醫(yī)學(xué)微生物學(xué)第五章細菌的遺傳與變異

“窮則變，變則通，通則久。”《易經(jīng)》

“我命在我，不在于天”（莊子）第一頁，共六十頁。

細菌：一直被用做研究生物遺傳與變異規(guī)律的實驗材料。

●細菌個體微小

●遺傳物質(zhì)較為簡單

●易于人工培養(yǎng)

●繁殖速度快

●突變型容易識別和檢出第二頁，共六十頁。一、細菌遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)

二、細菌的基因突變

三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組

四、基因工程菌株的構(gòu)建

五、微生物基因組學(xué)細菌的遺傳與變異第三頁，共六十頁。1、染色體（chromosome）細菌染色體是一個裸露的閉合環(huán)狀的雙鏈DNA分子，有核蛋白，缺乏組蛋白，無核膜包裹。

一、細菌遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)第四頁，共六十頁。細菌基因組結(jié)構(gòu)的主要特征（1）遺傳信息是連續(xù)的，不含內(nèi)含子。很少有重復(fù)序列。（2）通常，編碼相關(guān)功能的基因高度集中，組成操縱子（operon）結(jié)構(gòu)，自一個啟動子開始轉(zhuǎn)錄成多基因的mRNA分子，翻譯成多種功能相關(guān)的蛋白質(zhì)。一、細菌遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)第五頁，共六十頁。一、細菌遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)乳糖操縱子第六頁，共六十頁。2、質(zhì)粒（plasmid）一、細菌遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)

是細菌染色體外的遺傳物質(zhì)，大多由閉合環(huán)狀雙鏈DNA組成。第七頁，共六十頁。●具有自我復(fù)制的能力。質(zhì)粒DNA的特征一、細菌遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)●

所攜帶的基因賦予宿主菌某些生物學(xué)

性狀（如F質(zhì)粒、R質(zhì)粒、毒力質(zhì)粒、

代謝質(zhì)粒），增加細菌的存活機會。●非生存所必需，可自行丟失或消除?！窨稍诩毦g轉(zhuǎn)移。第八頁，共六十頁。3、轉(zhuǎn)座子（transposon）B.McClintock一生未婚，卻對玉米情有獨鐘，發(fā)現(xiàn)“會跳舞”（在染色體上移動）的基因，于1938年提出“轉(zhuǎn)座因子”理論。因與傳統(tǒng)的遺傳學(xué)觀念背道而馳，成了孤家寡人。DNA雙螺旋和乳糖操縱子獲諾貝爾獎后，仍將B.McClintock理

論視為另類。這一超越時代的理論直

到1983年才被承認，81歲高齡的她榮

獲諾貝爾獎，真正成為基因調(diào)控理論

的先驅(qū)。（Mendel、Morgan）

第九頁，共六十頁。一、細菌遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)

轉(zhuǎn)座子：是可移動的DNA片段，可在質(zhì)粒與質(zhì)粒之間或質(zhì)粒與染色體之間隨機轉(zhuǎn)移，故稱為“跳躍基因”（jumpinggene）。轉(zhuǎn)座子不能自我復(fù)制。第十頁，共六十頁。轉(zhuǎn)座子的結(jié)構(gòu)特點

●2個末端反向重復(fù)序列：能為整合酶所識別，與插入功能有關(guān)。一、細菌遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)第十一頁，共六十頁。

●中心序列：具有轉(zhuǎn)座酶基因，且常攜帶細菌毒素基因、耐藥基因等。一、細菌遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)腸球菌萬古霉素耐藥基因第十二頁，共六十頁。當轉(zhuǎn)座子插入到某一基因中，可能會產(chǎn)生什么遺傳學(xué)效應(yīng)？一、細菌遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)第十三頁，共六十頁。一、細菌遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)

