1、遺傳與變異原理（DNA、基因及其轉錄、翻譯） 遺傳變異現象（形態、抗原、菌落、毒力、耐藥）變異相關物質（染色體-致病島、質粒、噬菌體、轉座子）變異機制（基因突變、轉移、重組）微生物的遺傳和變異遺傳（heredity ）: 上一代生物將自身的一整套遺傳基因穩定地傳遞給下一代的特性 。變異（variation）： 生物體在某種外因或內因的作用下，發生遺傳物質結構或數量的改變，而且這種改變穩定，具有可遺傳性 。引言1. 遺傳與變異遺傳保證了微生物種的相對穩定性、種的存在和延續，而變異則推動了種的進化和發展。2. 遺傳型和表型遺傳型（genotype）表型( phenotype )某一生物體個體所含有

2、的全部遺傳因子，即基因的總和 ，又稱為基因型。某一生物體所具有的一切外表特征及內在特性的總和。 表型的實現是由生物體的遺傳型和環境條件共同作用的結果。二.細菌的遺傳與變異 （一）細菌的變異現象 形態結構變異 抗原性變異 菌落變異 毒力變異 耐藥性變異正常形態細菌 L型變異 形態結構變異兩端平齊炭疽芽胞桿菌炭疽芽胞桿菌L型（串珠狀）青霉素、溶菌酶 抗體或補體 (部分或完全失去胞壁)含1%石炭酸培養基普通培養基細菌鞭毛變異隨著鞭毛變異，細菌抗原性發生變異毒力變異 無毒白喉棒狀桿菌 產毒白喉桿菌 膽汁、甘油、馬鈴薯培養基牛型結核桿菌 卡介苗 13年(230代) （1908）棒狀噬菌體耐藥性變異 細菌

3、對某種抗菌藥物由敏感變為不敏感（即耐藥）的變異稱為耐藥性變異（獲得R質粒）。 有些細菌還表現為同時耐受多種抗菌藥物，即多重耐藥性，甚至產生藥物依賴性。 痢疾桿菌 依鏈株(耐藥菌株) 含鏈霉素培基 長期培養菌落變異 光滑型菌落 粗糙型菌落 S R菌落（S型）菌落（R型）在陳舊培養基中長期培養 或在有免疫力的人體內有莢膜肺炎鏈球菌無莢膜肺炎鏈球菌 遺傳物質 核酸 蛋白？試驗核酸！結論：性狀是由基因（遺傳因子）決定，基因存在于染色體 （染色體是核酸或其與蛋白質的結合物）。核酸分子是遺傳物質，基因是其信息單位，染色體是其存在形式。一、證明核酸是遺傳變異的物質基礎的三個經典實驗 （一）經典轉化實驗 （二

4、）噬菌體感染實驗 （三）植物病毒的重建實驗二、微生物遺傳變異的物質基礎病毒的核酸原核細胞型微生物染色體真核核細胞型微生物染色體染色體外的遺傳物質 質粒 噬菌體 轉座子（轉位因子）基因（gene）是什么? 是實體，其物質基礎是DNA （或RNA）； 是一個含有特定遺傳信息的DNA分子區段； 是遺傳信息傳遞和性狀分化發育的依據； 基因是可分的，根據功能不同，分為： 編碼蛋白質的基因 結構基因（結構蛋白，酶） 調節基因（阻遏蛋白或激活蛋白） 無翻譯產物的基因 tRNA基因（簡稱 tDNA ） rRNA基因（簡稱rDNA ） 不轉錄的DNA區段 啟動子（promotor） 操縱基因（operator）

5、 基因是一個含有特定遺傳信息的核苷酸序列，它是遺傳的功能單位。基因組是存在于生物體遺傳物質中全部基因的總稱一、病毒的核酸病毒的遺傳物質是DNA或RNA，核酸類型多樣。E. coli 染色體DNA大小為4.710 6 bp，長度為1333m，是菌體長度的1000倍。二、原核生物染色體的結構遺傳因子存在形式（1）一般沒有間隔基因（內含子）細菌的基因一般是連續排列的。結構基因的表達由調節基因調控，一個或幾個相關的基因組成操縱子。在細菌的基因組中，基本上未發現與真核生物的內含子或連接DNA相似的“無”功能序列。（2）一般沒有重復序列 細菌的基因一般都是單拷貝的。唯一可以發現的重復DNA序列，也只有核糖

