10~20个基因，才可能被受体菌摄取 • 受体菌必须处于感受态 competence时， 才能摄取转化因子 • 摄入的供体菌DNA片段与受体菌相应 DNA重组 重组菌；重组菌繁殖时， 就可形成重组突变株，获得供体菌的某些 性状。