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第七章MicrobialGeneticsandVariation遗传和变异的几个概念:•遗传(heredity)–生物的上一代将自己的遗传因子传递给下一代的行为或功能，具有极其稳定的特性。–遗传型(genotype)某一生物所含有的遗传信息即DNA中正确的核苷酸序列。生物体通过这个核苷酸序列控制蛋白质或RNA的合成，一旦功能性蛋白质合成，可调控基因表达。•表型(phenotype)–某一生物体所具有的一切外表特征及内在特性的总和，是遗传型在合适环境条件下的具体体现。是一种现实性。表型发育代谢遗传型＋环境条件•遗传型是一种内在可能性或潜力，其实质是遗传物质上所负载的特定遗传信息。•具有某遗传型的生物只有在适当的环境条件下通过自身的代谢和发育，才能将它具体化，即产生表型。遗传和变异的几个概念:•饰变(modification)指不涉及遗传物质结构改变，只发生在转录、转译水平上的表型变化。•特点：每一个体都发生变化性状变化的幅度小；因遗传物质不变故饰变是不遗传的。–粘质沙雷氏菌(Serratiamarcescens)在25℃下培养时会产生深红色的灵杆菌素，在37℃时不产生色素。遗传和变异的几个概念:•变异（Variation）是生物体在某种外因或内因作用下引起的遗传物质结构改变，亦即遗传型的改变。•特点：–几率极低(一般为10-5~10-6)；–性状变化幅度大；–变化后的新性状是稳定的、可遗传的。细菌变异变异(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。形态结构的变异毒力变异耐药性变异菌落变异一.形态结构的变异细菌的大小和形态在不同的生长时期可不同，生长过程中受外界环境的影响也可发生变异。如：鼠疫耶氏菌在陈旧培养物上细菌的多形态性、细菌L型。细菌的特殊结构如：荚膜（肺炎链球菌）芽胞（炭疽芽孢杆菌）鞭毛（变形杆菌H-O变异）也可发生变异。形态结构变异•3-6%食盐鼠疫杆菌────→多形态性(衰残型)。琼脂培基形态结构变异•青霉素、溶菌酶正常形态细菌──────→L型变异抗体或补体(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(增强)•无毒力的白喉棒状杆菌常寄居在咽喉部，不致病；当感染了β-棒状噬菌体后变成溶原性细菌，则获得产生白喉毒素的能力，引起白喉。β棒状噬菌体白喉棒状杆菌────→获得白喉毒素毒力变异(减弱)•有毒菌株长期在人工培养基上传代培养，可使细菌的毒力减弱或消失。–卡介苗(BCG)是有毒的牛分枝杆菌在含有胆汁的甘油、马铃薯培养基上，经过13年，连续穿230代，获得的一株毒力减弱但仍保持免疫原性的变异株。•胆汁、甘油、马铃薯培养基牛型结核杆菌────────→卡介苗13年(230代)耐药性变异•细菌对某种抗菌药物由敏感变为耐药的变异。金黄色葡萄球菌耐青霉素的菌株已从1946年的14%上升至目前的80%。–多重耐药性：有些细菌还表现为同时耐受多种抗菌药物，•含链霉素培基痢疾杆菌─────→依链株(耐药菌株)长期培养•从抗生素广泛应用以来，细菌对抗生素耐药的不断增长是世界范围内的普遍趋势，给临床治疗带来很大的困难，并成为当今医学上的重要问题。菌落变异细菌的菌落主要有光滑(smooth,S)型和粗糙(rough,R)型两种。S型菌落表面光滑、湿润、边缘整齐。经人工培养多次传代后菌落表面边为粗糙、干燥、边缘不整齐，称S—R变异。在陈旧培养基中长期培养光滑型菌落─────→粗糙型菌落S或在有免疫力的人体内RR型菌落S型菌落突变(mutation)：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遗传性变异：非遗传性变异：遗传性变异：是细菌的基因结构发生了改变，故又称基因型变异。常发生于个别的细菌，不受环境因素的影响，变异发生后是不可逆的，产生的新性状可稳定地遗传给后代。