细菌遗传变异类型遗传型变异
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第十三章 细菌的遗传变异
6
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
7
第三节 变异的原理
一、变异的一般机理 包括基因突变和基因重组。 （一）基因突变 突变：指细菌遗传基因结构上发生突然而 稳定的改变，从而导致细菌发生遗传性 变异。突变包括基因突变和染色体畸变。 基因突变包括自然突变和诱发突变，其分 子基础是碱基置换、碱基互变异构和碱 基的减少、增加和倒置。
转移方式 受菌摄入
接合 转导 溶原性转换 细胞融合
供菌 供菌 噬菌体 不同细胞
通过性菌毛 噬菌体媒介 前噬菌体 细胞融合
10
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； 接合性质粒包括F质粒、R质粒。
11
F质粒（fertility factor, 致育因子）
基因：DNA分子中不同排列顺序的 DNA区段所构成的
特定的功能单位。
二、质粒（plasmid）：
是原核细菌染色体外 的遗传物质，位于细 胞质内。是双股闭环 的DNA链，携带的基因 数少，多携带抗药性 基因、产抗生素基因、 产毒素基因等，可自 行复制、转移。
功能：F质粒－转移； R质粒－耐药；
Col质粒－细菌素
15
转导（transduction）
噬菌体媒介 将供菌DNA转给受菌，使受菌获得
供菌的部分遗传性状
分普遍性转导和局限性转导
16
普遍性转导：
毒性噬菌体、温和噬菌体均可介导 装配错误： 任何部位细菌DNA片段 转导性噬菌体： 宿主菌DNA， 无噬菌体DNA 受菌接受转导噬菌体(供菌)DNA
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
7
第三节 变异的原理
一、变异的一般机理 包括基因突变和基因重组。 （一）基因突变 突变：指细菌遗传基因结构上发生突然而 稳定的改变，从而导致细菌发生遗传性 变异。突变包括基因突变和染色体畸变。 基因突变包括自然突变和诱发突变，其分 子基础是碱基置换、碱基互变异构和碱 基的减少、增加和倒置。
转移方式 受菌摄入
接合 转导 溶原性转换 细胞融合
供菌 供菌 噬菌体 不同细胞
通过性菌毛 噬菌体媒介 前噬菌体 细胞融合
10
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； 接合性质粒包括F质粒、R质粒。
11
F质粒（fertility factor, 致育因子）
基因：DNA分子中不同排列顺序的 DNA区段所构成的
特定的功能单位。
二、质粒（plasmid）：
是原核细菌染色体外 的遗传物质，位于细 胞质内。是双股闭环 的DNA链，携带的基因 数少，多携带抗药性 基因、产抗生素基因、 产毒素基因等，可自 行复制、转移。
功能：F质粒－转移； R质粒－耐药；
Col质粒－细菌素
15
转导（transduction）
噬菌体媒介 将供菌DNA转给受菌，使受菌获得
供菌的部分遗传性状
分普遍性转导和局限性转导
16
普遍性转导：
毒性噬菌体、温和噬菌体均可介导 装配错误： 任何部位细菌DNA片段 转导性噬菌体： 宿主菌DNA， 无噬菌体DNA 受菌接受转导噬菌体(供菌)DNA
细菌的遗传
不带有表现任何性状的基因
代谢质粒 细菌基因的转移和重组
梭菌等的外毒素就是前噬菌体某些基
因编码的
细菌的变异现象
一 形态变异结构变异
L型，失去特殊结构
。 二 毒力变异
增强、减弱 三 抗原性变异
I型-II型，O Ag 四 耐药性变异
耐药株、依赖株 五 酶活性变异
营养缺陷型 六 菌落变异
S-R变异
细菌的变异机制 基因突变 细菌基因的转移和重组
1．基因突变(mutation)： 遗传物质结构发生突然改变
基因突变类型： 基因突变：点突变 染色体畸变：范围大
突变株： 野生株：
基因突变的规律
⑴ 随机发生 ⑵ 抗菌药物的使用与细菌耐药性的
产生并无必然联系 ⑶ 具有相对稳定性 ⑷ 突变可回复
耐药性菌株在接触药物前已Hale Waihona Puke 现， 抗菌药物的作用只是选择耐药株
普遍转导：完全转导 流产转导
局限转导：
普遍性转导：完全转导和流产转导
普遍性转导模式图
局限性转导：
普遍转导：装配错误 局限转导：脱落错误
． （3）溶原性转换(lysogenic conversion)：
溶原性细菌因染色体上整合有前噬菌 体而获得新的遗传性状。
(4) 接合（conjugation）： 供体菌通过性菌毛将DNA转入受体菌内， 使受体菌获得新的遗传性状。
F质粒： 雄性菌：F+，性菌毛（+），供体菌 雌性菌：F-，性菌毛（-），受体菌
R质粒： 接合性：耐药性传递因子：性菌毛 耐药性决定子 ：耐药性 方式：接合 非接合性：耐药性决定子 方式：转化或转导
高频重组株（Hfr）： F质粒如整合到细菌染色体上时，则该
代谢质粒 细菌基因的转移和重组
