细菌的遗传和变异
第五章细菌的遗传与变异
第5章细菌的遗传与变异遗传与变异是所有生物的一起生命特点。
细菌亦是一种生物，其形态结构、生理代谢、致病性、耐药性、抗原性等性状都是由细菌的遗传物质所决定。
遗传（heredity）使细菌的性状维持相对稳固，且代代相传，使其种属得以保留。
另者在必然条件下，假设子代与亲代之间和子代与子代之间的生物学性状显现不同称变异（variation）。
变异可使细菌产生新变种,变种的新特性靠遗传得以巩固，并使物种得以进展与进化。
细菌的变异分为遗传性与非遗传性变异，前者是细菌的基因结构发生了改变，如基因突变或基因转移与重组等，故又称基因型变异；后者是细菌在必然的环境条件阻碍下产生的变异，其基因结构未改变，称为表型变异。
基因型变异样发生于个别的细菌，不受环境因素的阻碍，变异发生后是不可逆的，产生的新性状可稳固的遗传给后代。
相反，表型变异易受到环境因素的阻碍，凡在此环境因素作用下的所有细菌都显现变异，而且当环境中的阻碍因素去除后，变异的性状又可恢复，表型变异不能遗传。
第一节细菌的变异现象一、形态结构的变异细菌的大小和形态在不同的生长时期可不同，生长进程中受外界环境条件的阻碍也可发生变异。
如鼠疫耶尔森菌在陈腐的培育物或含30g/L NaCl的培育基上，形态可从典型的两极浓染的椭圆形小杆菌变成多形态性，如球形、酵母样形、亚铃形等。
又如许多细菌在青霉素、免疫血清、补体和溶菌酶等因素阻碍下，细胞壁合成受阻，成为细胞壁缺点型细菌（细菌L型变异），L型的革兰染色多为阴性，呈球形、长丝状或多形态性，在含血清的高渗低琼脂培育基（含20％血清、5％NaCl、%琼脂）上能缓慢生长，形成中央厚而周围薄的荷包蛋样小菌落。
细菌的一些特殊结构，如荚膜、芽胞、鞭毛等也可发生变异。
肺炎链球菌在机体内或在含有血清的培育基中初分离时可形成荚膜，致病性强，经传代培育后荚膜慢慢消失，致病性也随之减弱。
将有芽胞的炭疽芽胞杆菌在42℃培育10～20d后，可失去形成芽胞的能力，同时毒力也会相应减弱。
05细菌的遗传与变异
分类： （1） 插入序列（IS） 最简单的或序列较短的转座子（长度 <2kbp），仅携带自身转座所需酶及蛋白的 基因。 存在于多种细菌的染色体或质粒中。
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（2）转座子或复合转座子
序列长度一般超过2kbp，除携带与转 座有关的基因外，还携带其他特殊功能 的基因（耐药性基因、重金属抗性基因、 肠毒素基因和其他结构基因等）。
聚乙二醇 原生质体融合
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小结： 细菌－细菌
转化：供－受（直接） 接合：供－受（性菌毛） 转导：供－受（噬菌体） 原生质体融合：原－原（PEG）
噬菌体－细菌 溶原性转换（前噬菌体）
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第四节 基因突变
概念 细菌遗传物质的结构发生突然而稳定的
改变，是DNA序列的永久性变化。（不考虑 细菌表型是否有可察觉的改变）
整合后的细菌有可能提高转移染色体基因的频率，
故称高频重组株（Hfr）。
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Hfr接合F-菌→F- 菌→F-菌（很难获完整F质粒）
质粒
切开
Hfr与F-菌的接合
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从Hfr菌中染色体上脱离下来的F质粒有时会携 带相邻的染色体基因或DNA片段，称为F’质粒 （该菌被称为F’菌）。
F+菌、Hfr、F’菌都有性菌毛，均可通过接 合方式进行基因的转移。
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基因重组： 被转移的基因在受体菌胞质中能自行复制
与表达，或与受体菌DNA整合在一起 —— 基因重组
基因重组使受体菌获得供体菌的某些特性。
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重组：
同源重组：发生在紧密相关的DNA之间。 非同源重组：发生在无关的DNA之间。
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1.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
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
细菌的遗传与变异
第4章细菌的遗传与变异遗传与变异是所有生物的共同生命特征，细菌也不例外。
细菌在一定的环境中生长繁殖，通过DNA的复制，将亲代的各种性状稳定地传给子代，使种属保持原有的性状，这就是细菌的遗传（heredity）。
而变异（variation）是指在细菌繁殖过程中，由于外界环境条件发生变化或细菌的遗传物质本身发生改变，导致细菌的生物学性状发生相应的变化。
变异可使细菌产生新变种，变种的新特性靠遗传得以巩固，并使物种得以发展与进化。
