第4章 细菌的遗传和变异 Heredity and Variation

细菌的遗传 遗传（heredity） 细菌在一定的环境中生长增殖，通过DNA的复制，将亲代的各种性状稳定地传给子代，使种属保持原有的性状。

表型变异（ phenotypic variation ） 基因型突变（ genotypic mutation ） 基因改变 + - 遗传 可逆性 外界环境 变异幅度 个别细胞 群体

细菌的变异现象 形态的变异 30g/L NaCl Yersinia pestis polymorphism      old culture medium

结构变异 毒力变异——BCG 耐药性变异 菌落形态变异

第一节 细菌遗传变异的物质基础 ——细菌基因组

基因组（genome） 细菌染色体（chromosome） 染色体和染色体外遗传物质 双链DNA分子组成的封闭的环 缺乏组蛋白 外无核膜包绕 长度250－35 000μm 580kb至超过4500kb的DNA 结构复杂 质粒 前噬菌体 转位因子

Two circular molecules Chromosome1 2.961 2770 Chromosome2 1.073 1115 Genome organization Species DNA molecules Size (Mb) Number of genes Escherichia coli K-12 One circular molecule 4.639 4397 Vibrio cholerae El Tor N16961 Two circular molecules Chromosome1 2.961 2770 Chromosome2 1.073 1115 Deinococcus radiodurans R1 Four circular molecules Chromosome 1 2.649 2633 Chromosome 2 0.412 369 Megaplasmid 0.177 145 Plasmid 0.046 40 Borrelia burgdorferi B31 seven or eight circular molecules, 11 linear molecules Linear chromosome 0.911 853 Circular plasmid cp9 0.009 12 Circular plasmid cp26 0.026 29 Circular plasmid cp32* 0.032 Not known Linear plasmid lp17 0.017 25 Linear plasmid lp25 0.024 32 Linear plasmid lp28-1 0.027 Linear plasmid lp28-2 0.030 34 Linear plasmid lp28-3 0.029 41 Linear plasmid lp28-4 43 Linear plasmid lp36 0.037 54 Linear plasmid lp38 0.039 52 Linear plasmid lp54 0.054 76 Linear plasmid lp56 0.056 There are 5 or 6 similar versions of plasmid cp32 per bacterium.

质粒（plasmid） 细菌染色体以外，不依赖于染色体而自我复制的遗传物质 特征 自我复制能力 携带遗传信息 可自行丢失与消除 转移性 相容性和不相容性

几种重要的质粒 致育质粒（F质粒） 耐药质粒 毒力质粒（Vi质粒） 细菌素质粒 代谢质粒

前噬菌体（prophage） 噬菌体（bacteriophage, phage） 在细菌内增殖的专性细胞内寄生微生物 感染细菌的病毒 增殖依赖于宿主细胞的部分或全部生物合成机制

形态与结构 蝌蚪形、微球形和丝形 化学组成 蛋白质与核酸

噬菌体的种类 毒性噬菌体（virulent phage） 温和噬菌体（temperate phage） 能在宿主菌细胞内复制增殖，产生许多子代噬菌体，并最终裂解细菌，称为毒性噬菌体 温和噬菌体（temperate phage） 溶原性噬菌体 （lysogenic phage） 噬菌体基因与宿主菌染色体整合，不产生子代噬菌体，但噬菌体DNA能随细菌DNA复制，并随细菌的分裂而传代

生物合成 Biological Synthesis 成熟和释放 Maturation and Release 毒性噬菌体增殖周期 Life Cycle 吸附 Adsorption 穿入 Penetration 生物合成 Biological Synthesis 成熟和释放 Maturation and Release

温和噬菌体 前噬菌体（prophage） 溶原性细菌（lysogenic bacterium） 溶原性（lysogeny） 溶原状态 溶原性周期和溶菌性周期

Lysogenic bacterium

溶原性转换 lysogenic conversion 当细菌处于溶原期时，有时由噬菌体携带的外源基因会在宿主菌内表达，从而改变了细菌的某些生物学性状 白喉棒状杆菌、A群链球菌、肉毒梭菌、产气荚膜梭菌、霍乱弧菌

转位因子 Transposable element 存在于细菌染色体或质粒DNA分子上的一段可移动的遗传的遗传元素，它能在一个基因组内或不同的基因组间从一个位置移动到另一个位置 插入序列 （Insertion sequence） 转座子 （Transposon，Tn） 转座噬菌体

插入序列（insertion sequence,IS） 是最小的转位因子，＜2kb，不携带任何已知与插入功能无关的基因区域 转座子（transposon,Tn） ＞2kb，除携带与转位有关的基因外，还携带耐药性基因、抗金属基因、毒素基因及其他结构基因 可能与细菌的多重耐药性有关 IS Resistance Gene(s) Tn