6、體rRNA基因、插入序列、轉座子和短重復序列等。原核生物基因的結構三、真核生物染色體結構真核生物染色體組成的基本單位是核小體，其核心顆粒由四種蛋白形成的8聚體和DNA組成。由H1組蛋白和DNA相連一串核小體稱為染色質（chromatin）。在細胞分裂中期，染色質濃縮、反復折疊成為一定形狀的染色體。真核生物基因的結構一個完整的真核基因，不僅包括編碼區，也包括編碼區兩側的調控序列。與原核基因相比，最大的差別在于編碼區被許多非編碼序列所間斷，這種非編碼序列稱為內含子（intron），被間隔的編碼區稱外顯子（exon）。 真核細胞和原核細胞的最大差別之一是遺傳物質的分布和存在狀態。原核細胞的染色體是以

7、裸露DNA存在于細胞中，而真核細胞的DNA則與組蛋白和非組蛋白相結合并纏繞成多條染色體存在于細胞核中。 在真核生物染色體中，DNA約占30-40%，組蛋白和非組蛋白占60%以上，RNA約占10%以下。質粒(plasmid)：是細菌染色體以外的遺傳物質，是閉合環狀的雙鏈DNA。 （二） 質粒質粒的三種構型 質粒具有自我復制的能力。質粒DNA所編碼的基因產物賦予細菌某些性狀特征。質?？勺孕衼G失與消除。質粒的轉移性。質?？煞譃橄嗳菪耘c不相容性兩種。質粒DNA的特征質粒的分類：根據質粒能否通過細菌的接合作用進行傳遞 1接合性質粒 2非接合性質粒根據相容性 1相容性幾種質粒同時共存于同一菌體內 2不相容

8、性不能同時共存 可借此對質粒進行分組、分群常見的質粒類型致育質粒（fertility plasmid、F質粒） 編碼性菌毛，介導細菌之間的接合傳遞；耐藥性質粒（resistance plasmid、R質粒） 編碼細菌對抗菌藥物或重金屬鹽類的耐藥性。分兩類，一 是接合性耐藥質粒（R質粒），另一是非接合耐藥性質粒 （r質粒)；毒力質粒（Virulence plasmid, Vi質粒） 編碼與該菌致病性有關的毒力因子,S.aureus的表皮剝脫素；細菌素質粒 ( Col plasmid) 編碼細菌產生的細菌素；代謝質粒( metabolic plasmid) 編碼產生相關的代謝酶。 (1) 致育質粒

9、(Fertility plasmid，F質粒) 又稱F質粒，其大小約100kb，這是最早發現的一種與大腸桿菌的有性生殖現象（接合作用）有關的質粒。攜帶F質粒的菌株稱為F+菌株（相當于雄性），無F質粒的菌株稱為F-菌株（相當于雌性）。F因子能以游離狀態(F+)和以與染色體相結合的狀態(Hfr)存在于細胞中，所以又稱之為附加體(episome)。在志賀氏菌屬（Shigella）、沙門氏菌屬（Salmonella）和鏈球菌屬（Streptococcus）等其他細菌中也發現了與大腸桿菌類似的致育因子。在放線菌中，天藍色鏈霉菌含有SCP1和SCP2兩種致育質粒，這兩種質粒在天藍色鏈霉菌的接合過程中起重要

10、作用，帶動染色體從供體細胞向受體細胞轉移。(2)抗性質粒（Resistance plasmid，R質粒）包括抗藥性和抗重金屬二大類，簡稱R質粒。R100質粒(89kb)可使宿主對下列藥物及重金屬具有抗性：汞（mercuric ion ，mer）四環素（tetracycline，tet ）鏈霉素(Streptomycin, str)、磺胺(Sulfonamide, sul)、氯霉素(Chlorampenicol, cml)夫西地酸（fusidic acid，fus）負責這些抗性的基因是成簇地存在于抗性質粒上?？剐再|粒在細菌間的傳遞是細菌產生抗藥性的重要原因之一。(3)Col 質粒：產細菌素的質粒

11、（Bacteriocin production plasmid）細菌素結構基因、 涉及細菌素運輸及發揮作用（processing）的蛋白質的基因、 賦予宿主對該細菌素具有“免疫力”的相關產物的基因一般都位于質粒或轉座子上，因此，細菌素可以殺死同種但不攜帶該質粒的菌株。細菌素：許多細菌都能產生某些代謝產物，抑制或殺死其他近緣細菌或同種不同菌株，因為這些代謝產物是由質粒編碼的蛋白質，不象抗生素那樣具有很廣的殺菌譜，所以稱為細菌素（bacteriiocin）(4) 代謝質粒（Metabolic plasmid） 質粒上攜帶有有利于微生物生存的基因，如能降解某些基質的酶，進行共生固氮，或產生抗生素（某

