1、遗传与变异原理遗传与变异原理一、一、DNA的结构与功能的结构与功能二、基因与基因的转录二、基因与基因的转录三、遗传信息的翻译三、遗传信息的翻译 细菌的遗传和变异细菌的遗传和变异 遗传（遗传（heredity）遗传使细菌的性状保持相对稳定，且代代相传，遗传使细菌的性状保持相对稳定，且代代相传，使其种属得以保存。使其种属得以保存。变异（变异（variation）在一定条件下，子代和亲代之间以及子代和子在一定条件下，子代和亲代之间以及子代和子代之间的差异称为变异。代之间的差异称为变异。变变 异异 遗传性变异（基因型变异）遗传性变异（基因型变异）细菌的基因结构发生了改变，如基因突变或细菌的基因结构发生
2、了改变，如基因突变或重组，不可逆，可遗传给后代。重组，不可逆，可遗传给后代。非遗传性变异（表型变异）非遗传性变异（表型变异）环境改变导致，基因结构未发生变异，可逆，环境改变导致，基因结构未发生变异，可逆，不可遗传。不可遗传。细菌的变异现象 形态、结构变异 毒力变异 耐药性变异 菌落变异形态结构变异 青霉素、溶菌酶青霉素、溶菌酶正常形态细菌正常形态细菌 L型变异型变异 抗体或补体抗体或补体 (部分或完全失去胞壁部分或完全失去胞壁)正常霍乱弧菌霍乱弧菌L型毒力变异 棒状噬菌体棒状噬菌体白喉棒状杆菌白喉棒状杆菌 获得白喉毒素获得白喉毒素 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细菌对某
3、种抗菌药物有敏感变成耐药的变异称为 耐药性变异耐药性变异。金黄色葡萄球菌耐青霉素的菌株已从金黄色葡萄球菌耐青霉素的菌株已从1946年的年的14%上升至目前的上升至目前的80%。有些细菌还表现为同时耐受多种抗菌药物，即有些细菌还表现为同时耐受多种抗菌药物，即多多重耐药性重耐药性，甚至产生药物依赖性。，甚至产生药物依赖性。含链霉素培基含链霉素培基痢疾杆菌痢疾杆菌依链株依链株(耐药菌株耐药菌株)长期培养长期培养菌落变异 在陈旧培养基中长期培养在陈旧培养基中长期培养光滑型菌落光滑型菌落 粗糙型菌落粗糙型菌落 S 或在有免疫力的人体内或在有免疫力的人体内 R 失去失去LPS的特异性多糖重复单位的特异性多
4、糖重复单位与细菌遗传变异相关的物质与细菌遗传变异相关的物质（一）细菌染色体（一）细菌染色体（二）（二）质粒（质粒（plasmid）染色体外的遗传物质，存在于细胞质染色体外的遗传物质，存在于细胞质 中。为环状闭和的双链中。为环状闭和的双链DNA，能在胞浆中，能在胞浆中 自我复制，控制部分特定的遗传信息。自我复制，控制部分特定的遗传信息。医学上重要的质粒有医学上重要的质粒有F质粒、质粒、R质粒、质粒、毒力质粒或毒力质粒或Vi质粒、质粒、Col质粒等。质粒等。致育质粒（致育质粒（F质粒）质粒）与有性生殖有关与有性生殖有关 带有带有F质粒的为雄性菌，能长出性菌毛质粒的为雄性菌，能长出性菌毛 无无F质粒
5、的为雌性菌，无性菌毛质粒的为雌性菌，无性菌毛 耐药性质粒耐药性质粒 编码细菌对抗菌药物或重金属盐类的耐药性。编码细菌对抗菌药物或重金属盐类的耐药性。可通过细菌间接合进行传递的称接合性耐药质粒，可通过细菌间接合进行传递的称接合性耐药质粒，又称又称R质粒质粒 不能通过接合传递的非接合性耐药质粒，但可通不能通过接合传递的非接合性耐药质粒，但可通过噬菌体传递。过噬菌体传递。毒力质粒（毒力质粒（Vi质粒）质粒）编码与该菌致病性有关的毒力因子。编码与该菌致病性有关的毒力因子。如致病性的大肠埃希菌产生的耐热性肠毒素是如致病性的大肠埃希菌产生的耐热性肠毒素是由由ST质粒编码的。质粒编码的。细菌粘附定植在肠粘膜
