第二章 细菌的遗传变异

单倍体：突变后更易表现
质粒（plasmid）：
复制能力
控制某些性状
转移能力
丢失或消除
功能：F质粒－转移；Vi质粒－毒力
R质粒－耐药；Col质粒－细菌素
噬菌体（bacteriophage）：
• 噬菌体是感染细菌、真菌、放线菌或螺旋体等 微生物的病毒 • 个体微小，可以通过细菌滤器 • 无细胞结构，主要由衣壳（蛋白质）和核酸组 成 • 只能在活的微生物细胞内复制增殖，是一种专 性胞内寄生的微生物 • 严格宿主特异性，分布极广，有菌即有噬菌体
转座因子（transposable element）：
是一类不依赖于同源性重组可以在细菌的
基因组（染色体、质粒、噬菌体）中从一个位 置转移到另一个位置上的独特DNA片段，也称
为跳跃基因（jumping genes）或移动基因
（movable genes）。 包括：插入序列（IS） 转座子（transposon, Tn） Mu 噬菌体
普遍性转导与局限性转导的区别
区别要点 基因转导发生的时期 转导的遗传物质 转导的后果 普遍性转导 裂解期 局限性转导 溶原期
供体菌染色体DNA 噬菌体DNA及供体 任何部位或质粒 菌DNA的特定部位 完全转导或流产转 受体菌获得供体菌 导 DNA特定部位的遗 传特性 受体菌的10-7 转导频率较普遍转 导增加1000倍(10-4)
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。
返回
影印平板：自发的，随机的，非诱导的，药 物仅起选择作用
返回
第2章
细菌的遗传与变异
BCG：牛型结核杆菌（有毒株）
胆汁-甘油-马铃薯培养 13年，230次传代
减毒株（BCG）
基因型变异：BCG
表型变异：细菌L型
基因型和表型变异的比较
基因型变异
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
1.毒性噬菌体：能在宿主菌内复制增殖，
产生许多子代噬菌体，并最终裂解细菌。
2.温和噬菌体或溶原性噬菌体：噬菌体基
因组整合于宿主菌染色体中，不产生子代噬菌 体，也不引起细菌裂解。
• 溶菌性周期
毒性噬菌体在宿主菌内的增殖过程（复 制周期或溶菌周期）包括吸附穿入、生物合 成、成熟释放等3个阶段。
• 溶原性周期
噬菌体颗粒和裂解宿主菌的潜在能力。
温和噬菌体有溶原性周期和溶菌性周期， 而毒性噬菌体只有一个溶菌性周期。
• 溶原性转换
某些前噬菌体可导致细菌基因型和性状
发生改变。
例如白喉棒状杆菌产生白喉毒素的机理—
—由于－棒状杆菌噬菌体DNA携带白喉毒素 基因，其感染白喉棒状杆菌后，使无毒的白 喉棒状杆菌获得产生白喉毒素的能力。
非复制型转座 复制型转座 接合型转座
Fra Baidu bibliotek
第三节 细菌基因表达的调节
• 操纵子 细菌的许多相关基因串连排列在染色体 的特定部位，其上游有启动子和操纵基因序列， 共同构成一个转录单位。 • 在操纵子的上游有一个调节基因，其编码产物 能调节操纵子的活动。
• 抑制基因转录
1.阻遏蛋白 由调节基因编码，与操纵基因区结合，
突变率：自发10-9~10-6，诱发10-4~10-6 突变与选择 影印试验 回复突变与抑制突变 野生型 突变型
突变型细菌的分离：
耐药性突变体 营养缺陷突变体 条件型突变体 药敏试验 营养物质筛选 温度敏感试验
二、基因转移与重组
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 接合 转导 溶原性转换
基因来源
供菌 供菌 供菌 噬菌体
转移方式
受菌摄入 通过性菌毛 噬菌体媒介 前噬菌体
转化（transformation）
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
影响因素：
供受菌基因型：亲缘关系越近，转化率 越高 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
1.形态与结构
噬菌体有三种 基本形态，即蝌蚪 形、微球形和细杆 形。大多数噬菌体 呈蝌蚪形。
• 结构：由头部和尾部组成； • 化学组成：蛋白质与核酸； • 核酸类型：为DNA或RNA，大多数DNA噬菌体
的DNA为线状双链； • 噬菌体具有抗原性；
• 抵抗力：比一般细菌繁殖体强。
2.噬菌体可分为两种类型
Hfr转移细菌染色体过程
• R质粒接合
耐药传递因子（RTF）： 编码性菌毛 r决定因子：决定耐药 可携带多个耐药 基因或转座子
• 诱动传递（mobilization）
非接合性质粒（如ColE1质粒）与接合性质 粒同存于一个菌细胞内
转导（transduction）
噬菌体媒介
将供菌DNA转给受菌 分普遍性转导和局限性转导
接合（conjugation）
通过性菌毛将供菌DNA转给 受体菌，受体菌获得供体菌性状。
F质粒（fertility factor, 致育因子）的接合
接触：细胞质沟通 转移：F质粒进入F－菌，1分钟完成 复制：F－菌转为F＋菌
Hfr（高频重组菌株）：
• F质粒与染色体整合形成Hfr • 具有高频转移自身染色体至F－菌的功能 • 细菌染色体转移频率高，F质粒低，很少 使受菌成为F＋菌 • 受体菌获得供体菌性状 • 用于绘制基因图 • F’质粒：Hfr中的F质粒可以从染色体上脱 离下来，此时它会携带相邻的染色体基因 或DNA片段
启动子区域的DNA序列结合，增强RNA聚合酶
与启动子的结合，提高基因的转录和翻译。
第四节 细菌变异的机制
一、基因突变
• 基因突变是指DNA碱基对的置换、插入或缺 失所致的基因结构变化，分为点突变和多 点突变。
• 基因突变是生物变异的主要原因，也是生 物进化的主要因素。
基因突变规律：
自发突变与诱发突变 彷徨试验
--- 变形杆菌 迁徙生长（H）
0.1%石炭酸
点状生长、单个菌落 （O）
二、菌落变异
在陈旧培养基中长期培养
光滑型菌落 S 原因：失去LPS的特异多糖
粗糙型菌落 R
三、毒力变异
• 增强
感染β棒状杆菌噬菌体
白喉棒状杆菌
获得白喉毒素
•
减弱
胆汁、甘油、马铃薯培养基
牛分枝杆菌
13年(230代)
卡介苗
四、耐药性变异
可阻断启动子与RNA聚合酶结合或结合后不能移动， 从而阻止起始基因转录；当与诱导物结合时，使 阻遏蛋白－诱导物复合物脱离DNA链，去除阻遏蛋 白的抑制作用。
2.辅阻遏物 基因转录。
酶反应的终末产物或结构相似的化合
物，与阻遏蛋白结合形成一种活性阻遏物，抑制
Go to
• 促进基因转录
分解物基因激活蛋白（CAP）： 大肠埃希 菌中的一类调节转录活性的转录因子，与 cAMP结合形成CAP－cAMP复合物后，能与
工程菌和酶：限制性
内切酶，连接酶
选择目的基因，细菌
中表达，如胰岛素、
白介素、干扰素等
基因工程疫苗
思考题
1.细菌基因转移和重组的类型及其主要差异？ 2 . 何 谓 BCG 、 transposon 、 R 质 粒 、 Hfr 、 lysogenic conversion和Ames试验？
R e t u r n
IS (insertion sequence): 0.7~2.5 kb 两端有反向重复序列，与插入有关 中心序列有转位（座）酶基因，没有其 他基因
Tn (transposon): 2000~25000 bp 两端为IS 中心序列有与转位无关的基因 如：毒素基因、耐药基因等 是细菌产生耐药性的重要原因
供体菌
噬菌体DNA
受体菌
细菌DNA
转导噬菌体
结果
• 完全转导
整合
• 流产转导
未整合
局限性转导 restricted transduction
• 或称特异性转导， 所转导的只限于 供体菌染色体上特定的基因。 • 溶原期时，噬菌体DNA整合在细菌 染色体特定部位，噬菌体DNA发生 偏差分离，将自身的一段DNA留在 细菌染色体上，而带走了细菌DNA 上两侧的基因。当其转导并整合到 受体菌中，使受体菌获得供体菌的 某些遗传性状。所转导的只限于供 体菌上个别的基因。
常见的插入序列和转座子
IS
IS1 IS2 IS3
bp
768 1327 1300
Tn
耐药或毒素基因
Tn1、2、3 AP（氨苄青霉素） Tn5、6 Tn10 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）
Mu 噬菌体： 是一类具有转座作用的大肠埃希菌温 和噬菌体，可随机插入宿主菌DNA中。 转座机制
普遍性转导 generalized transduction
• 前噬菌体从溶原菌染色体上脱离，进行增殖，在裂 解期的后期，噬菌体的DNA已大量复制，装配时可 能会发生装配错误，误将细菌的DNA片段装入噬菌 体的头部，成为一个转导噬菌体。转导噬菌体能以 正常方式感染另一宿主菌，并将其头部的染色体注 入受体菌内。 • 被包装的DNA可以是供体菌染色体上的任何部分。
转导频率

