1、 由于细菌个体微小、遗传物质简由于细菌个体微小、遗传物质简单，繁殖速度快，一直被用做研究生单，繁殖速度快，一直被用做研究生物遗传与变异规律的理想实验材料。物遗传与变异规律的理想实验材料。利用分子生物学技术，构建利用分子生物学技术，构建“基基因工程菌因工程菌”，生产新药、疫苗、或环，生产新药、疫苗、或环保。保。遗传（遗传（heredityheredity）遗传使细菌的性状保持相对稳定，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。且代代相传，使其种属得以保存。变异（变异（variationvariation）在一定条件下，子代和亲代之间在一定条件下，子代和亲代之间以及子代和子代之间
2、的差异称为变异。以及子代和子代之间的差异称为变异。遗传性变异（基因型变异）遗传性变异（基因型变异）u细菌的基因结构发生了改变，如基细菌的基因结构发生了改变，如基因突变或重组，不可逆，可遗传给因突变或重组，不可逆，可遗传给后代。后代。非遗传性变异（表型变异）非遗传性变异（表型变异）u环境改变导致，基因结构未发生变环境改变导致，基因结构未发生变异，可逆，不可遗传。异，可逆，不可遗传。细菌的遗传与变异细菌的遗传与变异一、一、细菌的基因与基因组学细菌的基因与基因组学二、噬菌体二、噬菌体三、细菌的基因突变三、细菌的基因突变四、微生物基因转移和重组四、微生物基因转移和重组 细菌染色体是一个裸露的闭合环状细
3、菌染色体是一个裸露的闭合环状的双链的双链DNA分子，有核蛋白，缺乏组蛋分子，有核蛋白，缺乏组蛋白，无核膜包裹。白，无核膜包裹。（1）遗传信息是连续的，不含内含）遗传信息是连续的，不含内含子。很少有插入序列。子。很少有插入序列。（2）通常，编码相关功能的基因高）通常，编码相关功能的基因高度集中，组成操纵子度集中，组成操纵子（operon）结构，自结构，自一个启动子开始转录成多基因的一个启动子开始转录成多基因的mRNA分子，翻译成多种功能相关的蛋白质。分子，翻译成多种功能相关的蛋白质。细菌基因组结构细菌基因组结构 （3）结构基因单拷贝及）结构基因单拷贝及rRNA基因的基因的多拷贝有利于核糖体的快速
4、组装。多拷贝有利于核糖体的快速组装。（4）基因组的重复序列少而短，反）基因组的重复序列少而短，反映了基因组结构的经济性和高效性。映了基因组结构的经济性和高效性。细菌基因组结构细菌基因组结构（plasmid）是细菌染色体外的遗传物质，大多由是细菌染色体外的遗传物质，大多由闭合环状双链闭合环状双链DNA组成。组成。具有自我复制的能力。具有自我复制的能力。所携带的基因赋予宿主菌某些生物学所携带的基因赋予宿主菌某些生物学 性状性状（如（如F质粒、质粒、R质粒、毒力质粒、质粒、毒力质粒、代谢质粒）代谢质粒），增加细菌的存活机会。，增加细菌的存活机会。非生存所必需，可自行丢失或消除。非生存所必需，可自行丢
5、失或消除。可在细菌之间转移。可在细菌之间转移。质粒质粒DNA的特征的特征 带有带有F质粒的为雄性菌，能长出性菌质粒的为雄性菌，能长出性菌毛；无毛；无F质粒的为雌性菌，无性菌毛质粒的为雌性菌，无性菌毛致育质粒（致育质粒（F质粒）质粒）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接合性耐药质粒，又称接合性耐药质粒，又称R质粒质粒非接合性耐药质粒，可通过噬菌体传递。非接合性耐药质粒，可通过噬菌体传递。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如致病性的大肠埃希菌产生的耐热性肠毒素是由肠毒素是由S