6、表面是由细菌粘附定植在肠粘膜表面是由K质粒决定的。质粒决定的。细菌素质粒细菌素质粒 编码各种细菌产生的细菌素。编码各种细菌产生的细菌素。Col质粒编码大肠埃希菌产生大肠菌素质粒编码大肠埃希菌产生大肠菌素代谢质粒代谢质粒 编码产生相关的代谢酶。沙门菌发酵乳糖的能力通常是由质粒决定的 质粒的特征质粒的特征 自我复制能力，为复制子，单拷贝或多拷贝 紧密型质粒和松弛型质粒 编码产物赋予细菌某些性状特征 可自行丢失与消除 有转移性 可分为相容性和不相容性（三）噬菌体（三）噬菌体（bacteriophage,phage）噬菌体是感染细菌、真菌、放线菌或螺旋体等微噬菌体是感染细菌、真菌、放线菌或螺旋体等微生
7、物的病毒，在葡萄球菌和志贺菌中首先发现。生物的病毒，在葡萄球菌和志贺菌中首先发现。病毒的特性：病毒的特性：个体微小，可以通过细菌滤器个体微小，可以通过细菌滤器 没有完整的细胞结构，由蛋白质和核酸组成没有完整的细胞结构，由蛋白质和核酸组成 专性细胞内寄生的微生物专性细胞内寄生的微生物 分布极广分布极广噬菌体的生物学性状噬菌体的生物学性状 形态形态 个体小，需用电子显微镜观察个体小，需用电子显微镜观察 蝌蚪形、微球形和丝形蝌蚪形、微球形和丝形LG1 was isolated from chicken feces on an E.coli O157:H7 host,but it plaques on
8、 a wide range of E.coli,and a few Enterobacteriaceae.The black bars are size bars representing 100 nm.噬菌体的生物学性状 结构结构大多数噬菌体呈蝌蚪形，由头部和尾大多数噬菌体呈蝌蚪形，由头部和尾部两部分组成部两部分组成 大肠埃希菌大肠埃希菌T4噬菌体，头部和尾部噬菌体，头部和尾部噬菌体的生物学性状噬菌体的生物学性状大肠埃希菌T2噬菌体蝌蚪形噬菌体结构模式图噬菌体的生物学性状噬菌体的生物学性状噬菌体的生物学性状 化学组成化学组成 蛋白质蛋白质 构成噬菌体的头部的衣壳及尾部，包括尾髓、尾鞘、尾板、
9、尾刺和尾构成噬菌体的头部的衣壳及尾部，包括尾髓、尾鞘、尾板、尾刺和尾丝，起着保护核酸的作用，并决定噬菌体外形和表面特征。丝，起着保护核酸的作用，并决定噬菌体外形和表面特征。核酸核酸-遗传物质遗传物质 基因组大小基因组大小2200Kb 核酸为核酸为DNA或或RNA，大多数噬菌体的，大多数噬菌体的DNA为双链为双链DNA，但一些微小，但一些微小DNA噬菌体的噬菌体的DNA为环状单链。多数为环状单链。多数RNA噬菌体的噬菌体的RNA为线状单链，为线状单链，少数为线状双链，且分成几个节段。少数为线状双链，且分成几个节段。某些噬菌体的基因组含有异常碱基，如大肠埃希菌某些噬菌体的基因组含有异常碱基，如大肠
10、埃希菌T2噬菌体无胞嘧啶，噬菌体无胞嘧啶，而代以而代以5-羟甲基胞嘧啶与糖基化的羟甲基胞嘧啶与糖基化的5-羟甲基胞嘧啶；某些枯草芽胞杆羟甲基胞嘧啶；某些枯草芽胞杆菌噬菌体无胸腺嘧啶，而代以尿嘧啶、菌噬菌体无胸腺嘧啶，而代以尿嘧啶、5-羟甲基尿嘧啶。因宿主细胞羟甲基尿嘧啶。因宿主细胞内没有这些碱基，可成为噬菌体内没有这些碱基，可成为噬菌体DNA的天然标记。的天然标记。毒性噬菌体毒性噬菌体 毒性噬菌体毒性噬菌体(virulent phage)能在宿主菌细胞内复制增殖能在宿主菌细胞内复制增殖,产生许多子代噬菌产生许多子代噬菌体，并最终裂解细菌，称为毒性噬菌体。体，并最终裂解细菌，称为毒性噬菌体。温和
