1、细菌的遗传与变异,“穷则变，变则通，通则久。”易经,“我命在我，不在于天。” （庄子）,一、细菌遗传的物质基础 二、细菌的基因突变 三、细菌的基因转移与重组 四、基因工程菌株的构建 五、微生物基因组学,细菌的遗传与变异,1、染色体（chromosome）,细菌染色体：为裸露的闭合环状的双链DNA分子，有核蛋白，缺乏组蛋白，无核膜包裹。,一、细菌遗传的物质基础,一、细菌遗传的物质基础,乳糖操纵子,（2）编码相关功能的基因组成操纵子结构，自一个启动子开始转录成多顺反子mRNA，翻译成多种功能相关的蛋白质。,细菌基因组结构的主要特征,（1）遗传信息是连续的，不含内含子。很少有重复序列。,2、质粒（p
2、lasmid）,一、细菌遗传的物质基础, 是细菌染色体外的遗传物质, 大多为闭合环状双链DNA,质粒DNA的特征,一、细菌遗传的物质基础, 所携带的基因赋予宿主菌某些生物学 性状（F质粒、R质粒、毒力质粒）， 可增加细菌的存活机会。, 非生存所必需，可自行丢失或消除。, 可在细菌之间转移。, 具有自我复制的能力。,3、转座子（transposon）,B. McClintock一生未婚，却对玉米情有独钟，发现“会跳舞”（在染色体上移动）的基因，于1938年提出 “转座因子”理论。因与传统的遗传学观点背道而驰，成了孤家寡人。DNA双螺旋和乳糖操纵子获诺贝尔奖后，仍将B. McClintock理 论
3、视为另类。这一超越时代的理论直 到1983年才被承认，81岁高龄的她荣 获诺贝尔奖，真正成为基因调控理论 的先驱。（Mendel、Morgan）,一、细菌遗传的物质基础,转座子 是可移动的DNA片段, 不能自我复制。, 可在质粒与质粒间或质粒与染色体间随机转移（“跳跃基因”：jumping gene）。,转座子的结构特点, 2个末端反向重复序列（IR）：能为整 合酶所识别，与插入功能有关。,一、细菌遗传的物质基础, 中心序列：具有转座（位）酶基因，且 常携带细菌毒素基因、耐药基因等。,当转座子插入到某一基因中，可能会产生什么遗传学效应？,一、细菌遗传的物质基础,一、细菌遗传的物质基础 二、细菌
4、的基因突变 三、细菌的基因转移与重组 四、基因工程菌株的构建 五、微生物基因组学,细菌的遗传与变异,染色体DNA发生突然而稳定的结构改变，包括一对或少数几对碱基的缺失、插入或置换（点突变：point mutation），导致遗传性状的改变。,1、概念,结核分枝杆菌：对一线抗痨药物如异烟肼、链霉素、利福平产生多重耐药性，与多个耐药基因突变的逐步累加有关。,二、细菌的基因突变, 随机发生，不定向 稳定（“代代相传”） 自发突变频率为10-1010-6 可诱发性：野生株、突变株 仅对1种或2种相类似的药物耐药,2、特点,二、细菌的基因突变, 耐药性突变：耐药菌产生 毒力突变：疫苗研制、新现传染病 营
5、养缺陷体突变：新药诱变作用检测 高产突变：抗生素等药品 抗原性突变：逃逸免疫机制,3、突变现象及其应用,二、细菌的基因突变,日本细菌性痢疾暴发流行 从病人粪便中分离到大量的痢疾杆菌敏感株 和耐药株（同时耐链霉素、氯霉素、四环 素、磺胺类） 大肠杆菌与痢疾杆菌有完全相同的多重耐药性 多重耐药性传播迅速 耐药菌在传代保藏过程中可自发失去耐药性。,二、细菌的基因突变,能否用基因突变解释以上现象？,一、细菌遗传的物质基础 二、细菌的基因突变 三、细菌的基因转移与重组 四、基因工程菌株的构建 五、微生物基因组学,细菌的遗传与变异,供体菌（donor）将遗传物质转移至受体菌（recipient），使后者获