梭菌等的外毒素就是前噬菌体某些基
因编码的
细菌的变异现象
一 形态变异结构变异
L型，失去特殊结构
。 二 毒力变异
增强、减弱 三 抗原性变异
I型-II型，O Ag 四 耐药性变异
耐药株、依赖株 五 酶活性变异
营养缺陷型 六 菌落变异
S-R变异
细菌的变异机制 基因突变 细菌基因的转移和重组
1．基因突变(mutation)： 遗传物质结构发生突然改变
基因突变类型： 基因突变：点突变 染色体畸变：范围大
突变株： 野生株：
基因突变的规律
⑴ 随机发生 ⑵ 抗菌药物的使用与细菌耐药性的
产生并无必然联系 ⑶ 具有相对稳定性 ⑷ 突变可回复
耐药性菌株在接触药物前已Hale Waihona Puke 现， 抗菌药物的作用只是选择耐药株
普遍转导：完全转导 流产转导
局限转导：
普遍性转导：完全转导和流产转导
普遍性转导模式图
局限性转导：
普遍转导：装配错误 局限转导：脱落错误
． （3）溶原性转换(lysogenic conversion)：
溶原性细菌因染色体上整合有前噬菌 体而获得新的遗传性状。
(4) 接合（conjugation）： 供体菌通过性菌毛将DNA转入受体菌内， 使受体菌获得新的遗传性状。
F质粒： 雄性菌：F+，性菌毛（+），供体菌 雌性菌：F-，性菌毛（-），受体菌
R质粒： 接合性：耐药性传递因子：性菌毛 耐药性决定子 ：耐药性 方式：接合 非接合性：耐药性决定子 方式：转化或转导
高频重组株（Hfr）： F质粒如整合到细菌染色体上时，则该
细菌的遗传和变异PPT课件
细菌的遗传和变异
遗传使细菌的性 状保持相对稳定
细菌的形态、结构、 生理、抗原性、致病 性和耐药性等性状与 亲代之间存在不同程 度的差异，这种现象 称为变异
变异的种类
遗传性变异（基因型变异）
非遗传性变异（表型变异）
基因改变 遗传 可逆性 外界环境 变异幅度
遗传性变异 + + 个别细胞
非遗传性变异 + + 群体
细菌性状的变异现象
毒力变异
增强
β棒状噬菌体
白喉棒状杆菌 减弱 牛分枝杆菌
13年(230代)
获得白喉毒素
胆汁、甘油、马铃薯培养基
卡介苗
牛分支杆菌 Mycobacterium bovis 在胆汁中适应性 生长，充分减毒 成为预防肺结核 的疫苗。
卡介苗 Bacillus Calmette-Guerin (BCG)
S菌落 R菌落
活 R菌 +
转化的机制
转化 过程
发生转化的因素
细菌性状的变异现象
耐药性变异
对药物从敏感到耐受称耐药。
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。 含链霉素培基 痢疾杆菌 依链株 长期培养
细菌性状的变异现象
特点：
不仅形态改变，理化性状，毒力， 致病力，抗原性等性状也发生变化 一般性状变弱，例外：结核杆菌、 炭疽杆菌、鼠疫杆菌。
一、细菌性状的变异现象
形态的变异
变形杆菌 0.1%石炭酸 迁徙生长（H） 点状生长、单个菌 落（O）
可逆
细菌性状的变异现象
结构的变异
指细菌某些结构的丢失（包括基本 结构或特殊结构）。
青霉素、溶菌酶
遗传使细菌的性 状保持相对稳定
细菌的形态、结构、 生理、抗原性、致病 性和耐药性等性状与 亲代之间存在不同程 度的差异，这种现象 称为变异
变异的种类
遗传性变异（基因型变异）
非遗传性变异（表型变异）
基因改变 遗传 可逆性 外界环境 变异幅度
遗传性变异 + + 个别细胞
非遗传性变异 + + 群体
细菌性状的变异现象
毒力变异
增强
β棒状噬菌体
白喉棒状杆菌 减弱 牛分枝杆菌
13年(230代)
获得白喉毒素
胆汁、甘油、马铃薯培养基
卡介苗
牛分支杆菌 Mycobacterium bovis 在胆汁中适应性 生长，充分减毒 成为预防肺结核 的疫苗。
卡介苗 Bacillus Calmette-Guerin (BCG)
S菌落 R菌落
活 R菌 +
转化的机制
转化 过程
发生转化的因素
细菌性状的变异现象
耐药性变异
对药物从敏感到耐受称耐药。
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。 含链霉素培基 痢疾杆菌 依链株 长期培养
细菌性状的变异现象
特点：
不仅形态改变，理化性状，毒力， 致病力，抗原性等性状也发生变化 一般性状变弱，例外：结核杆菌、 炭疽杆菌、鼠疫杆菌。
一、细菌性状的变异现象
形态的变异
变形杆菌 0.1%石炭酸 迁徙生长（H） 点状生长、单个菌 落（O）
可逆
细菌性状的变异现象
结构的变异
指细菌某些结构的丢失（包括基本 结构或特殊结构）。
青霉素、溶菌酶
细菌的遗传和变异
5、质粒的转移
细菌质粒可在同种、同属或不同属细菌间转移
方式： 接合性耐药性质粒，通过性菌毛接合转移 非接合性耐药性质粒，通过噬菌体为媒介 将DNA中信息转移；
结果：耐药菌可以将耐药基因转移至敏感菌，
使敏感菌也携带了耐药性，成为耐药菌；
（三）细菌转位子
1 、定义： 为存在于细菌的染色体或质粒上一段
表达调控：
（1）调控部位：起动子、终止子