细菌细胞在某一特定时间表现出来的生物学性状称为表型（phenotype），这些性状不仅取决于细菌的基因组（基因型，genotype），还与环境密切相关。
针对环境的变化，细菌某些基因的表达在转录、翻译水平会发生明显的改变，从而使细菌的生物学形状发生了变化，这称为表型变异（phenotypic variation）。
例如鼠疫耶氏菌有毒株含有一个大质粒pYV，是该细菌产生毒力的重要因素，但其表达在环境温度为25℃时被抑制，而37℃低钙条件则诱导其表达。
又如，将有鞭毛的普通变形杆菌点种在普通营养琼脂平板上，细菌呈迁徙生长，若将此菌点种在含0.1％石碳酸的培养基上，细菌产生鞭毛的能力被抑制，只能在点种处形成不向外扩展的单个菌落，此变异是可逆的。
这种变异与基因型突变（genotypic mutation）不同：基因型突变是可以遗传的，不受环境条件改变的影响，而表型变异是可逆的，并随着环境的改变而发生变化。
表型变异不属于突变的范畴。
第一节细菌遗传变异的物质基础－细菌基因组细菌的遗传物质是DNA，遗传信息由DNA构成的特定基因来传递。
细菌的基因组是指由细菌染色体和染色体以外的遗传物质所携带基因的总称。
染色体外的遗传物质包括质粒、转座子和前噬菌体。
（一）细菌染色体细菌的染色体大都为双链DNA分子组成的封闭的环，缺乏组蛋白，外无核膜包围，长度从250µm到35000µm不等，包含580kb至超过4600kb的DNA。
细菌的遗传与变异
2.质粒的分类 质粒的分类
1）能否通过细菌的接合作用进行转移 ） 接合性质粒 非接合性质粒 2）质粒在宿主菌内拷贝数的多少 ） 严紧型质粒 松弛型质粒 3）质粒的相容与不相容性 两种结构相似、密切相关的质粒不能稳定共存于一个 两种结构相似、 宿主菌； 结构相差较大、 宿主菌 ； 结构相差较大 、 互不相干的质粒可以共存于 同一个菌体。 同一个菌体。 4）质粒的来源不同 ） 天然质粒 人工构建质粒
第六章 细菌的遗传变异
主要内容
一、细菌的遗传物质 （一）细菌的染色体 （二）染色体以外的遗传物质 二、基因突变 （一）细菌变异的类型 （二）细菌变异的机制 三、细菌遗传变异的实际应用
细菌的遗传 细菌的遗传 细菌的变异 细菌的变异 细菌变异的分类 细菌变异的分类
第一节
一、基因组
细菌遗传的物质基础
氨基酸数目的 增加或减少
AAA C
ATG CAC CTT CTT ATA AAA ACC GAA TAA 甲硫 组 甲硫 组 亮 亮 亮 亮 异亮 赖 赖 组 苏 赖 谷 天冬 精 异亮
移码突变
异常蛋白质
ATG CAC CTC CTT AAA CAT AAA AAC CGA ATA A
3）碱基的互变异构 ） 四种碱基均可发生互变异构，引起互补碱基的改变。 四种碱基均可发生互变异构，引起互补碱基的改变。 T(酮基型）——A 酮基型） 酮基型 T(烯醇型）——G 烯醇型） 烯醇型
一、细菌变异类型
1.形态变异 形态变异 （1）自然形成或诱导产生的细菌 型。 ）自然形成或诱导产生的细菌L型 （2）病原菌在特定的动物组织器官中，可发生形态结 ）病原菌在特定的动物组织器官中， 构变异 2.结构和抗原性变异。 结构和抗原性变异。 结构和抗原性变异 鞭毛变异。 （1）荚膜变异。（2）芽孢变异。（3)鞭毛变异。 ）荚膜变异。 ）芽孢变异。 鞭毛变异 H-O变异 ： 有鞭毛能运动的细菌丧失鞭毛形成能力的 变异： 变异 变异称 3.培养性状的变异 S-R变异；R-S 变异 变异； 培养性状的变异 变异 4.毒力变异 毒力变异 5.生化性状变异 生化性状变异 （1）营养缺陷型变异（2）诱导酶产生。（3）终末产 ）营养缺陷型变异（ ）诱导酶产生。 ） 物阻遏。6.耐药性变异 物阻遏。 耐药性变异
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。
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– 可能与细菌的多重耐药性有关。
IS Resistance Gene(s) IS
Tn
转座子的特征 资料仅供参考,不当之处，请联系改正。
转座子 Tn1 Tn2 Tn3
Tn4 Tn5 Tn6 Tn7 Tn9 Tn10 Tn551 Tn971 Tn1681
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细菌的变异机制
基因的突变 基因的转移和重组
资料仅供参考,不当之处，请联系改正。
影印试验(replica plating)
基因的转移和重组 资料仅供参考,不当之处，请联系改正。
基因转移（gene transfer）
– 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。
资料仅供参考,不当之处，请联系改正。
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
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细菌的变异现象
形态、结构变异 毒力变异 耐药性变异 菌落变异
资料仅供参考,不当之处，请联系改正。
资料仅供参考A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。
资料仅供参考,不当之处，请联系改正。
