细菌的遗传与变异

细菌和其他微生物一样，具有遗传性和变异性。细菌的形态、结构、新陈代谢、抗原性、毒力以及对药物的敏感性等翥是由细菌的遗传物质所决定的。

细菌的遗传与变异

• 细菌基因组
  • 染色体/类核
    • 1.单倍体
    • 2.不含组蛋白,无核膜
    • 3.具有操纵子(operon)结构
      • 原核生物共同的特点。功能相关的基因共同表达一个性状
    • 4.结构基因不含内含子(intron),转录后不需剪接加工
      • 原核生物边转录边翻译
    • 5.基因组DNA大部分用来编码蛋白质
    • 6.结构基因绝大多数无重叠现象
    • 7.细菌的种内和种间存在广泛的基因水平转移
      • 致病岛PAI
        • 致病菌染色体上存在编码与毒力相关的外源DNA片段
        • 非致病菌没有该结构
      • 耐药基因
        • 与耐药性的产生和传播密切相关
  • 质粒plasmid
    • 细菌染色体外的遗传物质，具有自我复制的能力。为双股环状DNA分子。
    • 质粒可游离于胞浆中或整合于染色体上
    • 分类
      • 毒力质粒/Vi (virulence plasmid )
      • 细菌素质粒/Col (colicinogenic plasmid )
      • 代谢质粒(metabolize plasmid)
      • 致育质粒/F (fertility plasmid )
        • 作用
          • 编码性菌毛
          • 介导细菌之间的接合
        • 在细菌中的存在形式
          • F+
            • 游离存在于细胞质
          • F'
            • 含带宿主菌基因的F质粒
          • Hfr
            • 高频重组株
            • F质粒完全整合于细菌染色体上，导致宿主菌染色体所含基因的高频转移
            • 有性菌毛
      • 耐药性质粒 (resistance plasmid)
        • 又名R质粒，在G-中多见
        • 结构
          • RTF
            • 耐药传递因子
            • 编码性菌毛和介导细菌之间的接合
          • R决定子
            • 耐药决定子
            • 编码对抗菌药物和重金属盐的耐药性　
    • 质粒的共同特征
      • 能自主复制
      • 决定宿主菌的某些生物学性状,但不是生命所必需
      • 转移性----质粒在细菌间的转移
        • 接合性质粒（Ｆ质粒；Ｒ质粒）
        • 非接合性质粒
      • 相容性与不相容性
      • 可自行丢失或经人工处理（高温、UV）消除
  • 整合在染色体中的噬菌体基因组
  • 转座因子
    • 细菌基因组中能改变自身位置的DNA序列，为移动基因
    • 通过自身编码产生的特殊重组酶导致转移或移位
      • ① 染色体内移位（A—B）
      • ② 染色体与质粒间
      • ③ 不同质粒之间
    • 分类
      • 插入序列
      • 转座子
        • 基因型变异
          • 基因重组 基因突变 染色体变异
          • 遗传物质的结构发生突然而稳定的改变
        • 表型变异
      • 转座噬菌体（如Mu噬菌体）
  • 整合子integron
    • 定位于细菌染色体、质粒或转座子上
    • 基本结构：两端为保守末端，中间为可变区，含一个或多个基因盒
    • 通过转座子或接合性质粒，使多种耐药基因在细菌中进行水平传播
    • 3个功能元件
      • 重组位点；整合酶基因；启动子
• 变异
  • 1.形态结构变异
  • 2.毒力变异： (Virulence) BCG（卡介苗） P140
  • 3.耐药性变异: (Drug-resistance)
  • 4.菌落变异： (Colony)
  • 5.抗原性变异：(Antigenicity)
    • 菌体抗原
• 基因的转移和重组
  • 遗传物质由供体菌(Donor)转移给受体菌(Recipient )--基因转移，并与受体菌的基因进行整合--基因重组，使受体菌获得供体菌的某些特性的过程
  • 分类
    • 转化 transformation
      • 受体菌直接摄取供体菌游离的DNA片段，并与本身的基因进行重组，从而获得新的性状的过程。
      • 条件
        • 供体菌
        • 受体菌
          • 感受态
    • 转导 transduction
      • 是以噬菌体为载体，将供体菌的遗传物质转移给受体菌，使受体菌获得新的性状的过程。
      • 类型
        • 普遍性转导
          • 转导性(假)噬菌体介导
          • 发生在温和或毒性噬菌体的裂解期
          • 噬菌体在组装成熟时误装了供菌DNA片段，成为转导（假）噬菌体
          • 转移的DNA:随机的供菌染色体或质粒片段
          • 结果
            • 完全转导
            • 流产转导abortive transduction（多见）
              • 供体菌的DNA与受体菌染色体不能进行重组,转导的片段不能自身复制，也不能传代，转导的片段只能沿单个细胞传递下去
        • 局限性转导
          • 温和性噬菌体介导
          • 发生在温和噬菌体的溶原期--- 前噬菌体从宿主菌染色体上脱落时发生偏差,将前噬菌体两侧的宿主染色体基因转移到受体菌,使受体菌遗传发生改变的过程
          • 转移DNA： 供菌染色体特定片段
    • 溶原性转换 conversion
      • 当温和噬菌体感染细菌时，噬菌体作为供体，宿主菌染色体中整合了噬菌体的DNA片段，从而获得新的遗传性状
    • 接合 conjugation
      • 供体菌与受体菌通过性菌毛相互沟通，将遗传物质从供体菌转移给受体菌，使受体菌获得新的性状。
      • R质粒的接合
      • F质粒的接合
        • F+ x F-
          • F+通过性菌毛与F-菌的表面受体结合，F-菌获得F质粒,两个质粒共环复制，F-变为F+菌
        • Hfr x F-
          • F-菌可获得不同长度染色体基因,但F-菌仍为F-菌
        • F’ x F-
          • F-菌获得F’质粒,F-菌变成F’ 菌
    • 原生质体融合 protoplast fusion
      • 1、不限于个别基因的转移而是整个染色体基因的转移
      • 2、同种、异种间都可发生
      • 3、可获得多种不同表型的重组融合体，但随机性大，寿命短
      • 原生质体：细菌经过溶菌酶或青霉素处理