6、TST质粒编码的。质粒编码的。毒力质粒（Vi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细菌素质粒（Col质粒）质粒）代谢质粒代谢质粒一、细菌的基因与基因组学一、细菌的基因与基因组学二、噬菌体二、噬菌体三、细菌的基因突变三、细菌的基因突变四、微生物基因转移和重组四、微生物基因转移和重组细菌的遗传与变异细菌的遗传与变异（gene mutation）：）：细菌染色细菌染色体基因发生突然而稳定的结构改变，包括体基因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、插入一对或少数几对碱基的缺失、插入或置换（或置换（点
7、突变：点突变：point mutation），），导致细菌性状的遗传性变异。导致细菌性状的遗传性变异。随机发生，不定向随机发生，不定向 稳定稳定 自发突变产生频率为自发突变产生频率为10-1010-6 可诱发性：可诱发性：野生株、突变株野生株、突变株 细菌的遗传基因发生突细菌的遗传基因发生突然而稳定的结构改变。耐药然而稳定的结构改变。耐药性基因突变的特点有：性基因突变的特点有：随机发生随机发生 一般只对一种或两种相类一般只对一种或两种相类 似的药物产生耐药似的药物产生耐药 与抗生素的使用无关与抗生素的使用无关 耐药耐药菌株产生的菌株产生的频率为频率为 1010-10-101010-7-7基因基
8、因突变突变 耐药性突变：耐药性突变：选择标记选择标记 毒力突变：毒力突变：疫苗研制、新现传染病疫苗研制、新现传染病 营养缺陷体突变：营养缺陷体突变：新药诱变作用检测新药诱变作用检测 高产突变：高产突变：抗生素等药品、食品生产抗生素等药品、食品生产 抗原性突变：抗原性突变：逃逸免疫机制逃逸免疫机制 日本发生过一次细菌性痢疾大流行。日本发生过一次细菌性痢疾大流行。从病人粪便中分离到大量的痢疾杆菌敏感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、四株和耐药株（同时耐链霉素、氯霉素、四环素、磺胺类），且大肠杆菌与痢疾杆菌环素、磺胺类），且大肠杆菌与痢疾杆菌有完全相同的多重耐药性
9、。多重耐药性传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、保藏过程中可自播迅速。耐药菌在传代、保藏过程中可自发失去耐药性。发失去耐药性。能否用基因突变解释以上现象？能否用基因突变解释以上现象？一、细菌的基因与基因组学一、细菌的基因与基因组学二、噬菌体二、噬菌体三、细菌的基因突变三、细菌的基因突变四、微生物基因转移和重组四、微生物基因转移和重组细菌的遗传与变异细菌的遗传与变异 供体菌供体菌（donor）将遗传物质转移至受将遗传物质转移至受体菌体菌（recipient），使后者获得新的生物学，使后者获得新的生物学性状，称为基因转移性状，称为基因转移（gene transfer）。细菌
10、通过水平方向的基因转移和重组，细菌通过水平方向的基因转移和重组，产生新的基因型个体，以适应随时改变的产生新的基因型个体，以适应随时改变的环境环境。基因转移的概念基因转移的概念 质粒质粒（plasmid）转座子转座子（transposon）温和噬菌体温和噬菌体（temperate phage）基因转移的元件基因转移的元件 接合接合（conjugation）转化转化（transformation）转导转导（transduction）转座转座（transposition）基因转移的方式基因转移的方式Griffith肺炎链球菌感肺炎链球菌感染小鼠实验（染小鼠实验（1928）无荚膜活菌无荚膜活菌有荚膜活