（2）调节蛋白：阻遏蛋白
（3）效应物分子
乳糖操纵子模型
Francois Jacob和Jacques Monod提出，
E.coli 利用乳糖需两种酶：
LacZ基因编码的半乳糖苷酶→乳糖来自解为葡萄糖、半乳糖LacY基因编码的半乳糖穿透酶→将乳糖运输入细胞内
LacA基因编码转酰基酶→与前两酶一起受调控
减弱：BCG（卡介苗） Calmette 和Guerin 230次历时13年之久 传代培养，毒力减弱，抗原性不变的菌株。预 防接种，不致病，但可获得免疫力。 增强： 无荚膜肺炎链球菌→小白鼠腹腔接种， 毒力增强→产生荚膜；
（五）耐药性变异
对某种药物敏感的细菌变成对该药耐受的
变异称为耐药性变异；
染色体耐药基因的突变 耐药性质粒的转移 转座子的插入 →细菌产生特定的酶类或多肽 类物质→阻挡药物向靶细胞穿 透、发生新的代谢途径；
染色体（核质）
质粒
（一）细菌的染色体
1、特点：
（ 1 ）一条环状双螺旋长链，反复扭曲折叠，
呈负超螺旋结构； （2）长度约菌体1000倍，分子量109dal左右
2、细菌染色体的复制；
E.coli约需要20分钟，平均每分钟105bp
复制叉（replicating fork）
细菌的遗传和变异
温和噬菌体可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
噬菌体与宿主的相互关系
四 转座因子
转座因子(transposzble element)又称跳跃基因 (jumping gene)：
是指存在于细菌染色体或质粒DNA分子上一段特异 的具有转移特性的核苷酸序列它在基因组不必借助 同源序列就可以移动，可以直接从基因组的一个位 点转移到另一个位点的（供体和受体）。
第十二章 微生物的遗传和变异
遗传(heredity)：使微生物的性状保持相对稳 定，且代代相传，使其物种得以保存。 变异(variation)：在一定条件下，子代与亲代 之间以及子代与子代之间的生物学性状出现的 差异。
江苏大学 医学院 申红星
基因:是一个相对独立的可遗传生物学功能 单位. 基因组:是指某一生物种类的遗传信息总和. 基因型:一种生物遗传物质的总和构成该生 物的基因型. 表性:由基因表达产物决定,生物所表现的生 物学性状。
是最小的转位因子，＜2kb，除了和转座功能相关的基因外，
不携带任何已知与插入功能无关的基因区域。IS两端有反向重 复序列。
2.转座子（transposon,Tn）
＞2kb，除携带与转座有关的基因外，还携带耐药性基
因、抗金属基因、毒素基因及其他结构基因。
可能与细菌的多重耐药性有关。
IS
Resistance Gene(s)
噬菌体的抗原性
噬菌体具有抗原性，能刺激机体产生特异性抗体。 该抗体能抑制相应噬菌体侵袭敏感细菌， 但对已吸附或已进入宿主菌的噬菌体不起作用， 噬菌体仍能复制增殖。
噬菌体的抵抗力
噬菌体对理化因素与多数化学消毒剂的抵抗 力比一般细菌的繁殖体强； 能抵抗乙醚、氯仿和乙醇，一般经75℃ 30min或更久才能被灭活。噬菌体能耐受低 温和冰冻， 对紫外线和X射线敏感，一般经紫外线照射 10～15min即失去活性。
医学微生物学- 细菌的遗传与变异
2. 突变与选择
Lederberg影印试验（replica plating）
突 变 在 前 ， 选 择 在 后 。
(二) 基因转移与重组
➢ 基因转移和重组(gene transfer& recombination)： 外源性的遗传物质由供体菌进入某受体菌细胞内，
并与受体菌DNA整合在一起，使受体菌获得供体菌某 些特性的过程。
第四章 细菌的遗传与变异
遗传性变异（基因型变异） 非遗传性变异（表型变异）
一、细菌变异的现象
（一）形态结构的变异
1. L型变异 3. 芽胞的变异
2. 荚膜的变异 4. （H—O变异）
（二）菌落变异（S-R变异）
（三）毒力变异
（四）耐药性变异
二、细菌的遗传物质（基因组） （一）染色体 （二）质粒（plasmid） 含义：是细菌染色体以外的遗传物质，为
普遍性转导
局限性转导
——所转导的DNA片段 是供体菌染色体上特定 基因。
4. 溶原性转换(lysogenic conversion)
当温和噬菌体感染细 菌时，噬菌体基因整 合到宿主菌染色体上， 使其成为溶原性细菌， 而使细菌获得由噬菌 体基因编码的性状。
无毒白喉杆菌——感 染了β棒状杆菌噬菌 体后——有毒白喉杆 菌——可以产生白喉 外毒素而致病。
四. 细菌遗传变异的实际意义
❖ 在疾病的诊断、治疗与预防中的作用； ❖ 在测定致癌物质中的应用； ❖ 在流行病学分析方面的应用； ❖ 在基因工程中的应用。
思考题：
质粒？特征？ 基因转移重组的方式？特点？
闭合环状的双链DNA，存在于胞质中。
特性：1. 具有自我复制的能力 2. 可编码细菌某些性状特征 3. 可自行丢失与消除 4. 具有可转移性 5. 分为相容性和不相容性两种
3细菌的遗传和变异