二、細菌的基因突變

三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組

四、基因工程菌株的構(gòu)建

五、微生物基因組學(xué)細菌的遺傳與變異第十四頁，共六十頁?；蛲蛔儯╣enemutation）：染色體基因發(fā)生突然而穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)改變，包括一對或少數(shù)幾對堿基的缺失、插入或置換（點突變：pointmutation），導(dǎo)致遺傳性狀的改變。1、概念二、細菌的基因突變第十五頁，共六十頁。

結(jié)核分枝桿菌對一線抗癆藥物如異煙肼、鏈霉素、利福平產(chǎn)生多重耐藥性，與多個耐藥基因突變的逐步累加密切相關(guān)。二、細菌的基因突變第十六頁，共六十頁。

●

隨機發(fā)生，不定向

●

穩(wěn)定（“代代相傳”）

●

自發(fā)突變頻率為10-10～10-6

●

可誘發(fā)性：野生株、突變株

●

僅對1種或2種相類似的藥物耐藥2、特點二、細菌的基因突變第十七頁，共六十頁?！?/p>

耐藥性突變：耐藥菌產(chǎn)生

●

毒力突變：疫苗研制、新現(xiàn)傳染病

●

營養(yǎng)缺陷體突變：新藥誘變作用檢測

●高產(chǎn)突變：抗生素等藥品

●抗原性突變：逃逸免疫機制3、突變現(xiàn)象及其應(yīng)用二、細菌的基因突變第十八頁，共六十頁。日本曾發(fā)生過一次細菌性痢疾暴發(fā)流行。從病人糞便中分離到大量的痢疾桿菌敏感株和耐藥株（同時耐鏈霉素、氯霉素、四環(huán)素、磺胺類），且大腸桿菌與痢疾桿菌有完全相同的多重耐藥性。多重耐藥性傳播迅速。耐藥菌在傳代、保藏過程中可自發(fā)失去耐藥性。

能否用基因突變解釋以上現(xiàn)象？二、細菌的基因突變第十九頁，共六十頁。一、細菌遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)

二、細菌的基因突變

三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組

四、基因工程菌株的構(gòu)建

五、微生物基因組學(xué)細菌的遺傳與變異第二十頁，共六十頁。

供體菌（donor）將遺傳物質(zhì)轉(zhuǎn)移至受體菌（recipient），使后者獲得新的生物學(xué)性狀，稱為基因轉(zhuǎn)移（genetransfer）。1、基因轉(zhuǎn)移的概念三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組第二十一頁，共六十頁。2、基因轉(zhuǎn)移的元件●

質(zhì)粒●

轉(zhuǎn)座子●

溫和噬菌體（temperatephage）三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組第二十二頁，共六十頁。

●

接合（conjugation）

●

轉(zhuǎn)化（transformation）

●

轉(zhuǎn)導(dǎo)（transduction）

●

轉(zhuǎn)座（transposition）3、基因轉(zhuǎn)移的方式三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組第二十三頁，共六十頁。

接合：供體菌通過性菌毛與受體菌直接接觸，將遺傳物質(zhì)（主要是質(zhì)粒DNA）轉(zhuǎn)移給受體菌，使受體菌獲得新的遺傳性狀。三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組第二十四頁，共六十頁。質(zhì)粒質(zhì)粒接合轉(zhuǎn)移示意圖染色體性菌毛受體菌

(敏感菌)供體菌

(耐藥菌)三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組受體菌

(耐藥菌)第二十五頁，共六十頁。耐藥基因：賦予宿主菌一種或多重耐藥性耐藥傳遞基因：編碼性菌毛，決定自主復(fù)制與接合轉(zhuǎn)移耐藥性

（R）質(zhì)粒三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組第二十六頁，共六十頁。R質(zhì)粒主要以接合方式從耐藥菌傳遞給敏感菌，使后者變?yōu)槟退幘靡陨?。三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組R質(zhì)粒在同一種屬或不同種屬細菌之間傳遞，造成耐藥性的廣泛傳播，給臨床治療帶來很大困難。第二十七頁，共六十頁。日本曾發(fā)生過一次細菌性痢疾暴發(fā)流行。從病人糞便中分離到大量的痢疾桿菌敏感株和耐藥株（耐鏈霉素、氯霉素、四環(huán)素、磺胺類），且大腸桿菌與痢疾桿菌有完全相同的多重耐藥性。多重耐藥性傳播迅速。耐藥菌在傳代、保藏過程中可自發(fā)失去耐藥性。用多重耐藥質(zhì)粒轉(zhuǎn)移可合理解釋。三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組第二十八頁，共六十頁。Griffith肺炎鏈球菌感染小鼠實驗（1928）無莢膜活菌有莢膜活菌有莢膜死菌三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組第二十九頁，共六十頁。有莢膜的活菌？