非遗传性变异：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，称为表型变异。易受到环境因素的影响，凡在此环境因素作用下的所有细菌都出现变异，而且当环境中的影响因素去除后，变异的性状又可复原，表型变异不能遗传。第一节遗传变异的物质基础一、遗传物质化学本质的确证二、遗传物质在细胞内的存在部位和方式一、三个经典实验•F.Griffith的转化实验•噬菌体感染实验•TMV重建实验•结论：核酸是负荷遗传信息的物质基础㈠F.Griffith的转化实验1.动物实验加活R菌或死S菌小鼠（活）小鼠（活）加活S菌小鼠（死）加活R菌和死S菌小鼠（死）抽血分离出活的S菌backF.Griffith的转化实验说明：加热杀死的S型细菌细胞内可能存在一种转化物质，它能通过某种方式进入R型细胞并使R型细胞获得稳定的遗传性状，转变为S型细胞。2.细菌培养试验热死的S菌不生长活的R菌生长出R菌热死的S菌+活的R菌生长出S菌3.S型菌的无细胞抽提液实验活的R型菌+S型菌无细胞抽提液长出大量的R型菌和少量的S型菌加活R菌和死S菌小鼠（死）•注：R（Rough）、S（Smooth）•以上实验说明：加热杀死的SIII型细菌细胞内可能存在一种转化物质，它能通过某种方式进入RII型细胞并使RII型细胞获得稳定的遗传性状，转变为SIII型细胞。1944年O.T.Avery、C.M.MacLeod和M.McCarty从热死S型S.pneumoniae中提纯了可能作为转化因子的各种成分，并在离体条件下进行了转化试验：只有S型细菌的DNA才能将S.pneumoniae的R型转化为S型。且DNA纯度越高，转化效率也越高。说明S型菌株转移给R型菌株的，是遗传因子。①加S菌DNA②加S菌DNA及DNA酶以外的酶③加S菌的DNA和DNA酶④加S菌的RNA⑤加S菌的蛋白质⑥加S菌的荚膜多糖活R菌长出S菌只有R菌噬菌体感染实验•用含-DNA的噬菌体作感染实验P32•用含蛋白质的噬菌体作感染S35backTMV重建实验•TMV重建实验示意图back（一）核酸存在的七个水平及质粒细胞水平：存在于细胞核或核质体，单核或多核细胞核水平:原与真核生物的细胞核结构不同，核外DNA染色体水平:倍性(真核)和染色体数核酸水平：在原核中同染色体水平、存在部分二倍体DNA或RNA，复合或裸露，双链或单链基因水平：具自主复制能力的遗传功能单位，长度与信息量，转录——翻译密码子水平：信息单位,起始和终止,核苷酸水平：突变或交换单位，四种碱基二．遗传物质在细胞内的存在部位和方式细菌遗传变异的物质基础染色体质粒转位因子细菌染色体•细菌属于原核细胞型微生物,细菌染色体是环状双螺旋DNA，不含组蛋白,无核膜包围。•基因,是具有一定生物学功能的核苷酸序列，如编码结构蛋白、酶等功能。细菌基因的结构是连续的,无内含子。•细菌染色体DNA的复制：大肠埃希菌已证明是双向复制基因是一段DNA基因A基因BDNA转录基因A基因BmRNA翻译蛋白质A蛋白质B蛋白质原核生物外显子1外显子2内含子1内含子2基因XDNA外显子1外显子2内含子1内含子2初始RNA转录物转录加工过程中内含子被切除外显子1外显子2成熟的mRNA细胞核转运到细胞质外外显子2外显子1mRNA翻译蛋白质X蛋白质细胞质真核生物•大肠杆菌基因–4100个基因，4.7×106bp–遗传信息的连续性–功能相关的结构基因组成操纵子–结构基因单拷贝及rRNA多拷贝–基因的重复序列少而短•是游离于原核生物基因组以外、具有独立复制能力的小型共价闭合环状的dsDNA分子（cccDNA）•目前仅发现于原核微生物和真核微生物的酵母菌。•质粒存在的三种形态–麻花状的超螺旋结构1.5～300kb，Mw106～8，相当于约1％核基因组–线状质粒：天蓝色链霉菌、赫氏蜱疏螺旋体•大小：约为2～100×106，上面携带有数个到数十个甚至上百个基因。质粒(plasmid)质粒的特征•存在方式：可以在细胞质中独立于染色体之外独立存在（游离态），也可以通过交换掺入染色体上，以附加体（episome）的形式存在；质粒的特征•复制能力：质粒是一种复制子（replicon），根据自我复制能力的不同，单拷贝或多拷贝。