11、噬菌体温和噬菌体(temperate phage)噬菌体基因与宿主菌染色体整合，不产生子代噬菌体基因与宿主菌染色体整合，不产生子代噬菌体，但噬菌体噬菌体，但噬菌体DNA能随细菌能随细菌DNA复制，并复制，并随细菌的分裂而传代，称为温和噬菌体或溶原随细菌的分裂而传代，称为温和噬菌体或溶原性噬菌体性噬菌体(lysogenic phage)。毒性噬菌体毒性噬菌体溶菌过程包括溶菌过程包括-吸附、穿入：高度的特异性，释出核酸。吸附、穿入：高度的特异性，释出核酸。生物合成、增殖阶段：生物合成、增殖阶段：菌体装配成熟：菌体装配成熟：裂解细菌，释放裂解细菌，释放：毒性噬菌体毒性噬菌体毒性噬菌体毒性噬菌体 在液
12、体培养基中，噬菌现象可使浑浊菌液变为澄清.在固体培养基中，若用适量噬菌体和宿主菌液混合后接种培养，培养基表面可有透亮的溶菌空斑出现。一个空斑系由一个噬菌体复制增殖并裂解细菌后形成的，称为噬斑（噬斑（plaque）。若将噬菌体按一定倍数稀释，通过噬斑计数，可测知一定体积内的噬斑形成单位数目，即噬菌体的数量。噬斑温和噬菌体 前噬菌体前噬菌体 整合在细菌基因组中的噬菌体基因组称为前噬整合在细菌基因组中的噬菌体基因组称为前噬菌体（菌体（prophage）溶原性细菌溶原性细菌 带有前噬菌体基因组的细菌称为溶原性细菌带有前噬菌体基因组的细菌称为溶原性细菌（lysogenic bacterium）温和噬菌体
13、温和噬菌体 溶原性转换（溶原性转换（lysogenic conversion）某些前噬菌体可导致细菌基因型和性状发生改变，这称某些前噬菌体可导致细菌基因型和性状发生改变，这称为溶原性转换为溶原性转换。白喉棒状杆菌产生白喉毒素，是因其前噬菌体（白喉棒状杆菌产生白喉毒素，是因其前噬菌体（-棒棒状噬菌体）带有毒素蛋白结构基因（状噬菌体）带有毒素蛋白结构基因（tox基因）。基因）。A群溶血性链球菌受有关温和噬菌体感染发生溶原性群溶血性链球菌受有关温和噬菌体感染发生溶原性转换，能产生致热外毒素。转换，能产生致热外毒素。肉毒梭菌的毒素、金黄色葡萄球菌溶素的产生，以及肉毒梭菌的毒素、金黄色葡萄球菌溶素的产生
14、，以及沙门菌、志贺菌等的抗原结构和血清型别都与溶原性沙门菌、志贺菌等的抗原结构和血清型别都与溶原性转换有关转换有关。（四）转座子（四）转座子 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。插入序列插入序列（insertion sequence,IS）是最小的转位因子，长度不超过是最小的转位因子，长度不超过2kb，不携带，不携带任何已知与插入功能无关的基因区域，往往是任何已知与插入功能无关的基因区域，往往是插入后与插入点附近的序列共同起作用，可能插入后与插入点附近的序列共同起作用，可能是原细
15、胞正常代谢的调节开关之一。是原细胞正常代谢的调节开关之一。TransposaseABCDEFGGFEDCBA 复合转座子复合转座子（transposon,Tn）长度一般超过长度一般超过2kb，除携带与转位有关的基，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等。因此当素基因及其他结构基因等。因此当Tn插入插入某一基因时，一方面可引起插入基因失活产某一基因时，一方面可引起插入基因失活产生基因突变，另一方面可因带入耐药性基因生基因突变，另一方面可因带入耐药性基因而使细菌获得耐药性。转座子可能与细菌的而使细菌获得耐药性。转座子可