12、些放線菌）等。將復雜的有機化合物降解成能被其作為碳源和能源利用的簡單形式，環境保護方面具有重要的意義。假單胞菌： 具有降解一些有毒化合物，如芳香簇化合物(苯)、農藥(2,4dichlorophenoxyacetic acid)、辛烷和樟腦等的能力。降解質粒TOL質粒：含分解甲苯的基因；CAM-OCT質粒：含分解樟腦辛烷的基因 轉座（transposon)：是指轉座因子從染色體的一個位置轉移到另一位置，或者在質粒與染色體之間轉移的過程。轉座子有二類： 插入序列(insertion sequence , IS)：最小，不超過2kb, 只攜帶與轉座功能有關的基因。 轉座子(transposon ,

13、Tn)：長度一般超過2kb，除攜帶與轉位有關的基因外還攜帶其他基因（如耐藥性、毒素基因等）. 噬 菌 體bacteriophagebacteriophagebacteriophagebacteriophagebacteriophagebacteriophage 概念：是一類感染細菌、真菌、放線菌或螺旋體等微生物的病毒，因為噬菌體能引起宿主菌的裂解，故稱噬菌體。 具有病毒的基本特性.噬菌體（bacteriophage, phage）噬菌體的生物學性狀噬菌體的大小與形態噬菌體的結構噬菌體的化學組成噬菌體的寄生性噬菌體的抵抗力噬菌體的分類 噬菌體與其他微生物大小的比較葡萄球菌（1 m）支原體、立克次

14、體、衣原體（0.3 0.6 m）口蹄疫病毒（20nm）痘病毒（300nm）卵蛋白分子（10nm）噬菌體（6595nm）個體微小，以nm為測量單位，需用電子顯微鏡觀察噬 菌 體 的 形 態微球形蝌蚪形細桿形尾鞘尾絲核酸（線狀雙股DNA)有尾型噬菌體結構尾刺頭部尾部尾領尾髓尾板噬 菌 體 的 化 學 組 成核 酸蛋白質DNA 或 RNA頭部衣殼尾部結構噬 菌 體 的 分 類根據噬菌體的核酸組成DNA噬菌體RNA噬菌體根據噬菌體與宿主的關系毒性噬菌體（virulent phage) 溫和噬菌體（temperate phage）又稱 為溶源性噬菌體 毒性噬菌體（virulent phage）能在宿主菌

15、細胞內，利用宿主菌的酶、能量進行復制增殖，產生子代噬菌體并使宿主菌裂解的噬菌體為毒性噬菌體。 毒 性 噬 菌 體 的 復 制 增 殖 1、吸 附 是噬菌體與細菌表面相應受體特異性結合的過程 2、穿 入有尾噬菌體將頭部的DNA注入宿主菌內無尾噬菌體經脫殼進入宿主菌內，類似于動物病毒的穿入過程 3、生物合成利用宿主菌的酶和能量復制 核酸及合成蛋白質 4、 成熟與釋放程序組裝菌細胞裂解，噬菌體釋放毒 性 噬 菌 體 的 復 制 增 殖1、吸附2、穿入3、生物合成4、成熟與釋放噬菌體在固體培養基中與細菌共同培養后形成的噬斑 噬菌現象均勻混濁澄清痢疾桿菌大腸桿菌痢疾桿菌噬菌體痢疾桿菌噬菌體痢疾桿菌培養液

16、噬斑肉湯結論：噬菌體可以裂解細菌并具有高度特異性溫 和 噬 菌 體某些噬菌體感染宿主菌后，將其基因整合到宿主菌基因組并隨宿主基因的復制而復制，當宿主菌分裂時，噬菌體的基因亦隨之分配到兩個子代宿主菌基因組中；在某些因素作用下，可裂解其感染宿主菌的噬菌體稱之。前噬菌體-整合在細菌染色體上的噬菌體基因組溶原性細菌-帶有前噬菌體基因組的細菌溫 和 噬 菌 體 的 復 制 繁 殖1、吸附2、穿入3、前噬菌體形成4、溶原性周期5、一定條件下，前噬菌體脫離細菌染色體6、溶菌性周期溶原性細菌誘導前噬菌體溶菌性周期溶原性周期噬菌體的應用細菌的鑒定分子生物學研究的重要工具細菌感染的診斷與治療第三節 微生物變異的常