如何證實？三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組第三十頁，共六十頁。Griffith認為，活的無莢膜肺炎鏈球菌（R菌）從死的有莢膜肺炎鏈球菌（S）中獲得某種物質(zhì)，而能產(chǎn)生莢膜，這一現(xiàn)象稱之為轉(zhuǎn)化。引起轉(zhuǎn)化現(xiàn)象的物質(zhì)稱為轉(zhuǎn)化因子。三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組1、轉(zhuǎn)化因子是DNA還是蛋白質(zhì)？

2、如何證實你的推測？第三十一頁，共六十頁。1944年，

Avery研究揭示，轉(zhuǎn)化因子的本質(zhì)是DNA，即遺傳物質(zhì)是DNA。三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組悲催原因：DNA在結(jié)構(gòu)上似乎不像蛋白質(zhì)那樣變化多端，具有個性，很難設(shè)想可作為遺傳信息的載體；Avery過于謹慎，在論文中只愿意說“DNA或許是轉(zhuǎn)化因子的基本單位”。

鑒于對Avery理論抱有懷疑，諾貝爾獎評委會認為推遲發(fā)獎更合適。1952年，當對Avery成就的爭議平息、準備授獎時，Avery已撒手人寰。第三十二頁，共六十頁。

●

接合（conjugation）

●

轉(zhuǎn)化（transformation）

●

轉(zhuǎn)導(dǎo)（transduction）

●

轉(zhuǎn)座（transposition）基因轉(zhuǎn)移的方式三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組第三十三頁，共六十頁。

轉(zhuǎn)化：受體菌從周圍環(huán)境中直接攝取供體菌游離的DNA片段，并整合入受體菌基因組中，從而獲得供體菌部分遺傳性狀的過程。

三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組莢膜基因第三十四頁，共六十頁。轉(zhuǎn)化條件：●

供體菌DNA片段的大?。?0～20kb

●

供體DNA性質(zhì)：同源性高的、未變性的雙鏈DNA；質(zhì)粒DNA。

●

受體菌：處于“感受態(tài)”

（competence）狀態(tài)，可采

用CaCl2誘導(dǎo)法、電穿孔法。三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組第三十五頁，共六十頁。三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組

萊德伯格（J.Lederberg）立志成為一名內(nèi)科醫(yī)生，進入哥倫比亞醫(yī)學(xué)院學(xué)習(xí)了2年。1946年暑假，萊德伯格進入耶魯大學(xué)微生物學(xué)家塔特姆（EL.Tatum）實驗室學(xué)習(xí)，對細菌遺傳學(xué)十分入迷。假期結(jié)束后，他不再回醫(yī)學(xué)院，

而留下給塔特姆作實驗室助理?！笆フ唠S時而行，賢者應(yīng)事而變，

智者無為而治，達者順天而生”（老子）

第三十六頁，共六十頁。原養(yǎng)型菌落產(chǎn)生原因？如何證實？①基因突變？②接合？

③轉(zhuǎn)化？接種至基礎(chǔ)培養(yǎng)基Met＋His＋Phe＋Trp＋，產(chǎn)生頻率為1×10－5Met－His－Phe＋Trp＋Met＋His＋Phe－Trp－營養(yǎng)缺陷型細菌第三十七頁，共六十頁。一、細菌遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)不需細菌之間接觸，排除接合；一種比細菌更小的生物將菌株（左）遺傳物質(zhì)轉(zhuǎn)移給菌株（右）。Met－His－Phe＋Trp＋Met＋His＋Phe－Trp－Met＋His＋Phe＋Trp＋↓加入DNA酶(＋)不受DNA酶干擾，排除轉(zhuǎn)化。加熱殺死細菌(－)第三十八頁，共六十頁。