16、能与细菌的多重耐药性有关。多重耐药性有关。IS ISResistance Gene(s)IS ISResistance Gene(s)突变突变(mutation)：是细菌遗传物质的结构发生突然而稳定是细菌遗传物质的结构发生突然而稳定的改变，导致细菌性状的遗传性变异。的改变，导致细菌性状的遗传性变异。基因突变规律：基因突变规律：突变率突变率 突变常自然发生，但突变率极低。突变常自然发生，但突变率极低。突变与选择突变与选择 突变是随机的，不定向的。突变是随机的，不定向的。回复突变回复突变 细菌由细菌由野生型变为突变型是正向突变，有时突变株经过又一次突野生型变为突变型是正向突变，有时突变株经过又一次
17、突变可恢复野生型的性状。变可恢复野生型的性状。DNA的损伤修复：当细菌的损伤修复：当细菌DNA受到损伤时，细胞会用有受到损伤时，细胞会用有效的效的DNA修复系统进行细致的修复，使损伤降为最小。修复系统进行细致的修复，使损伤降为最小。一一.基因的突变与损伤后修复基因的突变与损伤后修复彷徨试验彷徨试验(fluctuation test)影印试验影印试验(replica plating)基因的转移和重组基因的转移和重组 基因转移基因转移 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（称为基因转移（gene transfer）。重组重组 转移
18、的基因与受体菌转移的基因与受体菌DNA整合在一起称为重组整合在一起称为重组（recombination），使受体菌获得供体菌的某些性），使受体菌获得供体菌的某些性状。状。细菌的基因转移和重组可通过细菌的基因转移和重组可通过转化、接合、转导、转化、接合、转导、溶原性转换和细胞融合溶原性转换和细胞融合等方式进行。等方式进行。转化（转化（transformation）转化是供体菌裂解游离的转化是供体菌裂解游离的DNA片段被受体片段被受体菌直接摄取，使受体菌获得新的性状。菌直接摄取，使受体菌获得新的性状。转化现象在肺炎链球菌、葡萄球菌和流感转化现象在肺炎链球菌、葡萄球菌和流感嗜血杆菌等中被证实。嗜血杆
19、菌等中被证实。转化试验:供体菌裂解游离的DNA片段转入某受体菌细胞内的过程。转化因子（转化因子（transforming principle）在转化过程中，转化的在转化过程中，转化的DNA片段称为转化片段称为转化因子因子，分子量小于，分子量小于107，最多不超过，最多不超过1020个基因。个基因。感受态（感受态（competence）受体菌只有处于感受态时，才能摄取转化因受体菌只有处于感受态时，才能摄取转化因子。细菌处于感受态是因为其表面有一种吸子。细菌处于感受态是因为其表面有一种吸附附DNA的受体的受体.转化因子吸附在受体菌表面受体上，然转化因子吸附在受体菌表面受体上，然后再被摄入后再被摄入
20、。解链，一链进入受体菌，另一链为进入解链，一链进入受体菌，另一链为进入提供能量。提供能量。重组。重组。DNA复制重组菌繁殖后，获得新的性状复制重组菌繁殖后，获得新的性状的细菌称为转化菌的突变株。的细菌称为转化菌的突变株。接合（接合（conjugation）接合是细菌通过性菌毛相互连接沟通，将接合是细菌通过性菌毛相互连接沟通，将遗传物质（主要是质粒遗传物质（主要是质粒DNA）从供体菌转）从供体菌转移给受体菌。移给受体菌。接合性质粒：能通过接合方式转移的质粒接合性质粒：能通过接合方式转移的质粒称为接合性质粒，称为接合性质粒，F质粒、质粒、R质粒、质粒、Col质质粒和毒力质粒。粒和毒力质粒。F质粒的