病原生物学Pathogen Biology第三章细菌的遗传和变异概述•遗传（heredity）是指生物子代与亲代之间的性状相同性；•变异（variation）则是指生物子代与亲代之间性状的差异性。
–遗传性变异(基因型变异),是不可逆的，产生的新性状可稳定的遗传给子代–非遗传性变异(表型变异),不能遗传。
•遗传使细菌的种属性状相对稳定,变异可使细菌产生变种和新种。
一、细菌的遗传物质(Genetic materials of bacteria)1.染色体(chromosome)2.质粒(plasmid)3.前噬菌体(prophage)4.转座子(transposon, Tn)真核和原核生物染色体的区别*霍乱弧菌有两条染色体，大的含2961146bp，小的含1072314bp*细菌rRNA编码基因是多拷贝以装备大量核糖体满足细菌生长需求真核和原核生物染色体的区别操纵子（operon）：指包含结构基因、操纵基因以及启动基因等相邻基因组成的DNA片段，其中结构基因的表达受到操纵基因的调控。
主要见于原核生物，其大多数基因表达调控是通过操纵子机制实现的。
第二节细菌遗传变异的物质基础基因组：染色体和染色体外遗传物质质粒转位因子一条环状双螺旋DNA长链,反复卷曲缠绕形成松散的网状结构,外无核膜包裹,仅附着在横隔中介体上或细胞膜上.1. 细菌的染色体(Bacterial chromosome)1.1 多种形式•一条环状双链DNA：大多数（>90%）细菌，大小范围在580kbp～5220kbp之间•两条环状dsDNA：少数细菌（如霍乱弧菌，问号钩端螺旋体，马耳他布鲁菌）•三条环状dsDNA：paracoccusdernitrificans•线性dsDNA：疏螺旋体属（Borrella）伯氏疏螺旋体、迦氏疏螺旋体、埃氏疏螺旋体和radyrhizobiunjaponicum 等1. 细菌的染色体(Bacterial chromosome)1.2 染色体上有耐药基因(drug resistance gene)和致病岛(pathogenicity island)的存在，细菌种内和种间可交换pathogenic island：指菌基因组中编码与细菌毒力相关因子的外源DNA（1～200kb），两侧有重复序列、插入序列或tRNA。
细菌的遗传和变异
毒性噬菌体（virulent phage）
– 能在宿主菌细胞内复制增殖，产生许多子代噬 菌体，并最终裂解细菌，称为毒性噬菌体
温和噬菌体（temperate phage）/ 溶原性噬菌体（lysogenic phage）
– 噬菌体基因与宿主菌染色体整合，不产生子代 噬菌体，但噬菌体DNA能随细菌DNA复制，并 随细菌的分裂而传代
牛分枝杆菌
卡介苗
13年(230代)
.
7
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 1946年对青霉素的耐药率 14%，目前超过80%
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。
含链霉素培基
痢疾杆菌
依链株
长期培养
.
8
菌落变异
在陈旧培养基中长期培养
突变与选择 突变是随机的、不定向的，外界环境 不能决定突变，只能对突变进行选择。
以耐药突变体为例
实验：影印试验
说明：耐药突变株在接触药物之前出现，药物的作 用是选择耐药株，淘汰敏感株
结论：细菌基因突变产生耐药性，与抗生素的使用 无关
具有相对稳定性；
可发生回复突变
.
36
突变与选择证明实验
影印培养 replica plating (Lederberg 1952)
IS Resistance Gene(s) IS
Tn 转座噬菌体或前噬菌体 – 是一些具有转座功能的溶原性噬菌体，当整合到细菌染色体
上，能改变溶原性细菌的某些生物学性状。
.
32
转座子的特征
转座子 Tn1 Tn2 Tn3
Tn4 Tn5 Tn6 Tn7 Tn9 Tn10 tn551 Tn971 Tn1681
– 能在宿主菌细胞内复制增殖，产生许多子代噬 菌体，并最终裂解细菌，称为毒性噬菌体
温和噬菌体（temperate phage）/ 溶原性噬菌体（lysogenic phage）
– 噬菌体基因与宿主菌染色体整合，不产生子代 噬菌体，但噬菌体DNA能随细菌DNA复制，并 随细菌的分裂而传代
牛分枝杆菌
卡介苗
13年(230代)
.
7
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 1946年对青霉素的耐药率 14%，目前超过80%
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。
含链霉素培基
痢疾杆菌
依链株
长期培养
.
8
菌落变异
在陈旧培养基中长期培养
突变与选择 突变是随机的、不定向的，外界环境 不能决定突变，只能对突变进行选择。
以耐药突变体为例
实验：影印试验
说明：耐药突变株在接触药物之前出现，药物的作 用是选择耐药株，淘汰敏感株
结论：细菌基因突变产生耐药性，与抗生素的使用 无关
具有相对稳定性；
可发生回复突变
.