染色体/类核

• 1.单倍体
• 2.不含组蛋白,无核膜
• 3.具有操纵子(operon)结构
  • 原核生物共同的特点。功能相关的基因共同表达一个性状
• 4.结构基因不含内含子(intron),转录后不需剪接加工
  • 原核生物边转录边翻译
• 5.基因组DNA大部分用来编码蛋白质
• 6.结构基因绝大多数无重叠现象
• 7.细菌的种内和种间存在广泛的基因水平转移
  • 致病岛PAI
    • 致病菌染色体上存在编码与毒力相关的外源DNA片段
    • 非致病菌没有该结构
  • 耐药基因
    • 与耐药性的产生和传播密切相关

质粒plasmid

• 细菌染色体外的遗传物质，具有自我复制的能力。为双股环状DNA分子。
• 质粒可游离于胞浆中或整合于染色体上
• 分类
  • 毒力质粒/Vi (virulence plasmid )
  • 细菌素质粒/Col (colicinogenic plasmid )
    • 大肠埃希菌Col质粒编码的大肠菌素
  • 代谢质粒(metabolize plasmid)
  • 致育质粒/F (fertility plasmid )
    • 作用
      • 编码性菌毛
      • 介导细菌之间的接合
    • 在细菌中的存在形式
      • F+
        • 游离存在于细胞质
      • F'
        • 含带宿主菌基因的F质粒
      • Hfr
        • 高频重组株
        • F质粒完全整合于细菌染色体上，导致宿主菌染色体所含基因的高频转移
        • 有性菌毛
  • 耐药性质粒 (resistance plasmid)
    • 又名R质粒，在G-中多见
    • 结构
      • RTF
        • 耐药传递因子
        • 编码性菌毛和介导细菌之间的接合
        • 不携带耐药基因
      • R决定子
        • 耐药决定子
        • 编码对抗菌药物和重金属盐的耐药性　
• 质粒的共同特征
  • 能自主复制
  • 决定宿主菌的某些生物学性状,但不是生命所必需
  • 转移性----质粒在细菌间的转移
    • 接合性质粒（Ｆ质粒；Ｒ质粒）
    • 非接合性质粒
  • 相容性与不相容性
  • 可自行丢失或经人工处理（高温、UV）消除