21、接合质粒的接合F+F高频重组菌（高频重组菌（high frequency recombination,Hfr）F F+、Hfr、F都为雄菌都为雄菌 F+F-F+F-F+F+F+F+DonorRecipientF+FHfrF-HfrF-HfrF-HfrF-HfrFFFFFF-FF-F R质粒质粒 耐药传递因子（耐药传递因子（resistance transfer factor,RTF）与与F质粒相似，编码性菌毛的产生和通过接合转移质粒相似，编码性菌毛的产生和通过接合转移 耐药（耐药（r）决定子）决定子 r-dir能编码对抗菌药物的耐药性，可由几个转座能编码对抗菌药物的耐药性，可由几个转座子连接相
22、邻排列，如子连接相邻排列，如Tn9带有氯霉素耐药基因，带有氯霉素耐药基因，Tn4带有氨苄青霉素、磺胺、链霉素的耐药基因，带有氨苄青霉素、磺胺、链霉素的耐药基因，Tn5带有卡那霉素的耐药基因。带有卡那霉素的耐药基因。R质粒决定耐药的机制：质粒决定耐药的机制：使细菌产生灭活抗生素的使细菌产生灭活抗生素的酶类酶类 R质粒控制细菌改变药物质粒控制细菌改变药物作用的靶部位作用的靶部位 R质粒可控制细菌细胞对质粒可控制细菌细胞对药物的通透性药物的通透性Tn 9Tn 21Tn 10Tn 8RTFR determinant转导（转导（transduction）转导是以转导噬菌体为载体，将供体菌的转导是以转导噬
23、菌体为载体，将供体菌的一段一段DNA转移到受体菌内，使受体菌获得转移到受体菌内，使受体菌获得新的性状。新的性状。普遍性转导（普遍性转导（generalized transduction）局限性转导（局限性转导（restricted transduction）普遍性转导普遍性转导 完全转导完全转导 外源性外源性DNA片段与受体菌的染色体整合，并随片段与受体菌的染色体整合，并随染色体而传代，称完全转导染色体而传代，称完全转导 流产转导流产转导 外源性外源性DNA片段游离在胞质中片段游离在胞质中,既不能与受体菌既不能与受体菌染色体整合，也不能自身复制，称为流产转导染色体整合，也不能自身复制，称为流产
24、转导 局限性转导局限性转导galbiogalbiogalbiogalbiobiogal普遍性转导与局限性转导的区别区别要点区别要点普遍性转导普遍性转导局限性转导局限性转导基因转导发生的时期基因转导发生的时期裂解期裂解期溶原期溶原期转导的遗传物质转导的遗传物质供体菌染色体供体菌染色体DNA任何部位或质粒任何部位或质粒噬菌体噬菌体DNA及供体及供体菌菌DNA的特定部位的特定部位转导的后果转导的后果完全转导或流产转完全转导或流产转导导受体菌获得供体菌受体菌获得供体菌DNA特定部位的遗特定部位的遗传特性传特性转导频率转导频率受体菌的受体菌的10-7转导频率较普遍转转导频率较普遍转导增加导增加1000倍
25、倍(10-4)溶原性转换溶原性转换（lysogenic conversion）溶原性转换是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。白喉棒状杆菌 原生质体融合原生质体融合（protopast fusion)原生质体融合原生质体融合是将两种不同的细菌经溶菌酶或青霉素等处理，失去细胞壁成为原生质体后进行彼此融合的过程。聚乙二醇可促使二种原生质体的融合。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测定致癌物质中的应用 在流行病学中的应用在流行病学中的应用 在基因工程中的应用在基因工程中的应用