17、見類型野生型: -從自然界分離到的菌株一般稱野生型菌株（wild type strain），簡稱野生型。 突變株: -野生型經突變后形成的帶有新性狀的菌株，稱為突變株（mutant）。 （1）營養缺陷型（auxotroph） 一種缺乏合成其生存所必須的營養物（包括氨基酸、維生素、堿基等）的突變型，只有從周圍環境或培養基中獲得這些營養或其前體物（precursor）才能生長。營養缺陷型是微生物遺傳學研究中重要的選擇標記和育種的重要手段表型判斷的標準：在基本培養基上能否生長（2）抗藥性突變型（resistant mutant）基因突變使菌株對某種或某幾種藥物，特別是抗生素，產生抗性。特點：正選擇標

18、記（突變株可直接從抗性平板上獲得-在加有相應抗生素的平板上，只有抗性突變能生長。所以很容易分離得到。）（3）條件致死突變型（conditional lethal mutant） 在某一條件下具有致死效應，而在另一條件下沒有致死效應的突變型。常用的條件致死突變是溫度敏感突變，用ts（temperaturesensitive）表示，這類突變在高溫下（如42）是致死的，但可以在低溫（如25-30）下得到這種突變。特點：負選擇標記這類突變型常被用來分離生長繁殖必需的突變基因（4）毒力變異株 微生物長期培養于加有特殊化學成分的培養基或長期通過不同的動物穿戴，其毒力能夠降低。 膽汁、甘油、馬鈴薯培養基牛型

19、結核桿菌 卡介苗 13年(230代) （1908）第四節 微生物變異的機制細 菌 變 異 的 機 制 表型變異（非遺傳性變異） 基因型變異（遺傳性變異）突變（mutation)與損傷后修復轉移與重組轉化 (transformation)接合 (conjugation)轉導 (transduction)溶原性轉換 (lysogenic conversion)原生質體融合（protoplast fusion)一 、基因突變1.自發性和不對應性基因突變的共同特征2.稀少性3.可誘發性4.獨立性5.可逆性6.穩定性一、基因突變的分子基礎(一)自發突變 (二)誘發突變引起自發突變的原因主要有以下幾方面：

20、 背景輻射和環境因素引起； 有害代謝產物引起； 互變異構效應引起的堿基配對錯誤； DNA復制過程中堿基配對錯誤 ； 轉座因子的作用。通過人為的方法，利用物理、化學或生物因素顯著提高自發突變頻率的手段 。生物體在無人工干預下自然發生的低頻率突變（10-6-10-9 ）。它是生物進化的根源。(二)、誘發突變誘變劑（mutagen）：凡能提高基因突變頻率的因素統稱為誘變劑誘變劑的種類物理誘變劑化學誘變劑生物誘變劑堿基類似物誘變劑； 與堿基起化學反應的誘變劑；嵌入誘變劑； ：輻射和熱：轉座因子基 因 突 變堿基置換氨基酸改變半胱氨酸酪氨酸堿基丟失堿基顛換二、基因的轉移和重組一、轉化（Transform

21、ation）受體菌直接攝取供體菌游離的DNA片斷并重組使其獲得新的性狀的過程。自然遺傳轉化（natural genetic transformation）人工轉化（artificial transformation）感受態細胞：具有攝取外源DNA能力的細胞（competent cell）自然遺傳轉化的進行涉及到細菌染色體上幾十個基因的功能及彼此間的相互協調，因此被認為是名副其實 的細菌水平基因轉移途徑。自然感受態與人工感受態的不同自然感受態的出現是細胞一定生長階段的生理特性。 人工感受態則是通過人為誘導的方法，使細胞具有攝取DNA的能力， 或人為地將DNA導入細胞內。 與細菌自身的遺傳控制無關

22、受細菌自身的基因控制一般出現在細菌生長的中、后期1928年，Griffith發現肺炎鏈球菌（Streptococcus pneumoniae） 的轉化現象目前已知有二十多個種的細菌具有自然轉化的能力進行自然轉化的條件：建立了自然感受態的受體細胞外源游離DNA分子 DNA是遺傳物質的確證； 基因工程技術的建立； 重要的微生物遺傳學方法；轉 化 transformationABCD結合蛋白枯草芽孢桿菌的自然轉化過程（革蘭氏陽性菌的轉化模型）轉化后的結果 轉化子和非轉化子1、只有少數菌屬可發生轉化。2、受菌處于感受態，才可攝取外源DNA3、供菌DNA必須與受菌DNA同源性4、供菌DNA只有單股與受菌

23、染色體發生整合,故只有一個子代細菌帶供菌的DNA。 特點 細菌通過性菌毛的接觸溝通將 DNA從供菌 轉移到受菌中的方式。 概念： 方式：接 合 conjugationF質粒接合 Hfr菌接合R質粒接合F 質 粒 接 合通過性菌毛的接觸溝通將接合性質粒從供菌轉移到受菌。 接合時F因子的轉移與復制F因子的四種細胞形式b）F+ ；（ F因子獨立存在，有性菌毛）。c）Hfr；F因子插入到染色體DNA上，有性菌毛。d）F；F因子因不正常切割而脫離染色體時， 形成游離的但攜帶一小段染色體基因的F因子。 細胞表面同樣有性菌毛。a） F- ； （“雌性”菌株，無性菌毛）“雄性”菌株（1） F+F-雜交雜交的結