插入序列（insertion sequence,IS） – 是最小的转位因子，＜2kb。 转座子（transposon,Tn）
异
资料仅供参考,不当之处，请联系改正。
毒力变异
增强
β棒状噬菌体
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
卡介苗
13年(230代)
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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。
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1. 转化(transformation):供体菌裂解游离的
DNA片段转入某受体菌细胞内的过程。
2. 接合(conjugation) 资料仅供参考,不当之处，请联系改正。
接合： 是细菌通过性菌毛将 遗传物质（主要是质 粒DNA）从供体菌转 移给受体菌。能通过 接合方式转移的质粒 称为接合性质粒。
结果
完全转导
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整合
流产转导
未整合
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细菌染色体外的遗传物质， 是环状闭合的双链DNA。 带有遗传信息，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 – 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（R质粒） – 毒力质粒（Vi质粒） – 细菌素质粒（Col质粒） – 代谢质粒
含链霉素培基
痢疾杆菌
依链株
长期培养
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菌落变异
在陈旧培养基中长期培养
光滑型菌落
粗糙型菌落
S
R
原因：失去LPS的特异多糖
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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
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质粒（plasmid）
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转导（transduction）
以噬菌体为载体，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（generalized transduction） – 局限性转导（restricted transduction）
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R质粒的接合
➢ 细菌的耐药性与耐药性的基因突变及R质粒的接 合转移等有关。
➢ R质粒有耐药传递因子(RTF)和耐药决定子(r)两部 分组成。RTF的功能与F质粒相似，可编码性菌毛 的产生和通过接合转移；R决定子能编码对抗菌 药物的耐药性。
形态结构变异
3-6%食盐
鼠疫耶氏菌
多形态性
陈旧培基物
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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
(部分或完全失去胞壁)
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特殊结构的变异
42-43℃
炭疽杆菌
失去形成芽胞能力, 毒性降低
10-20天
变形杆菌 0.1%石炭酸 迁徙生长（H） 鞭毛变 点状生长、单个菌落（O）
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 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。
重组（ recombination）
– 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。
资料仅供参考,不当之处，请联系改正。
转化（transformation）
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。
资料仅供参考,不当之处，请联系改正。
普遍性转导( generalized transduction)
供体菌
噬菌体DNA
受体菌
细菌DNA
转导噬菌体
资料仅供参考,不当之处，请联系改正。
普遍性转导 generalized transduction
前噬菌体从溶原菌染色体上脱离 增殖时噬菌体的DNA大量复制，装配时可能发生错 误 转导噬菌体能以正常方式感染另一宿主菌，将其头 部的供体菌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。