●

接合（conjugation）

●

轉(zhuǎn)化（transformation）

●

轉(zhuǎn)導(dǎo)（transduction）

●

轉(zhuǎn)座（transposition）基因轉(zhuǎn)移的方式三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組第三十九頁，共六十頁。

以噬菌體為媒介，將供體菌DNA片段轉(zhuǎn)移到受體菌內(nèi)，經(jīng)基因重組，使受體菌獲得新的遺傳學(xué)性狀。三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組（1）轉(zhuǎn)導(dǎo)的概念

第四十頁，共六十頁?！袷歉腥炯毦?、放線菌等的病毒。

●分為頭部和尾部。頭部由核心（核酸）

和衣殼（蛋白質(zhì)）構(gòu)成。

●必須寄生在活的易感宿主菌體內(nèi)，依靠尾部牢

牢吸附宿主菌。三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組（2）噬菌體（phage）第四十一頁，共六十頁。（3）噬菌體感染細菌的結(jié)局

●

烈（毒）性噬菌體（virulentphage）：噬菌體在宿主菌內(nèi)復(fù)制增殖，產(chǎn)生大量子代噬菌體，最終裂解細

菌，建立溶菌周期。三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組第四十二頁，共六十頁。三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組前噬菌體溶原性細菌

●溫和噬菌體（temperatephage）：感染宿主菌后，其核酸整合到宿主菌基因組中，與宿主菌DNA一起復(fù)制，隨細菌的分裂而傳至子代細菌（“和平相處”）。第四十三頁，共六十頁。三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組（4）轉(zhuǎn)導(dǎo)的機制

第四十四頁，共六十頁。在子代噬菌體組裝時，可能會發(fā)生錯誤（1次/105～107），誤將大小合適的供體菌DNA片段裝入噬菌體頭部，

成為“假噬菌體”。

假噬菌體第四十五頁，共六十頁。當“假噬菌體”再度感染受體菌時，可將供體菌DNA帶入受體菌，發(fā)生基因重組。完全轉(zhuǎn)導(dǎo)與流產(chǎn)轉(zhuǎn)導(dǎo)普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)、局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組假噬菌體供體菌DNA受體菌第四十六頁，共六十頁。一、細菌遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)Met－His－Phe＋Trp＋Met＋His＋Phe－Trp－Met＋His＋Phe＋Trp＋↓溫和噬菌體將Phe、Trp合成酶基因在細菌之間發(fā)生轉(zhuǎn)移。第四十七頁，共六十頁。●用于某些細菌（如鼠疫桿菌、霍亂弧

菌）的鑒定和分型

●耐藥菌感染的治療

●分子生物學(xué)研究工具

●遺傳工程：噬菌體展示

技術(shù)三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組（5）噬菌體的應(yīng)用第四十八頁，共六十頁。

●

接合（conjugation）

●

轉(zhuǎn)化（transformation）

●

轉(zhuǎn)導(dǎo)（transduction）

●

轉(zhuǎn)座（transposition）基因轉(zhuǎn)移的方式三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組第四十九頁，共六十頁。4、轉(zhuǎn)座（transposition）三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組

轉(zhuǎn)座子在質(zhì)粒之間或質(zhì)粒與染色體之間的自行轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。第五十頁，共六十頁。轉(zhuǎn)座子能在2個沒有任何同源性的基因組之間轉(zhuǎn)座（即插入到某一基因），引起一系列遺傳效應(yīng)。

●

引起插入基因失活，產(chǎn)生基因突變●在插入部位引入一個或多個新的基因

（如耐藥基因)

三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組第五十一頁，共六十頁。一、細菌遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)

二、細菌的基因突變

三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組

四、基因工程菌株的構(gòu)建

五、微生物基因組學(xué)細菌的遺傳