36
突变与选择证明实验
影印培养 replica plating (Lederberg 1952)
IS Resistance Gene(s) IS
Tn 转座噬菌体或前噬菌体 – 是一些具有转座功能的溶原性噬菌体，当整合到细菌染色体
上，能改变溶原性细菌的某些生物学性状。
.
32
转座子的特征
转座子 Tn1 Tn2 Tn3
Tn4 Tn5 Tn6 Tn7 Tn9 Tn10 tn551 Tn971 Tn1681
细菌的遗传与变异
菌可获得F质粒而成为F+菌。
F+菌
F-菌
F+菌 F-菌
F+菌
F+菌
F质粒的接合
F＋
F-
F＋
F＋
高频重组菌（high frequency recombinant， Hfr菌）：整合后的细菌能高效地转移染色体上 的基因
Hfr
F-
Hfr
F-
Hfr
F-
Hfr
F-
F+ 菌 （性菌毛）
F’菌 F+ 菌
F 质粒 雄性菌： Hfr菌
（5）大多编码顺序则不重叠 （6）结构基因是单拷贝，rRNA是多拷贝 （7）具有各种功能的识别区域 功能（function)： – 细菌的主要遗传物质 – 决定细菌的基因型 – 为细菌生命活动所必需
毒力岛（pathogenicity island, PAI）
毒力岛：指病原菌的某个或菌体
前噬菌体
噬菌体的基本特性 噬菌体(bacteriophage, phage): 是感染细菌、真菌、放线菌或螺旋体等微生物的病毒. 噬菌体
细菌细胞
噬菌体的特点：
1、个体微小、可以通过滤器；
2、没有完整的细胞结构，主要由蛋 白质构成的衣壳和包含于其中的核酸组 成； 3、只能在活的微生物细胞内复制增
有荚膜的肺炎球菌
无荚膜的肺炎球菌
2、毒力变异
细菌的毒力变异包括其毒力的增强与减弱，如
白喉毒素的产生及卡介苗的获得均为细菌毒力变异 的结果。 3、耐药性变异 细菌对某种抗菌药物由敏感变成耐药的变异称耐 药性变异，这种变异给临床治疗带来很大的困难，并 成为当今医学上的重要问题。
4、菌落变异 细菌的菌落由S型变异为R型多见，且常伴随细菌理
细菌的遗传与变异
质粒
1、结构 2、特征 3、类型
质粒的结构
环状双链DNA 大质粒：含几百个基因 小质粒：含几十个基因
质粒的特征
自主性 表现性 非必须性 转移性 相容性与不相容性
质粒的类型
致育质粒（fertility plasmid，F质粒） 耐药质粒（resistance plasmid，R质粒） 毒力质粒（virulence plasmid，Vi质粒） 细菌素质粒 代谢相关质粒
吸附 成熟、释放
穿入 生物合成
毒性噬菌体的溶菌性周期
前噬菌体
温和噬菌体的溶源性周期
温和噬菌体的溶菌性周期
转位因子
1、插入序列 2、转座子 3、转座噬菌体
转座子的种类与特征
转座子 Tn1 Tn2 Tn3
Tn4 Tn5 Tn6 Tn7 Tn9 Tn10 Tn551 Tn971 Tn1681
携带耐药或毒素基因 AP（氨苄青霉素）
基因的重组
转移后基因在新位置上与原有 DNA整合的过程
本章小结
1、细菌变异的概念与类型 2、细菌变异的遗传学基础 3、噬菌体的结构与类型 4、细菌基因变异的机制 5、细菌间基因转移与重组的方式
R-决定子
R质粒的构成
噬菌体
1、形态与结构 2、增殖过程 3、类型
噬菌体 (电镜图）
噬菌体 (模式图）
头部
尾领 尾鞘 尾板
尾部
尾刺 尾丝 尾髓
噬菌体结构示意图
成熟 释放
吸附
生物 合成
穿入
噬菌体的增殖过程
噬菌体的类型
毒性噬菌体（virulent phage） ——溶菌性噬菌体
温和噬菌体（temperate phage） ——溶原性噬菌体
细菌的遗传变异
致育性和抗药性导致它们成为传染性抗药 因子
3.转座因子
概念:是细菌基因组中能改变自身位置的 一段DNA序列，这种转座作用可以发生 在同一染色体上，也可在染色体之间或 质粒之间，甚至在染色体和质粒之间
种类
⑴ 插入序列（insertion sequence，IS）：
为最简单的或序列较短的Tn，只含与转
F+ 菌 F+ 菌
F- 菌 F+ 菌
F质粒留在供体细胞的一 条链进行复制并形成互 补链
❖F质粒的接合
F＋
F-
F＋
F＋
高频重组菌（high frequency recombinant，Hfr菌）：整合后的细 菌能高效地转移染色体上的基因。
（四）毒力变异
减低
13年230代
牛型结核杆菌
BCG
预防结核
增强
β棒状杆菌噬菌体
白喉杆菌
产白喉毒素
白喉
（五）耐药性变异
耐药性：细菌对某种抗菌药物从敏感变 得不敏感。
如：金葡、肺炎球菌、淋球菌、
肠道杆菌、结核杆菌
第一节 细菌的遗传物质
细菌染色体：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， 附着在横隔中介体或细胞膜上。
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
Ⅲ S型菌
＋
＋
ⅡR型菌
－
R型菌落 ＋
毒力 ＋ －
小鼠体内肺炎球菌转化试验
③机制：感受态受体菌摄取同源DNA 后发生重组
DNA受体
重组
吸附
摄入
+
突变株
3.转座因子
概念:是细菌基因组中能改变自身位置的 一段DNA序列，这种转座作用可以发生 在同一染色体上，也可在染色体之间或 质粒之间，甚至在染色体和质粒之间
种类
⑴ 插入序列（insertion sequence，IS）：
为最简单的或序列较短的Tn，只含与转
F+ 菌 F+ 菌
F- 菌 F+ 菌
F质粒留在供体细胞的一 条链进行复制并形成互 补链
❖F质粒的接合
F＋
F-
F＋
F＋
高频重组菌（high frequency recombinant，Hfr菌）：整合后的细 菌能高效地转移染色体上的基因。
（四）毒力变异
减低
13年230代
牛型结核杆菌
BCG
预防结核
增强
β棒状杆菌噬菌体
白喉杆菌
产白喉毒素
白喉
（五）耐药性变异