溶原性转换（lysogenic conversion）： 溶原性细菌因染色体上整合有前噬菌体 而获得新的性状。

原生质体融合（protoplast fusion）： 将两种不同细菌的原生质体混合，滴加 聚乙二醇促使原生质体融合。
第五节 细菌遗传变异在医学上的实际意义
诊断困难
H→O变异：如伤寒沙门菌鞭毛
• 细菌对某种抗菌药物从敏感变成耐药的变异 • 金黄色葡萄球菌 MRSA（耐甲氧西林金黄 色葡萄球菌） • 有些细菌还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 含链霉素培养基
痢疾志贺菌
长期培养
痢疾志贺菌依链株 (SmD株)
第二节 细菌的遗传物质
细菌染色体：dsDNA，3.2～5×106 bp 复制快：105 bp/min 无组蛋白，无内含子，为连续基因
第一节 细菌的变异现象
• • • • • 形态、结构变异 抗原性变异 菌落变异 毒力变异 耐药性变异
一、形态结构变异
• L型变异
青霉素、溶菌酶
--- 正常形态细菌
抗体或补体
• 芽孢变异
--- 炭疽杆菌
L型细菌 (部分或完全失去胞壁)
42-43℃ 10-20天
失去形成芽胞能力, 毒性降低
• 鞭毛变异（H-O变异）
S→R变异：消失荚膜或多糖
抗原性改变
毒力下降，生化反应改变 治疗困难：耐药
预防：BCG
Ames试验检测致癌物
以细菌为模型检测可疑致 癌物的常用方法 突变菌在诱变剂的作用下， 可能发生回复突变而恢复 其原有性状 鼠伤寒沙门菌组氨酸营养 缺陷型为试验菌
基因工程
载体：质粒，噬菌体
温和噬菌体感染细菌后不增殖，其核酸 整合到细菌染色体上，成为前噬菌体。并随 细菌复制而复制，随细菌的分裂而分配到子 代细菌染色体中。
• 溶原性细菌：带有前噬菌体的细菌。 • 温和噬菌体可以自发或在有些因素的诱导下，
整合的前噬菌体可以从染色体上脱离，进入溶
菌性周期。
• 溶原性：温和噬菌体具有的这种产生成熟子代