24、果：給體細胞和受體細胞均成為F+細胞理化因子的處理可將F因子消除而使F+菌株變成F-菌株F+菌株的F因子向F-細胞轉移，但含F因子的宿主細胞的染色體DNA一般不被轉移。Hfr菌株的F因子插入到染色體DNA上，因此只要發生接合轉移轉移過程，就可以把部分甚至全部細菌染色體傳遞給F-細胞并發生重組，由此而得名為高頻重組菌株（2）Hfr F-雜交Hfr菌株仍然保持著F+細胞的特征，具有F性菌毛，并象F+一樣與F-細胞進行接合。所不同的是，當OriT序列被缺刻螺旋酶識別而產生缺口后，F因子的先導區(leading region)結合著染色體DNA向受體細胞轉移，F因子除先導區以外，其余絕大部分是處于轉移

25、染色體的末端，由于轉移過程常被中斷，因此F因子不易轉入受體細胞中，故HfrF-雜交后的受體細胞(或接合子)大多數仍然是F-染色體上越靠近F因子的先導區的基因，進入的機會就越多，在F-中出現重組子的的時間就越早，頻率也高。F因子不易轉入受體細胞中，故HfrF-雜交后的受體細胞（或稱接合子）大多數仍然是F-。Hfr菌株內的F因子因不正常切割而脫離染色體時，形成游離的但攜帶一小段染色體基因的F因子，特稱為F因子。FF-與F+F-的不同：給體的部分染色體基因隨F一起轉入受體細胞a）與染色體發生重組；b）繼續存在于F因子上，形成一種部分二倍體；（3）FF-雜交Hfr：F質粒進入受體菌后，少數F質粒插入到

26、受體菌 的染色體中，與染色體一起復制（整合）。整合后的細菌有可能提高轉移染色體基因的頻率，稱此菌為高頻重組菌（high friquency recombinant，Hfr）。 F質粒：Hfr菌中的F質?？蓮娜旧w染色體上脫落下來，并會帶染色體基因或DNA片段，稱其為 F質粒。F+ 、 Hfr、 F質粒：三種菌都有性菌毛，均可通過接合方式進行基因的轉移。通過接合方式轉移的質粒為接合性質粒如F質粒、R質粒。不能通過接合方式轉移的質粒為非接合性質粒如葡萄球菌的R質粒。革蘭陽性菌之間的接合是依賴供體菌表面的黏附素，使供受體菌細胞形成聚集體，完成R質粒的轉移。R 質粒接合R 質粒包括：耐藥傳遞因子（RT

27、F）：編碼性菌毛耐藥決定因子（r factor）：編碼耐藥性ACDB R質粒結構圖Tn9 帶氯霉素R因子 Tn4 帶氨芐青霉素、鏈霉素和磺胺 R因子 Tn5帶卡那霉素、博來霉素和鏈霉素 R因子 耐藥傳遞因子編碼菌毛轉 導 transduction 概 念： 以噬菌體為媒介， 將供菌的一段DNA轉移到 受菌中的過程。 普遍性轉導 局限性轉導缺陷噬菌體部分缺陷噬菌體完全缺陷噬菌體普遍性轉導-完全缺陷噬菌體可以轉導給體染色體的任何部分到受體細胞中的轉導過程。普遍性轉導也可轉導質粒，如金葡菌的質粒的獲得葡萄球菌R質粒普遍性轉導的三種后果：完全轉導：進入受體的外源DNA通過與細胞染色體的重組交換而形成穩定的轉導子流產轉導（abortive transduction）轉導DNA不能進行重組和復制，但其攜帶的基因可經過轉錄而得到表達。外源DNA被降解，轉導失敗局限性轉導-進入溶原期的溫和噬菌體，以前噬菌體形式整合在細菌染色體的某一位置，當其自發或經誘導中止溶原狀態，前噬菌體脫離細菌染色體時，脫離的前噬菌體基因攜帶出與它緊密連鎖的細菌的DNA片斷，使受體菌獲得供體菌的某種遺傳性狀的過程。Gal：半乳糖操縱子 bio：生物素操縱子 普遍性轉導與局限性轉導的區別區別要點普遍性轉導局限性轉導基因轉導發生的時期裂解期