耐药性：细菌对某种抗菌药物从敏感变 得不敏感。
如：金葡、肺炎球菌、淋球菌、
肠道杆菌、结核杆菌
第一节 细菌的遗传物质
细菌染色体：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， 附着在横隔中介体或细胞膜上。
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
Ⅲ S型菌
＋
＋
ⅡR型菌
－
R型菌落 ＋
毒力 ＋ －
小鼠体内肺炎球菌转化试验
③机制：感受态受体菌摄取同源DNA 后发生重组
DNA受体
重组
吸附
摄入
+
突变株
03.细菌的遗传与变异
有的有多重耐药药性，如结核分枝杆菌。
有的甚 至变成对抗生依赖株，如痢疾志贺菌链霉素 依赖株，离开链霉素不能生长。
(四)
抗原变异
肠道杆菌细胞壁多糖重复单位，为O抗原，具有属的特异性 鞭毛的主要抗原为蛋白质，为H抗原，具有种的特异性 由于O或H抗原的改变，其种属的特异性也就相应发生改变
(五)
菌落变异
小鼠体内肺炎链球菌的转化试验
（ 2 ）接合：是供体菌通过性菌毛相互沟通，将供体菌
的遗传物质（质粒）转移给受体菌
质粒有接合性质粒和非接合性质粒两种，接合性质粒 有F质粒、R质粒、Col质粒、毒力质粒等
* F质粒的接合：
有F质粒的细菌为雄性菌（F+ 菌），无F质粒为雌性菌 （F-菌）。接合时F+菌的性菌毛末端与F-菌表面受体结合， F+菌的F质粒中的一条DNA进入F-菌体内，两菌内的单股DNA 链进行复制合成互补股，各自形成完整的F质粒，于是原来
如大肠埃希菌质粒编码的耐热性肠毒素(ST)和不耐热
性肠毒素(LT) 细菌素质粒 编码各种细菌素,如大肠埃希菌Col质粒
编码的大肠菌素 代谢质粒 编码产生各种相关的代谢酶,如沙门菌发酵
乳糖的能力是质粒编码
（三）转位因子
转位因子是存在于细菌染色体或质粒DNA分子上的一 段特异性核苷酸序列片段，它能在DNA分子中移动，是细
菌体内可移动的遗传物质
转位因子主要有插入序列、转座子和转座噬菌体
⑴ 插入序列 (IS) 是最小的转位因子，<2000kb,不带有使细菌表现任 何性状的基因，只编码转移位置时所需要的转座酶，往 往与插入点基因共同起作用，可能是原细胞代谢的调节 开关之一
⑵ 转座子 (Tn) 2000-25000kb,不仅携带转位基因还携带耐药基因、 毒素基因、抗金属基因等其他结构基因，当其插入到某 一基因时，可引起两种结果，一方面可引起插入基因灭 活产生基因突变，另一方面因带入耐药基因而使细菌获 得耐药性。转座子可与细菌多重耐药有关
3细菌的遗传、变异思维导图
细菌的遗传、变异变异现象①形态结构：失去鞭毛→H-O变异②毒力~：卡介苗（BCG）③抗原性~：沙门氏菌属 H抗原④菌落~：S-R变异→失去LPS⑤酶活性~：大肠埃希氏菌→不发酵乳糖⑥耐药性~：痢疾志贺氏菌→依赖链霉素噬菌体（bacteriophage）感染细菌、真菌、放射菌或螺旋体等微生物的病毒毒性噬菌体（virulent phage）能在宿主细胞内复制增殖，最终使宿主菌裂解的噬菌体溶菌性周期/复制周期：噬菌体吸附宿主菌至裂解释放出子代噬菌体的过程温和/溶原性噬菌体（temperate/lysogenic phage）感染宿主菌后，将基因整合于宿主菌染色体中，随着宿主菌基因组的复制而复制，并随细菌的分裂而传代的噬菌体溶源性周期+溶菌性周期前噬菌体(prophage)整合在细菌染色体上的噬菌体基因溶原性细菌(lysogenicbacterium)染色体上带有前噬菌体的细菌应用①细菌的鉴定、分型②未知细菌的检测遗传物质染色体致病岛pathogenic island,PAI)致病菌基因组中编码与细菌毒力因子相关因子的外源DNA片段G+C百分比、密码子使用偏向性质粒（plasmid）细菌染色体外的遗传物质，存在细胞质中，具有独立复制能力的环状闭合或线性dsDNA基本特征①具有自我复制的能力：拷贝数低→紧密型质粒；拷贝数高→松弛型质粒②质粒携带的遗传信息可赋予宿主菌某些特性③可自行丢失、消除④具有转移性：接合、转化、转导⑤相容性与不相容性分类F/致育质粒（fertility plasmid）编码性菌毛，接合耐药性质粒(resistance plasmid)结合性耐药质粒R质粒(Rfactor)耐药传递因子 RTF耐药决定因子 r-det非结合性耐药质粒毒力质粒（virulence plasmid）编码细菌致病性相关毒力因子ST（Ent）质粒→大肠埃希氏菌耐热性肠毒素细菌素质粒Col质粒→大肠埃希氏菌的大肠菌素代谢质粒噬菌体基因组转位因子/跳跃基因(transposable element)可在细菌或其他生物的基因组中改变自身位置的独特DNA序列插入序列(insertion sequence,IS)细菌中最简单的转位因子，不携带与转位无关的基因转座子(transponson,Tn)携带与转位无关的其他特殊功能基因（耐药性基因~）整合子(integron,In)捕获外源性基因，多种耐药基因细菌变异机制基因突变自发突变、诱发突变自发突变率：10^-10~10^-6回复突变、抑制突变回复突变(reverse mutation)突变株经又一次突变可恢复为野生型的性状表型的回复基因转移、重组转化（transformation）受体菌直接摄取供体菌游离的DNA片段而获得新的遗传性状的过程。
细菌遗传变异
毒力↓ ：BCG（卡介苗）
胆汁、甘油、马铃薯培养基
牛分枝杆菌
卡介苗
13年(230代)
毒力↑ ：白喉杆菌溶原化
3.耐药性变异: (Drug-resistance)
细菌对某种抗菌药物由敏感变成耐药的变异。
• 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90%。
• 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。