6、得新的生物学性状，称为基因转移（gene transfer）。,1、基因转移的概念,三、细菌的基因转移与重组,2、基因转移的元件, 质粒 转座子 温和噬菌体（temperate phage）,三、细菌的基因转移与重组,3、基因转移的方式,三、细菌的基因转移与重组, 接合（conjugation） 转化（transformation） 转导（transduction） 转座（transposition）,（1）接合：供体菌通过性菌毛与受体菌直接接触，将遗传物质（主要是质粒DNA）转移给受体菌，使受体菌获得新的遗传性状。,三、细菌的基因转移与重组,质粒,染色体,性菌毛,受体菌 (敏感菌),供体菌
7、(耐药菌),三、细菌的基因转移与重组,受体菌 (耐药菌),“The roses in her hand, the flavor in mine.”,耐药基因：赋予宿主菌一种或多重耐药性,耐药传递基因：编码性菌毛，决定自主复制与接合转移,耐药性 （R）质粒,三、细菌的基因转移与重组,R质粒主要以接合方式从耐药菌传递给敏感菌，使后者变为耐药菌，得以生存。,三、细菌的基因转移与重组,R质粒,R质粒在同一种属或不同种属细菌之间传递，造成耐药性的广泛传播，给临床治疗带来很大困难 。,多重耐药质粒接合转移可合理解释。,三、细菌的基因转移与重组,日本细菌性痢疾暴发流行 从病人粪便中分离到大量的痢疾杆菌敏感株
8、 和耐药株（同时耐链霉素、氯霉素、四环 素、磺胺类） 大肠杆菌与痢疾杆菌有完全相同的多重耐药性 多重耐药性传播迅速 耐药菌在传代保藏过程中可自发 失去耐药性。,Griffith肺炎链球菌感染小鼠实验（1928）,无荚膜活菌,有荚膜活菌,有荚膜死菌,三、细菌的基因转移与重组,有荚膜活菌？ 如何证实？,Griffith认为，无荚膜活菌（R）从有荚膜死菌（S）中获得某种物质，产生荚膜，即发生转化。引起转化现象的物质称为转化因子。,三、细菌的基因转移与重组,1、转化因子是DNA还是蛋白质？ 2、如何证实？,1944年， Avery研究揭示，转化因子的本质是DNA，即遗传物质是DNA。,三、细菌的基因转
9、移与重组,悲催原因：DNA在结构上似乎不像蛋白质那样变化多端，具有个性，很难设想可作为遗传信息的载体；Avery过于谨慎，在论文中只愿意说“DNA或许是转化因子的基本单位”。,鉴于当时对Avery理论抱有怀疑，诺奖评委会认为推迟发奖更合适。1952年，对Avery成就的争议平息，准备授奖，但Avery已撒手人寰。,（2）转化：受体菌从周围环境中直接摄取供体菌游离的DNA片段，整合至受体菌基因组中，从而获得供体菌部分遗传性状的过程。,三、细菌的基因转移与重组,荚膜基因,转化条件： 供体菌DNA片段的大小：1020kb 供体DNA性质：同源性高的、未变性 的双链DNA；质粒DNA。 受体菌：处于“
10、感受态” （competence）状态，可采 用CaCl2诱导法、电穿孔法。,三、细菌的基因转移与重组,三、细菌的基因转移与重组,莱德伯格（J. Lederberg）立志成为一名内科医生，进入哥伦比亚医学院学习了2年。1946年暑假，莱德伯格进入耶鲁大学微生物学家塔特姆（EL. Tatum） 实验室学习，对细菌遗传学十分入迷。假期结束后，他不再回医学院， 而留下给塔特姆作实验室助理。,“圣者随时而行，贤者应事而变， 智者无为而治，达者顺天而生”（老子）,原养型菌落产生原因? 如何证实?, 基因突变？, 接合？,接种至基础培养基,MetHisPheTrp，产生频率为1105,MetHisPheT
