细菌的遗传与变异

null微生物的遗传与变异微生物的遗传与变异遗传与变异 遗传与变异 遗传(heredity)：微生物的性状保持相对稳定，亲代与子代基本相同，且代代相传。 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。 基因型(genotype)：指构成生物遗传基础的基因组成。它决定着生物的遗传特性。 表型(phenotype) ：在一定条件下，特定基因实际表现出来的各种性状。 基因型变异(genotypic variation)：基因结构发生改变。遗传性变异。 表型变异(phenotypic variation)：细菌在一定的环境条件影响下产生的变异，其基因结构未改变。非遗传性变异。 第一节 微生物的遗传物质 第一节 微生物的遗传物质 染色体 染色体以外的遗传物质质粒 转座因子病毒的遗传物质（基因组：DNA或RNA) 原核细胞型微生物的遗传物质 真核细胞型微生物的遗传物质（染色体）1. 细菌的染色体1. 细菌的染色体仅由一条环状双链DNA分子组成，聚集形成一个较为致密的区域称为类核(nucleoid)； 相对较小，只有一个复制起始位点； 具有操纵子结构，由结构基因和调控序列组成； 基因连续，结构基因中不含内含子； 结构基因在基因组中所占的比例远远大于真核生物基因组，但小于病毒基因组； 结构基因多为单拷贝基因。 2. 质粒(plasmid)2. 质粒(plasmid)细菌染色体以外的遗传物质，是环状闭合的双链DNA； 具有自我复制的能力； 编码细菌某些性状特征； 可自行丢失与消除； 可在细菌间转移； 相容性与不相容性。 根据编码的生物学性状进行分类根据编码的生物学性状进行分类致育质粒（fertility plasmid, F质粒） 编码性菌毛，介导细菌之间的接合传递； 耐药性质粒（resistance plasmid, R质粒） 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（R质粒） 非接合耐药性质粒（r质粒) 毒力质粒(virulence plasmid, Vi质粒） 编码与该菌致病性有关的毒力因子； 细菌素质粒 编码产生细菌素； 代谢质粒 编码产生相关的代谢酶。3. 转座因子(transposable element)3. 转座因子(transposable element) 细菌基因组中能改变自身位置的一段DNA序列，这种转移可发生在细菌染色体、质粒之间。 插入序列转座子null转座因子是基因组的正常组成成分，不以独立的形式存在（如噬菌体或质粒DNA）。转座的发生不依赖于转座子和靶位点之间任何的序列同源性，在基因组内由一个部位直接转移到另一个部位。 转座以很低的频率发生，而且转座子的插入是随机的。 转座因子有时插入到一个结构基因或基因调节序列内，引起基因表达的改变。 null插入序列 (insertion sequence , IS) 最简单的转座因子，不超过2kb； 两端有反向重复序列； 只携带转座酶（transposase）基因，而不带有任何使细菌表现性状的基因。 null转座子 (transposon , Tn) 除了具有与转座有关的功能外，还携带药物抗性（或其他）标志。 长度一般超过2kb， 中心区携带药物抗性标志，两侧为由IS元件组成的臂。转座发生的机制转座发生的机制转座因子插入到一个新的部位的通常步骤是：在靶DNA上制造一个交错的切口，然后转座因子与突出的单链末端相连接，并填充切口。 转座的结果是靶部位序列形成了两个正向重复序列。链的切口之间的交错决定了正向重复的长度。 反向重复序列标明了转座因子的末端。所有类型转座因子的转座皆需转座酶对末端的识别。 null复制型转座（replicative transposition）： 转座的DNA序列是原转座因子的一个拷贝，而不是它本身。转座子作为移动的拷贝，即一个拷贝留在原处，另一拷贝插入到新的靶位点。null保守转座（conservative transposition）： 转座因子从供体位点上切离，插入到靶位点上，供体位点恢复原状。第二节 噬菌体第二节 噬菌体噬菌体(bacteriophage,phage) 是感染细菌、真菌、放线菌或螺旋体等微生物的病毒。 特点: 具有病毒的基本特性。 严格的宿主特异性。 分布广泛。一、噬菌体的生物学性状一、噬菌体的生物学性状噬菌体结构模式图一、噬菌体的生物学性状一、噬菌体的生物学性状 噬菌体具有抗原性，能刺激机体产生特异性抗体。 对理化因素及多数化学消毒剂的抵抗力比一般细菌的繁殖体强。噬菌体能耐受低温和冰冻，但对紫外线和X射线敏感。二、毒性噬菌体二、毒性噬菌体能在宿主细胞内复制增殖，产生许多子代噬菌体，并最终裂解细菌。 吸附→穿入→生物合成→成熟与释放 从噬菌体吸附开始至宿主菌裂解释放出子代噬菌体的过程称为噬菌体的复制周期或溶菌周期。噬菌体的复制周期噬菌体的复制周期三、 温和噬菌体三、 温和噬菌体 噬菌体基因组能与宿主菌基因组整合，并随细菌分裂传至子代细菌的基因组中，不引起细菌裂解。 整合在细菌基因组中的噬菌体基因组称为前噬菌体(prophage)， 带有前噬菌体基因组的细菌称为溶原性细菌(lysogenic bacterium)。 