细菌基因组

• 染色体/类核
  • 1.单倍体
  • 2.不含组蛋白,无核膜
  • 3.具有操纵子(operon)结构
    • 原核生物共同的特点。功能相关的基因共同表达一个性状
  • 4.结构基因不含内含子(intron),转录后不需剪接加工
    • 原核生物边转录边翻译
  • 5.基因组DNA大部分用来编码蛋白质
  • 6.结构基因绝大多数无重叠现象
  • 7.细菌的种内和种间存在广泛的基因水平转移
    • 致病岛PAI
      • 致病菌染色体上存在编码与毒力相关的外源DNA片段
      • 非致病菌没有该结构
    • 耐药基因
      • 与耐药性的产生和传播密切相关
• 质粒plasmid
  • 细菌染色体外的遗传物质，具有自我复制的能力。为双股环状DNA分子。
  • 质粒可游离于胞浆中或整合于染色体上
  • 分类
    • 毒力质粒/Vi (virulence plasmid )
    • 细菌素质粒/Col (colicinogenic plasmid )
    • 代谢质粒(metabolize plasmid)
    • 致育质粒/F (fertility plasmid )
      • 作用
        • 编码性菌毛
        • 介导细菌之间的接合
      • 在细菌中的存在形式
        • F+
          • 游离存在于细胞质
        • F'
          • 含带宿主菌基因的F质粒
        • Hfr
          • 高频重组株
          • F质粒完全整合于细菌染色体上，导致宿主菌染色体所含基因的高频转移
          • 有性菌毛
    • 耐药性质粒 (resistance plasmid)
      • 又名R质粒，在G-中多见
      • 结构
        • RTF
          • 耐药传递因子
          • 编码性菌毛和介导细菌之间的接合
        • R决定子
          • 耐药决定子
          • 编码对抗菌药物和重金属盐的耐药性　
  • 质粒的共同特征
    • 能自主复制
    • 决定宿主菌的某些生物学性状,但不是生命所必需
    • 转移性----质粒在细菌间的转移
      • 接合性质粒（Ｆ质粒；Ｒ质粒）
      • 非接合性质粒
    • 相容性与不相容性
    • 可自行丢失或经人工处理（高温、UV）消除
• 整合在染色体中的噬菌体基因组
• 转座因子
  • 细菌基因组中能改变自身位置的DNA序列，为移动基因
  • 通过自身编码产生的特殊重组酶导致转移或移位
    • ① 染色体内移位（A—B）
    • ② 染色体与质粒间
    • ③ 不同质粒之间
  • 分类
    • 插入序列
    • 转座子
      • 基因型变异
        • 基因重组 基因突变 染色体变异
        • 遗传物质的结构发生突然而稳定的改变
      • 表型变异
    • 转座噬菌体（如Mu噬菌体）
• 整合子integron
  • 定位于细菌染色体、质粒或转座子上
  • 基本结构：两端为保守末端，中间为可变区，含一个或多个基因盒
  • 通过转座子或接合性质粒，使多种耐药基因在细菌中进行水平传播
  • 3个功能元件
    • 重组位点；整合酶基因；启动子

基因的转移和重组

• 遗传物质由供体菌(Donor)转移给受体菌(Recipient )--基因转移，并与受体菌的基因进行整合--基因重组，使受体菌获得供体菌的某些特性的过程
• 分类
  • 转化 transformation
    • 受体菌直接摄取供体菌游离的DNA片段，并与本身的基因进行重组，从而获得新的性状的过程。
    • 条件
      • 供体菌
      • 受体菌
        • 感受态
          • 格里菲斯的肺炎双球菌转化实验
  • 转导 transduction
    • 是以噬菌体为载体，将供体菌的遗传物质转移给受体菌，使受体菌获得新的性状的过程。
    • 类型
      • 普遍性转导
        • 转导性(假)噬菌体介导
        • 发生在温和或毒性噬菌体的裂解期
        • 噬菌体在组装成熟时误装了供菌DNA片段，成为转导（假）噬菌体
        • 转移的DNA:随机的供菌染色体或质粒片段
        • 结果
          • 完全转导
          • 流产转导abortive transduction（多见）
            • 供体菌的DNA与受体菌染色体不能进行重组,转导的片段不能自身复制，也不能传代，转导的片段只能沿单个细胞传递下去
      • 局限性转导
        • 温和性噬菌体介导
        • 发生在温和噬菌体的溶原期--- 前噬菌体从宿主菌染色体上脱落时发生偏差,将前噬菌体两侧的宿主染色体基因转移到受体菌,使受体菌遗传发生改变的过程
        • 转移DNA： 供菌染色体特定片段
  • 溶原性转换 conversion
    • 当温和噬菌体感染细菌时，噬菌体作为供体，宿主菌染色体中整合了噬菌体的DNA片段，从而获得新的遗传性状
  • 接合 conjugation
    • 供体菌与受体菌通过性菌毛相互沟通，将遗传物质从供体菌转移给受体菌，使受体菌获得新的性状。
    • R质粒的接合
    • F质粒的接合
      • F+ x F-
        • F+通过性菌毛与F-菌的表面受体结合，F-菌获得F质粒,两个质粒共环复制，F-变为F+菌
      • Hfr x F-
        • F-菌可获得不同长度染色体基因,但F-菌仍为F-菌
      • F’ x F-
        • F-菌获得F’质粒,F-菌变成F’ 菌
  • 原生质体融合 protoplast fusion
    • 1、不限于个别基因的转移而是整个染色体基因的转移
    • 2、同种、异种间都可发生
    • 3、可获得多种不同表型的重组融合体，但随机性大，寿命短
    • 原生质体：细菌经过溶菌酶或青霉素处理