11、菌有荚膜活菌有荚膜死菌有荚膜死菌有荚膜的活菌？有荚膜的活菌？活的无荚膜肺炎链球菌从死的有荚膜活的无荚膜肺炎链球菌从死的有荚膜肺炎链球菌中获得荚膜肺炎链球菌中获得荚膜（毒力决定因子）（毒力决定因子）编码基因，称之为转化编码基因，称之为转化（transformation）。引起转化现象的物质称为转化因子。引起转化现象的物质称为转化因子。Avery研究揭示，转化因子的本质是研究揭示，转化因子的本质是DNA，即遗传物质是，即遗传物质是DNA。1944年，获年，获得诺贝尔医学生理学奖。得诺贝尔医学生理学奖。1、转化、转化（transformation）转化：转化：受体菌从周围环境中直接摄取受体菌从周围环
12、境中直接摄取供体菌游离的供体菌游离的DNA片段，并整合入受体菌片段，并整合入受体菌基因组中，从而获得供体菌部分遗传性状基因组中，从而获得供体菌部分遗传性状的过程。的过程。（1）转化的前提条件）转化的前提条件 1020 个基因个基因同源性高的、未变同源性高的、未变 性的双链性的双链DNA；质粒质粒DNA。处于处于“感受态感受态”（2）自然转化过程）自然转化过程受体菌处于感受态受体菌处于感受态（competence）自然转化自然转化naturally occurring transformation 对数生长期后期对数生长期后期 人工转化人工转化 artificial transformation
13、 Cacl2处理、电穿孔处理、电穿孔 转化因子的结合与进入转化因子的结合与进入 双链双链DNA与感受态受体菌表面的与感受态受体菌表面的DNA结合受体结合。其中一条链被降解产生能结合受体结合。其中一条链被降解产生能量；另一条链与特异量；另一条链与特异DNA结合蛋白形成复结合蛋白形成复合物，进入菌体内。合物，进入菌体内。转化因子的整合转化因子的整合 单链单链DNA不经复制，与受体菌同源不经复制，与受体菌同源DNA区段的单链配对，被取代的受体菌区段的单链配对，被取代的受体菌DNA单链被降解，最终单链被降解，最终产生转化子。产生转化子。有荚膜的活菌？有荚膜的活菌？2、接合、接合（conjugation
14、）接合：接合：供体菌通过性菌毛与受体菌供体菌通过性菌毛与受体菌直接接触，并将遗传物质直接接触，并将遗传物质（主要是质粒（主要是质粒DNA）转移给受体菌，使受体菌获得新转移给受体菌，使受体菌获得新的遗传性状。的遗传性状。质粒质粒质粒接合转移示意图质粒接合转移示意图染色体染色体性菌毛性菌毛受体菌受体菌供体菌供体菌nF质粒的接合uF+Fu高频重组菌（high frequency recombination,Hfr）uF uF+、Hfr、F都为雄菌 接合（conjugation）接合（conjugation）F+F-F+F-F+F+F+F+DonorRecipientF+F+Hfr2 2）接合（con
15、jugation）HfrF-HfrF-HfrF-HfrF-接合（conjugation）FFFFFF-FF-接合（conjugation）赋予宿主菌赋予宿主菌的耐药性的耐药性 编码性菌毛，编码性菌毛，决定自主复制决定自主复制与接合转移与接合转移 R质粒主要以质粒主要以接合方式接合方式从耐药菌传递从耐药菌传递给敏感菌，使后者变为耐药菌。给敏感菌，使后者变为耐药菌。R质粒在同一种属或不同种属细菌之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，尤其在间传递，造成耐药性的广泛传播，尤其在肠道杆菌肠道杆菌中比较普遍，给临床治疗带来很中比较普遍，给临床治疗带来很大困难大困难。3、转导、转导（