普遍性转导（generalized transduction)
毒性噬菌体，温和噬菌体 包装错误：
任何部位细菌DNA片段 转导性噬菌体：
供体菌DNA误装入噬菌体
受菌接受转导噬菌体(供菌)DNA 受菌获得供菌性状
普遍性转导中外源DNA的结果
1.完全转导： 供体菌的DNA与受体菌染色体重组，
随染色体复制而随之传代
2.流产转导(abortive transduction): 供体菌的DNA与受体菌染色体不能
进行重组,转导的片断不能自身复制，也 不能传代
局限性转导(restricted transduction)
温和性噬菌体介导
--- 前噬菌体从宿主菌染色体上脱落时发 生偏差,将前噬菌体两侧的宿主染色体基因转 移到受体菌,使受体菌遗传发生改变的过程.
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
五、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
F
细菌的遗传与变异
35
• 细菌耐药性形成的主要方式是（ E ） A．转换 B．转化 C．转导 D．溶原性状态 E．接合
36
• 编码不细菌致病性有关的质粒是（ D ） A．F质粒 B．R质粒 C．Col质粒
D．Vi质粒E．F′质粒
下列哪种丌是细菌基因转移不重组的方式： （ Ａ ） A．整合B．接合C．溶原性转换D．转化E．转导
10
转座子Tn （transposon）
– ＞2kb，除携带不转位有关的基因外，还携带
耐药性基因、抗金属基因、毒素基因及其他结
构基因。 – 可能不细菌的多重耐药性有关。
11
4.整合子
位于染色体和质粒戒转座子上，自身丌
能移动，但能捕获和整合外源性基因。 基本结构：两端的保守末端和中间的 可变区，可变区含有基因盒。
12
第二节 基因的转移和重组
基因转移： 外源性的遗传物质由供体菌转入受体
菌细胞内的过程。
基因重组： 转移的外源性遗传物质不受体菌DNA 整合在一起，产生新的核苷酸排列顺 序的过程。
13
转化 接合 转导
溶原性转换
原生质体融合
14
一、转化（transformation）
小鼠体内肺炎链球菌转化试验
33
• BCG是有毒牛型分枝杆菌经何种变异而来的（ A） A．失去毒力的变异 B．失去荚膜的变异 C．失去鞭毛的变异 D．失去芽胞的变异 E．失去细胞壁的变异
34
• 细菌遗传的物质基础是（
E ）
A．染色体、核糖体、质粒、整合子 B．染色体、质粒、转座因子、转座子 C．染色体、中介体、转座子、整合子 D．染色体、核糖体、中介体、转座子 E．染色体、质粒、整合子、转座因子
筛选作用。
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炭疽杆菌
42-43℃ 10-20天
失去形成芽胞能力, 毒性降低
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菌落变异
在陈旧培养基中长期培养 粗糙型菌落（Ｒ） 光滑型菌落（Ｓ） 失去LPS的特异多糖
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毒力变异
牛分枝杆菌
胆汁、甘油、马铃薯培养基 13年(230代) 卡介苗 （毒力减弱）
白喉棒状杆菌
β棒状噬菌体
获得白喉毒素
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转位因子
是存在于细菌染色体或质粒DNA分子上 的一段特异性核苷酸序列片段，它能在 DNA分子中移动，不断改变它们在基因 组的位置，能从一个基因组转移到另一 个基因组中。
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插入序列
是最小的转位因子，＜2kb，不携带任何已 知与插入功能无关的基因区域
转座子 ＞2kb，除携带与转位有关的基因外，还携带耐 药性基因、抗金属基因、毒素基因及其他结构基 因。 可能与细菌的多重耐药性有关。
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供体菌
噬菌体DNA
受体菌
细菌DNA
转导噬菌体
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结果
完全转导
整合
流产转导
未整合
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局限性转导
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。
（毒力增强）
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 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。 含链霉素培基 痢疾杆菌 依链株 长期培养
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细菌遗传变异的物质基础
基因组：染色体 染色体外遗传物质
质粒 转位因子
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普遍性转导
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。
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转座子的特征
转座子 Tn1 Tn2 Tn3
Tn4 Tn5 Tn6 Tn7 Tn9 Tn10 tn551 Tn971 Tn1681
携带耐药或毒素基因 AP（氨苄青霉素）