11、rp,MetHisPheTrp,营养缺陷型细菌, 转化？, 不需细菌之间接触接合 , 存在一种比细菌更小的生物，可将A菌株遗 传物质转移给B菌株。,MetHisPheTrp,MetHisPheTrp,MetHisPheTrp,加入DNA酶(), 不受DNA酶干扰转化 ,加热杀死细菌(),（3）转导：以噬菌体为媒介，将供体菌DNA片段转移到受体菌内，通过基因重组，使受体菌获得新的遗传学性状。,三、细菌的基因转移与重组, 是感染细菌、放线菌等的病毒。 分为头部和尾部。头部由核心（核酸） 和衣壳（蛋白质）构成。 必须寄生在活的易感宿 主菌体内，依靠尾部牢 牢吸附宿主菌。,三、细菌的基因转移与重组,
12、噬菌体（phage）, 噬菌体感染细菌的结局, 烈（毒）性噬菌体（virulent phage）：噬菌体在宿主菌内复制增殖，产生大量子代噬菌体，最终裂解细 菌，建立溶菌周期。,三、细菌的基因转移与重组,三、细菌的基因转移与重组,前噬菌体,溶原性细菌, 温和噬菌体（temperate phage）：感染宿主菌后，其核酸整合到宿主菌基因组中，与宿主菌DNA一起复制，随细菌的分裂而传至子代细菌（“和平相处”）。,在子代噬菌体组装时，可能会发生错误（1/105107），误将大小 合适的供体菌DNA片段装 入噬菌体头部，成为“假 噬菌体”。,假噬菌体, 转导的机制,当“假噬菌体”再度感染受体菌时，可将供
13、体菌DNA带入受体菌，发生基因重组。,完全转导与流产转导,普遍性转导与局限性转导,三、细菌的基因转移与重组,假噬菌体,受体菌,供体菌DNA,一、细菌遗传的物质基础,MetHisPheTrp,MetHisPheTrp,MetHisPheTrp,温和噬菌体将Phe、Trp合成酶基因从A菌株转移给B菌株。, 用于某些细菌（如鼠疫杆菌、霍乱弧 菌）的鉴定和分型 耐药菌感染的治疗 分子生物学研究工具 遗传工程：噬菌体展示 技术,三、细菌的基因转移与重组, 噬菌体的应用,三、细菌的基因转移与重组,（4）转座：转座子在质粒之间或质粒与染色体之间的自行转移现象。,转座子能在2个没有任何同源性的基因组之间转座（
14、即插入到某一基因），引起一系列遗传效应。 引起插入基因失活，产生基因突变 在插入部位引入一个或多个新的基因 （如耐药基因),三、细菌的基因转移与重组,一、细菌遗传的物质基础 二、细菌的基因突变 三、细菌的基因转移与重组 四、基因工程菌株的构建 五、微生物基因组学,细菌的遗传与变异,五、基因工程菌株的构建,五、基因工程菌株的构建, 获得目的基因：PCR,五、基因工程菌株的构建, 构建重组质粒：限制性核酸内切酶,双酶切 PCR 测序, 将重组质粒转化到原核（大肠杆菌）或真核（酵母菌）表达系统中，构建“基因工程菌株”。,五、基因工程菌株的构建, 大量培养，诱导表达目的基因，获得目的蛋白，生产药物（如
15、抗生素、胰岛素、干扰素）、疫苗（乙肝疫苗）等。,幽门螺杆菌（Helicobacter pylori）：是慢性活动性胃炎和消化性溃疡的致病菌，并与胃腺癌和胃部淋巴瘤的发生密切相关。,五、基因工程菌株的构建,我国Hp感染率为70%。目前主要采用含2种抗生素的三联疗法，但疗效不甚理想，易复发。疫苗被认为是控制Hp感染 最有效的方法。,鉴于幽门螺杆菌是经黏膜途径入侵，定植于胃与十二指肠黏膜上皮细胞表面，故黏膜免疫在抗感染免疫中起有关键作用。,五、基因工程菌株的构建,构建高效表达幽门螺杆菌保护性抗原黏附素的嗜酸乳酸菌，作为活载体疫苗，加至酸奶中，以口服方式免疫，嗜酸乳杆菌定 植后，分泌黏附素，诱发有效的 局部黏膜，保护机体抵抗感染。,国家自然科学基金面上课题：高效表达幽门螺杆菌黏附素的嗜酸乳杆菌菌株的构建及其免疫保护机制的研究。,五、基因工程菌株的构建,谢谢！,
