遗传( heredity ) ...
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• 遗传( heredity ) 子代与亲代的生物学性状基本相同,且代
代相传,遗传使性状保持相对稳定。
• 变异( variation ) 在一定条件下,子代和亲代之间以及子代
和子代之间的生物学性状出现差异。
遗传与变异
• 基因:合成一种有功能的多肽链或 RNA
分子所必需的一段完整的 DNA 序列。
蛋白质基因 /RNA 基因
结构基因 / 调控基因
• 基因组:存在于生物体的遗传物质中的全部基因的总称。
核酸是生物遗传的物质基础
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。
• 细菌染色体 DNA 的复制:大肠埃希菌已证明是双向复制
• 2002 年已有 68 种细菌完成了测序
• 致病岛:致病菌染色体上编码与毒力相关基因的外源 DNA 片段是分子量较大的基因群
细菌染色体的特征
• 相对较小,只有一个复制起始位点• 具操纵子结构,可由调节子调控• 基因连续,结构基因无内含子• 大部分 DNA用于编码蛋白质,仅一小部分是不翻译的
• 仅少数基因存在基因重叠现象• 结构基因单拷贝, rDNA 多拷贝• 具各种功能的识别区域并具有特殊顺序
• 质粒是细菌染色体外的遗传物质,是环状闭合的双链DNA ,存在于细胞质中,具有自主复制的能力。
质粒( plasmid )
质粒的主要特征1. 大多数 CCC 双链 DNA 分子2. 自我复制能力,为复制子,单拷贝或多拷贝
严紧型质粒和松弛型质粒3. 编码产物赋予细菌某些性状特征4. 可自行丢失与消除5. 有转移性6. 可分为相容性和不相容性
转座因子插入序列( insertion sequence,IS )
是最简单的或序列较短的转座子,长度一般 0.7-1.5Kb ,不携带任何已知与插入功能无关的基因区域,与插入点附近的序列共同起作用,可能是原细胞正常代谢的调节开关之一,也可能介导 Hfr 的形成。
TransposaseABCDEFG GFEDCBA
转座子转座子( transposon,Tn )或复合转座子
长度一般超过 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等。因此当 Tn 插入某一基因时,一方面可引起插入基因失活产生基因突变,另一方面可因带入耐药性基因而使细菌获得耐药性。转座子可能与细菌的多重耐药性有关。
IS ISResistance Gene(s)
IS ISResistance Gene(s)
整合子• 概念:一种运动性的 DNA 分子,具有独特结构
可捕获和整合外源性基因,使之转变成为功能性基因的表达单位。
• 特征: 定位与染色体、质粒、转座子 基本结构:两端保守末端 + 中间可变区构成 3个功能元件:整合酶基因、重组位点、启动
子
基因突变• 突变( mutation ) 野生型 突变型 生物体遗传物质的核苷酸发生了稳定而
可遗传的变化。 分为基因突变和染色体畸变
基因突变:一个基因内由于一对或少数几对碱基的置换、缺失或插入所引起的突变,涉及变化范围很小,也叫点突变( point mutation )
基因突变分子机制• 自发突变:
低剂量诱变因素长期效应
DNA 碱基结构变化
环出效应• 诱变
碱基对置换
移码突变( transhift mutation )
开放读码框架( ORF )
缺失插入突变
紫外线诱变• RNA 基因组突变
• 减毒菌株和无毒株可制备成疫苗
毒力减弱:有毒菌株长期在人工培养基上传代培养,可是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。
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– 如金黄色葡萄球菌的耐药性菌株增加,绝大由金黄色变成灰白色,血浆凝固酶阴性的葡萄球菌也成为致病菌,给诊断带来困难;伤寒沙门菌有 10% 不产生鞭毛,检查无动力,无 H 抗体,影响正确判断。
• 耐药菌株日益增多,因此以药敏实验为指导
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
基因的转移和重组• 基因转移
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( gene transfer ) 。
• 重组 转移的基因与受体菌 DNA 整合在一起称为重组
( recombination ),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、溶原性转换和原生质体融合等方式进行。
转化• 转化因子吸附在受体菌表面受体上,然后再被
摄入 。• 感受态( competence )
受体菌只有处于感受态时,才能摄取转化因子。细菌处于感受态是因为其表面有一种吸附 DNA 的受体 .
• 重组。• DNA 复制重组菌繁殖后,获得新的性状的细菌
称为转化型细菌。
接合( conjugation )接合 是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 质粒等。
接合• 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。
– R 质粒与耐药性有关,尤其与多重耐药性有关。耐药质粒从一个细菌转移到另一个细菌中。
接合
Tn 9
Tn
21
Tn 10
Tn 8RTF
R determinant
• 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– 耐药( r )决定子
• r-dir 能编码对抗菌药物的耐药性,可由几个转座子连接相邻排列,如 Tn9 带有氯霉素耐药基因, Tn4 带有氨苄青霉素、磺胺、链霉素的耐药基因, Tn5 带有卡那霉素的耐药基因。
转导( transduction )• 转导是以噬菌体为载体,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
• 前噬菌体从溶原菌染色体上脱离,进行增殖,将细菌的 DNA 片段装入噬菌体的头部,成为一个转导噬菌体。转导噬菌体能以正常方式感染另一宿主菌,并将其头部的染色体注入受体菌内。因被包装的 DNA 可以是供体菌染色体上的任何部分,故称为普遍性转导。
普遍性转导• 完全转导
外源性 DNA 片段与受体菌的染色体整合,并随染色体而传代,称完全转导
• 流产转导 外源性 DNA 片段游离在胞质中 ,既不能与受体菌染色体整合,也不迅速消失,仅能表达遗传不稳定,最终渐趋消失,称为流产转导
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 完全转导或流产转导 受体菌获得供体菌
DNA 特定部位的遗传特性
转导频率 较低 较普遍转导高