16、transduction）以温和噬菌体为媒介，将供体菌以温和噬菌体为媒介，将供体菌DNA片段片段（染色体（染色体DNA、非接合性、非接合性质粒质粒DNA）转移到受体菌内，通过转移到受体菌内，通过基因重组而使受体菌获得新的基因重组而使受体菌获得新的遗传性状。遗传性状。（1）转导的概念）转导的概念 是感染细菌、放线菌、真菌等的病毒。是感染细菌、放线菌、真菌等的病毒。分为头部和尾部。头部由核心（核酸）分为头部和尾部。头部由核心（核酸）和衣壳（蛋白质）构成。和衣壳（蛋白质）构成。能通过细菌滤器。能通过细菌滤器。须寄生在活的易感宿主须寄生在活的易感宿主 菌体内。菌体内。（2）噬菌体）噬菌体（phage）
17、（3）温和噬菌体）温和噬菌体 烈（毒）性噬菌体烈（毒）性噬菌体（virulent phage）：噬菌体在宿主菌体内复制增殖，产生大量噬菌体在宿主菌体内复制增殖，产生大量子代噬菌体，并最子代噬菌体，并最终裂解细菌，建立终裂解细菌，建立溶菌周期。溶菌周期。温和噬菌体温和噬菌体（temperate phage）：感：感染宿主菌后，不立即增殖，而是将其核染宿主菌后，不立即增殖，而是将其核酸整合到宿主菌染色体基因组中，与宿酸整合到宿主菌染色体基因组中，与宿主菌主菌DNA一起复制，一起复制，并随细菌的分裂而传并随细菌的分裂而传至子代细菌。至子代细菌。前噬菌体前噬菌体溶原性细菌溶原性细菌 溶原性细菌能正常以
18、二分裂方式繁溶原性细菌能正常以二分裂方式繁殖，前噬菌体也一代一代传下去。但有殖，前噬菌体也一代一代传下去。但有时也会自发终止（发生时也会自发终止（发生率率10-5），从染色体上），从染色体上脱落，进入溶菌周期。脱落，进入溶菌周期。（4）转导的机制）转导的机制 前噬菌体从染色体前噬菌体从染色体上脱离进行增殖，装配上脱离进行增殖，装配成新的子代噬菌体。大成新的子代噬菌体。大约在约在105107次装配中次装配中发生一次错误，误将大发生一次错误，误将大小合适的供体菌小合适的供体菌DNA片段装入噬菌体头部，片段装入噬菌体头部，成为成为“假噬菌体假噬菌体”。假噬菌体假噬菌体供体菌供体菌 当当“假噬菌体假噬
19、菌体”（转导噬菌体）（转导噬菌体）再再度感染受体菌时，度感染受体菌时，将供体菌将供体菌DNA带入带入受体菌内。受体菌内。完全转导与流产转导完全转导与流产转导普遍性转导、局限性转导普遍性转导、局限性转导假噬菌体假噬菌体受体菌受体菌供体菌供体菌DNA普遍性转导：普遍性转导：因被包装的因被包装的DNA可以是供体菌可以是供体菌染色体上的任何部分，故称为染色体上的任何部分，故称为普遍性转导普遍性转导普遍性转导的结局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，片段与受体菌的染色体整合，并随染色体而传代，称完全转导并随染色体而传代，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
20、中片段游离在胞质中,既不能与受既不能与受体菌染色体整合，也不能自身复制，称为体菌染色体整合，也不能自身复制，称为流产转导流产转导 用于细菌用于细菌（如鼠疫杆菌、霍乱弧菌）（如鼠疫杆菌、霍乱弧菌）的鉴定和分型。的鉴定和分型。耐药菌感染的治疗。耐药菌感染的治疗。分子生物学研究工具。分子生物学研究工具。遗传工程：遗传工程：噬菌体展示噬菌体展示 技术技术（5）噬菌体的应用）噬菌体的应用 溶原性转换是当噬菌体感染细菌时，宿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主菌染色体中获得了噬菌体的DNA片段，使片段，使其成为溶原状态时而致细菌获得新的性状。其成为溶原状态时而致细菌获得新的性状。