转座子的特征 转座子 携带耐药或毒素基因 Tn1 Tn2 Tn3 AP（氨苄青霉素） Tn4 AP、SM（链霉素）、Su（磺胺） Tn5 Km（卡那霉素） Tn6 Km Tn7 TMP（甲氧苄氨嘧啶）、SM Tn9 Cm（氯霉素） Tn10 Tc（四环素） Tn551 Em（红霉素） Tn971 Em Tn1681 大肠埃希菌（肠毒素基因）

转座噬菌体 是一些具有转座功能的溶原性噬菌体，含有与转位功能有关的基因等，能整合到宿主染色体的任何位置，导致宿主菌突变

第二节 细菌遗传性变异的机制

细菌遗传性变异机制 基因的突变和损伤后修复 基因的转移和重组

突变 （mutation） 核苷酸的置换 多位点突变（multisite mutation） 点突变（point mutation） 插入 丢失

突变的特点 自发性和不对应性 稀有性 可诱发性 独立性 稳定性 可逆性

DNA的损伤修复 DNA修复过程的错误引起变异的产生 “SOS”修复

基因的转移和重组 基因转移（gene transfer） 重组（recombination） 外源性的遗传物质由供体菌转入某受体菌细胞的过程称为基因转移 重组（recombination） 转移的基因与受体菌DNA整合在一起称为重组，使受体菌获得供体菌的某些性状 细菌的基因转移和重组可通过转化、接合、转导等方式进行。

转化（transformation） 供体菌裂解后，游离的DNA片段被受体菌直接摄取，并整合到受体菌基因组中，使受体菌获得新的性状

转化试验——1928年

转化过程 处于感受态（competence）的受体菌 转化因子（transforming principle）：分子量小于107，最多不超过10~20个基因

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 接合性质粒：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、Col质粒和毒力质粒等

F质粒的接合 oriT F+ F+ F- F+ F- Donor Recipient F+ F+ F+ F+

High frequency recombinant, Hfr 高频重组菌 High frequency recombinant, Hfr

Hfr的接合

Hfr状态的终止

R质粒的接合 日本首先分离到抗多种药物的宋内志贺菌多重耐药株，多重耐药性很难用基因突变解释。 健康人中大肠埃希菌30%~50%有R质粒，而致病性大肠埃希菌90%有R质粒。 与多重耐药性有关。耐药质粒从一个细菌转移到另一个细菌中。

R质粒 耐药传递因子（resistance transfer factor,RTF） 与F质粒相似，编码性菌毛的产生和通过接合转移

转导（transduction） 以噬菌体为载体，将供体菌的一段DNA转移到受体菌内，使受体菌获得新的性状。 普遍性转导（generalized transduction） 局限性转导（restricted transduction）

普遍性转导 generalized transduction 毒性噬菌体在复制过程中，或者前噬菌体从溶原菌染色体上脱离而进入裂解期的后期，噬菌体DNA组装入衣壳蛋白组成新的噬菌体时，可能发生装配错误，误将细菌的DNA片段装入噬菌体的衣壳蛋白，成为一个转导噬菌体。转导噬菌体感染另一宿主菌时，将原供体菌染色体DNA片段注入受体菌内 供体菌染色体上的任何部分都可能被包装入转导噬菌体，故称为普遍性转导

供体菌 受体菌 噬菌体DNA 细菌DNA 转导噬菌体

完全转导 complete transduction 流产转导 abortive transduction

局限性转导 restricted transduction 或称特异性转导， 所转导的只限于供体菌染色体上特定的基因

受体菌获得供体菌DNA特定部位的遗传特性 普遍性转导与局限性转导的区别 区别要点 普遍性转导 局限性转导 基因转导发生的时期 裂解期 溶原期 转导的原因 错误的装配 前噬菌体的偏差切离 转导的遗传物质 供体菌染色体DNA任何部位或质粒 噬菌体DNA及供体菌DNA的特定部位 转导的后果 受体菌随机获得供体菌的任何遗传特性 受体菌获得供体菌DNA特定部位的遗传特性

基因来源 转移方式 transformation 供体菌 直接摄取 conjugation 性菌毛 transduction 噬菌体为载体 lysogenic conversion 噬菌体 整合

第三节 细菌遗传变异的应用

细菌遗传变异的实际意义 在细菌分类学上的应用 在疾病的诊断、治疗与预防中的应用 在测定致癌物质中的应用 诱变剂在临床和工业生产中的应用 在流行病学中的应用 在基因工程中的应用

在细菌分类学上的应用 表型分类法 基因型分类法

在疾病的诊断、治疗与预防中的应用 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 耐药菌株日益增多，预防耐药性 药敏实验 早期足量 要有一定疗程,联合用药 不要滥用 减毒菌株和无毒株可制备成疫苗

在测定致癌物质中的应用 凡能诱导细菌发生突变的物质都有可能是致癌物质 Ames实验 伤寒沙门菌（his-） （his+）

在流行病学中的应用 分子生物学分析方法已被用于流行病学调查 质粒指纹图（PFP） 对噬菌体的敏感性，对细菌素的敏感性

在基因工程中的应用 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 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、rIL-2等细胞因子和乙肝疫苗等生物制品