温和噬菌体产生成熟噬菌体颗粒和裂解宿主菌的潜在能力，称为溶原性(lysogeny)。null溶原性细菌特征溶原性细菌特征正常分裂，并将前噬菌体传给子代细菌。（溶原状态） 抵抗同种或有亲缘关系噬菌体的重复感染。 溶原状态终止，前噬菌体脱离宿主基因组而进入溶菌周期。 某些前噬菌体可导致细菌基因型和性状发生改变，称为溶原性转换 (lysogenic conversion) 四、噬菌体的分离与测定四、噬菌体的分离与测定液体培养基 噬菌现象可使浑浊菌液变得澄清 固体培养基 形成噬斑(plaque)噬斑荧光假单胞菌噬斑形成单位 噬斑形成单位 若将噬菌体按一定倍数稀释，通过噬斑计数，可测定一定体积内的噬斑形成单位(plaque forming units,pfu)数目，即噬菌体的数目。五、噬菌体的应用五、噬菌体的应用细菌的鉴定与分型 噬菌体与宿主菌的关系具有高度特异性，即一种噬菌体只能裂解一种和它相应的细菌，故可用于未知细菌的鉴定和分型。 分子生物学研究的重要工具 噬菌体基因数量少，结构比细菌和高等细胞简单得多，且易获得大量的突变体。 基因工程重要载体 切取目的基因→连接到载体上→转移到工程菌内，大量表达目的基因产物。 目前已大量生产胰岛素、干扰素、多种生长激素等细胞因子和乙肝疫苗等生物制品 第三节 基因突变第三节 基因突变基因突变(mutation)：指由于DNA碱基对的置换、插入或缺失导致基因结构发生变化。 null自发突变率为10-9~10-6，诱发突变率达10-6~10-4。 野生型（wild type)：从自然界分离的未发生突变的菌株。 突变型(mutant type)：相对于野生型菌株发生某一性状的改变。 正向突变：细菌由野生型变为突变型。 回复突变(reverse mutation)：突变株经过又一次突变可恢复为野生型的性状。 抑制突变(suppressor mutation) ：真正的原位回复突变很少，大多数回复突变都是第二次突变抑制了第一次突变造成的表型，使野生表现型得以恢复或部分恢复。 回复突变往往不是基因型回复，而是表型的回复。 第四节 基因的转移和重组第四节 基因的转移和重组基因转移(gene transfer)：遗传物质由供体菌进入某受体菌细胞内的过程。 基因重组(recombination)：转移的基因与受体菌DNA整合在一起，使受体菌获得供体菌某些特性。 同源重组：发生在紧密相关的DNA之间。在细菌rec基因编码的重组酶作用下，由外源性一段单链DNA取代宿主染色体上一段DNA。 非同源重组：发生在无关的DNA之间，在位点专一重组酶的作用下，将缺失或插入的DNA重新连接。 细菌的基因转移和重组方式：转化、接合、转导、溶原性转换、原生质体融合。一、转化 (Transformation)一、转化 (Transformation)小鼠体内肺炎链球菌转化试验null 受体菌直接摄取供体菌裂解释放的DNA片段，获得新的遗传性状的过程称为转化。null转化因子（transforming factors ） 在转化过程中，转化的DNA片段称为转化因子。 影响因素 供受菌基因型： 亲缘关系愈近，转化率愈高 受菌的生理状态： 感受态（competence）----生理活动过程中摄取转化因子的最佳时期 环境因素： Mg2＋、Ca2＋等可促进转化二、接合(conjugation)二、接合(conjugation) 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的方式称为接合。 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）接合的机制接合的机制F质粒（fertility factor, 致育因子） nullF质粒整合到细菌染色体上，形成高频重组株(high frequency recombinant, Hfr)，能高效地转移染色体上的基因至F-菌。nullnullHfr菌的接合nullHfr菌中的F质粒可从染色体上脱离下来，并携带染色体上几个邻近的基因，故称F′质粒 。 F+、 Hfr、 F′三者均有性菌毛，均可发生接合。 三、转导(transduction)三、转导(transduction) 转导是以噬菌体为载体，将供体菌的一段DNA转移到受体菌内，使受体菌获得供体菌的部分遗传性状。 普遍性转导----转导的DNA可是供菌染色体上的任何部分。 完全转导：供体菌DNA片段与受体菌染色体整合 流产转导：供体菌DNA片段游离在细胞质中 局限性转导----转导的DNA只限供菌染色体上的特定基因。1. 普遍性转导1. 普遍性转导毒性噬菌体，温和噬菌体均能介导普遍性转导2.局限性转导2.局限性转导2.局限性转导2.局限性转导温和噬菌体介导局限性转导四、溶原性转换(lysogenic conversion)四、溶原性转换(lysogenic conversion)细菌因染色体上整合有前噬菌体而获得新的遗传性状称为溶原性转换。 思考题思考题1. 噬菌体的概念及其特征。 2. 毒性噬菌体和温和噬菌体、前噬菌体、溶原性细菌、溶原性转换的概念及特征。 3. 溶菌周期。 4. 细菌基因转移和重组有哪些类型？ 5. 何谓transposon、IS、Hfr、lysogenic conversion？