21、例如，白喉棒状杆菌若携带例如，白喉棒状杆菌若携带噬菌体时，可噬菌体时，可产生白喉毒素。产生白喉毒素。溶原性转换溶原性转换（lysogenic conversion）原生质体融合是将两种不同的细菌经溶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。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。聚乙二醇可促使二种原生质体的融合。原生质体融合是一种人工基因转移系统，原生质体融合是一种人工基因转移系统，本质上与基因转移无关或关系很小。本质上与基因转移无关或关系很小。原生质体融合原生质体融合（proto
22、past fusion)（transposition）转座子在质粒之间或质粒与染色体转座子在质粒之间或质粒与染色体之间的自行转移现象，称之为转座之间的自行转移现象，称之为转座。带有遗传信息，带有遗传信息，如常如常带有耐药基因、细菌毒素基因、整合酶带有耐药基因、细菌毒素基因、整合酶（或转座酶）基因（或转座酶）基因。当转座子插入到某一基因组中，可当转座子插入到某一基因组中，可能会产生什么遗传学效应？能会产生什么遗传学效应？转座子能在转座子能在2个没有任何同源性的基个没有任何同源性的基因组之间转座（即插入到某一基因），因组之间转座（即插入到某一基因），并能引起一系列遗传效应。并能引起一系列遗传效应。
23、可引起插入基因失活，产生基因突可引起插入基因失活，产生基因突 变。变。在插入部位引入一个或多个新的基在插入部位引入一个或多个新的基 因（如耐药基因、毒素基因）。因（如耐药基因、毒素基因）。在疾病的诊断、治疗与预防在疾病的诊断、治疗与预防 中的应用中的应用二、二、在测定致癌物质中的应用在测定致癌物质中的应用三、三、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微生物遗传与变异在微生物遗传与变异在医学上的应用医学上的应用 形态、结构、染色性、生化特性、抗原性形态、结构、染色性、生化特性、抗原性及毒力等方面的变异，使得诊断复杂化及毒力等方面的变异，使得诊断复杂化-如金黄色葡
24、萄球菌的耐药性菌株增加，绝如金黄色葡萄球菌的耐药性菌株增加，绝大由金黄色变成灰白色，血浆凝固酶阴性的大由金黄色变成灰白色，血浆凝固酶阴性的葡萄球菌也成为致病菌，给诊断带来困难；葡萄球菌也成为致病菌，给诊断带来困难；-伤寒沙门菌有伤寒沙门菌有10%不产生鞭毛，检查无动不产生鞭毛，检查无动力，无力，无H抗体，影响正确判断。抗体，影响正确判断。耐药菌株日益增多，因此以药敏实验为指导耐药菌株日益增多，因此以药敏实验为指导 减毒菌株和无毒株可制备成疫苗减毒菌株和无毒株可制备成疫苗在疾病的诊断、治疗与预防中的应用 凡能诱导细菌发生突变的物质都有可能凡能诱导细菌发生突变的物质都有可能是致癌物质。是致癌物质。
25、AmesAmes实验实验-伤寒沙门菌（伤寒沙门菌（his-his-）（his+his+）-组氨酸缺陷型菌株在组氨酸缺乏组氨酸缺陷型菌株在组氨酸缺乏的培养基中不生长，当发生变异时的培养基中不生长，当发生变异时长出菌落。长出菌落。在测定致癌物质中的应用分子生物学分析方法已被用于流行病学分子生物学分析方法已被用于流行病学调查调查质粒指纹图（质粒指纹图（PEPPEP）对噬菌体的敏感性，对细菌素的敏对噬菌体的敏感性，对细菌素的敏感性感性在流行病学中的应用在流行病学中的应用 基因工程是根据遗传变异中细菌可因基因转基因工程是根据遗传变异中细菌可因基因转移和重组而获得新性状的原理设计的移和重组而获得新性状的原理设计的 切取目的基因切取目的基因连接到载体上连接到载体上转转移到工程菌内，大量表达目的基因产物移到工程菌内，大量表达目的基因产物目前已大量生产胰岛素、干扰素、多种目前已大量生产胰岛素、干扰素、多种生长激素、生长激素、rIL-2等细胞因子和乙肝疫苗等细胞因子和乙肝疫苗等生物制品等生物制品在基因工程中的应用在基因工程中的应用