AP、SM（链霉素）、Su（磺胺） Km（卡那霉素） Km
TMP（甲氧苄氨嘧啶）、SM Cm（氯霉素） Tc（四环素） Em（红霉素） Em
细菌遗传变异的实际意义
在疾病的诊断、治疗与预防中的应用 在测定致癌物质中的应用 在流行病学中的应用 在基因工程中的应用
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在疾病的诊断、治疗与预防中的应用
形态、结构、染色性、生化特性、抗原性及 毒力等方面的变异，使得诊断复杂化 耐药菌株日益增多，预防耐药性 药敏实验 早期足量 要有一定疗程,联合用药 不要滥用 减毒菌株和无毒株可制备成疫苗
大肠埃希菌（肠毒素基因）
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转座噬菌体或前噬菌体 是一些具有转座功能的溶原性噬菌体， 当整合到细菌染色体上，能改变溶原 性细菌的某些生物学性状。
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细菌的变异机制
基因的突变和损伤后修复 基因的转移和重组
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基因的转移和重组
基因转移 外源性的遗传物质由供体菌转入某受体菌 细胞的过程称为基因转移。 重组 转移的基因与受体菌DNA整合在一起称为 重组，使受体菌获得供体菌的某些性状。 细菌的基因转移和重组可通过转化、接合、 转导、溶原性转换和原生质体融合等方式进 行。
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F质粒的接合
Donor
F+
F+
F-
F+
F-
Recipient
F+
F+
F+
F+
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R质粒
耐药传递因子 与F质粒相似，编码性菌毛的产生和通 过接合转移 耐药（r）决定子
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转导
以温和噬菌体为载体，将供体菌的一段 DNA转移到受体菌内，使受体菌获得新 的性状。 普遍性转导 局限性转导
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局限性转导
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普遍性转导与局限性转导的区别
区别要点 普遍性转导 局限性转导
溶原期 基因转导发生的时期 裂解期 转导的遗传物质 转导的后果
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 导 受体菌的10-7 受体菌获得供体菌 DNA特定部位的遗 传特性 转导频率较普遍转 导增加1000倍(10-4)
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转化
供体菌裂解游离的DNA片段被受体菌直接 摄取，使受体菌获得新的性状。
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转化试验
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转化因子在转化 过程中，转化的 DNA片段称为转 化因子 ，分子量 小于107，最多不 超过10~20个基因。 感受态
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接合
细菌通过性菌毛相互连接沟通，将遗传 物质（主要是质粒DNA）从供体菌转移 给受体菌。 接合性质粒：能通过接合方式转移的质 粒称为接合性质粒，F质粒、R质粒、 Col质粒和毒力质粒等。
细菌的遗传和变异
细菌遗传变异类型 遗传型变异（基因型变异） 非遗传型变异（表型变异） 遗传性变异 + + 个别细胞 非遗传性变异 + + 群体
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基因改变 遗传 可逆性 外界环境 变异幅度
形态结构变异
鼠疫耶尔森菌 3-6%食盐 陈旧培基物 多形态性
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青霉素、溶菌酶 正常形态细菌 抗体或补体 L型变异
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质粒
细菌染色体外的遗传物质，是环状闭合的 双链DNA。带有遗传性息，能自行复制， 随细菌分裂转移到子代细胞，并非细菌生 长所必需。 特征 自我复制能力 编码产物赋予细菌某些性状特征 可自行丢失与消除 转移性 相容性和不相容性
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几种重要的质粒 致育质粒（F质粒） 耐药质粒 毒力质粒（Vi质粒） 细菌素质粒 代谢质粒
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转导频率
溶原性转换
当噬菌体感染细菌时，宿主菌染色体中获得了噬 菌体的DNA片段，使其成为溶原状态时而致细菌 获得新的性状。
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基因转移重组类型 转化 接合 转导 溶原性转换
基因来源 供体菌 供体菌 供体菌 噬菌体
转移方式 直接摄取 性菌毛 噬菌体为载体 整合
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