可把质粒复制的控制形式分为严紧型和松弛型两种，–严紧型质粒的复制受细胞核控制，与染色体DNA复制相伴随,一般一个寄主细胞内只有少数几个（1～5）个拷贝；–松弛型质粒的复制不受细胞核控制，在染色体DNA复制停止的情况下仍可以进行复制，在细胞内的数量可以达到10～200个或更多质粒的特征•有转移性：可以通过转化、转导或接合作用而由一个细菌细胞转移到另一个菌细胞中，使两个细胞都成为带有质粒的细胞；–质粒转移时，它可以单独转移，也可以携带着染色体（片段）一起进行转移，所以它可成为基因工程的载体。•编码产物赋予细菌某些性状特征•对于细菌的生存并不是必要的可自行丢失与消除•功能多样化质粒的特征•可整合性质粒可以与核染色体发生整合与脱离，如F因子，这种质粒称附加体整合：指质粒或温和噬菌体、病毒、转化因子等小型非染色体DNA插入核基因组等大型DNA分子中的现象•重组性质粒与质粒之间、质粒与核染色体之间的基因重组质粒的功能：•进行细胞间接合，并带有一些基因，如产生毒素、抗药性、固氮、产生酶类、降解功能等。存在范围：•很多细菌如E.coli、Shigella、S.aureus、Streptococcuslactis、根癌土壤杆菌等质粒消除的因素：•吖啶类染料、丝裂霉素C、紫外线、利福平、重金属离子、高温质粒的分离与鉴定•质粒分离的步骤–细胞培养–细胞裂解–蛋白质和RNA的去除–质粒DNA与染色体DNA分离：关键•质粒的鉴定–电镜–琼脂糖凝胶电泳：确定分子量–聚丙烯酰胺凝胶电泳–密度梯度离心–质粒的限制性酶切图谱质粒在基因工程中的应用•质粒用于基因工程操作的优点–体积小–环状–独立复制起始点–拷贝数多–选择性标记：抗性基因•质粒的应用克隆载体：能够完成外源DNA片段复制的DNA分子质粒基因可编码多种重要的生物学性状1)致育质粒（F质粒）与有性生殖功能关联；2)耐药性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；3)毒力质粒（Vi质粒）编码与该菌致病性有关的毒力因子；4)细菌素质粒编码细菌产生细菌素；5)代谢质粒编码产生相关的代谢酶。几种代表性质粒：•致育因子或性因子—F因子（fertilityfactor）–双链DNA，足以编码94个中等大小多肽，其中1/3基因（tra区）与接合作用有关。–与有性生殖有关•带有F质粒的为雄性菌，能长出性菌毛；•无F质粒的为雌性菌，无性菌毛–存在于肠细菌属、假单胞菌属、嗜血杆菌、奈瑟氏球菌、链球菌等细菌中，决定性别。耐药性质粒—R因子（resistencefactor）•编码细菌对抗菌药物或重金属盐类的耐药性。•R因子由相连的两个DNA片段组成，–抗性转移因子（resistencetransforfactor，RTF）分子量约为11×106Dalton，控制质粒copy数及复制，抗性决定质粒大小不固定，从几百万到100×106Dalton以上。其上带有其它抗生素的抗性基因。–抗性决定R因子（r-determinant）•R-因子在细胞内的copy数可从1~2个到几十个，分为严紧型和松弛型两种，经氯霉素处理后，松弛型质粒可达2000~3000个/细胞。•最初发现于痢疾志贺氏菌（Shigelladysenteriae），后来发现还存在于Salmonella、Vibrio、Bacillus、Pseudomonas和Staphylococcus中。毒力质粒（Vi质粒）•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由ST质粒编码的。–细菌粘附定植在肠粘膜表面是由K质粒决定的。降解性质粒•只在假单胞菌属中发现。它们的降解性质粒可为一系列能降解复杂物质的酶编码，从而能利用一般细菌所难以分解的物质做碳源。这些质粒以其所分解的底物命名，–例如•分解CAM（樟脑）质粒，•分解XYL（二甲苯）质粒，•分解SAL（水杨酸）质粒，•分解MDL（扁桃酸）质粒，•分解N