细菌遗传学

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\chapter{细菌遗传学}

\section{细菌多样性}

\subsection{原核细胞特点}

\begin{figure}[H]

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  \includegraphics[width=0.96\textwidth]{细菌/真核生物与原核生物的区别.png} % 替换为你的图片文件名

  \caption{真核生物与原核生物的区别}

  \label{fig:The difference between eukaryotes and prokaryotes}

\end{figure}

\section{细菌基因组}

\subsection{总述}

\begin{enumerate}

  \item 细菌多样性，形态、分布、代谢产物（注意结合原核生

物基因表达调控内容理解群体感应）、研究方法、群体感应。

  \begin{itemize}

​    \item \redbf{异养型}：必须依赖于摄取和降解复杂有机物(腐烂的

物质通过发酵分解或呼吸代谢降解)。

​    \item \redbf{自养型}：自身能够合成所需能量物质，分为光能自

养和化能自养。

  \end{itemize}

  \item 细菌作为实验生物的一些特点。

  \item 细菌基因组特点：紧密排列，无内含子，泛基因组

  \begin{itemize}

​    \item pangenome概念，转座子，质粒，宏基因组和微生物群落。

  \end{itemize}

  \item 细菌基因转移

  \item 细菌遗传学分析。Hfr中断杂交试验用接合时间

顺序代表基因相对位置。

\end{enumerate}

\subsection{细菌多样性}

\subsubsection{群体感应}

群体感应(Quorum sensing)：与族群密度有相互关系的刺激和反应的系统。许

多细菌会透过群聚感应，根据其族群规模来调节基因的表现。（特定社会性昆

虫中也存在该现象）。

费氏弧菌利用群体感应机制感知菌群达到一定密度

时，细胞才发光。群体感应的\redbf{基本原理}是：只有一大

群细胞积累了足够浓度的自诱导物才能激活生物发光

操纵子高水平的转录。

由于对单个细胞来说免疫力不会提供选择优势，因此

\redbf{群体感应蛋白}可作为抗菌药物的首选靶向目标。

\subsection{基因组}

所有种内菌株均含有的核心基因群+存在菌株间差异的可变基

因群

\subsubsection{泛基因组和核心基因组}

某种细菌所有菌株\redbf{共有基因}被称为\redbf{核心基因组}。除了核心基因组之外，每个菌株都有\redbf{特

定}的基因，或者只与特定的其他菌株共享的基因。该种细菌的核心基因组加上在某些菌株中发现而在其他菌株中没有的所有其他基因统称为该物种的\redbf{泛基因组}。

\subsubsection{转座子}

插入序列Insertion sequencesIS

细菌基因组的DNA序列分析也揭示了一些被称为

插入序列（IS）的小转座因子的位置。

细菌基因组也有所谓的\redbf{复合转座因子}，即Tn元

件。除了携带转座酶基因外，Tn元件还含有对抗生素

或有毒金属具有耐药性的基因。

\subsubsection{质粒}

一些细

菌在正常情况下携带的基因，在称为质粒的环状双链

DNA中是不需要的。

\subsubsection{宏基因组}

\redbf{特定环境}中\redbf{全部}微生物遗传物质的\redbf{总和}。包含可培养

和不可培养的微生物的基因。包括细菌、真菌基因组总和

\subsection{细菌遗传学分析}

\begin{figure}[H]

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  \includegraphics[width=0.96\textwidth]{细菌/区别HFR&F+菌株.png} % 替换为你的图片文件名

  \caption{区别HFR和F正菌株}

  \label{fig:Distinguish HFR and F strains}

\end{figure}

F载体\rightarrow F因子(细菌接合)\rightarrow$ F^+$菌株\rightarrow 传递进入\rightarrow $F^-$菌株。

F 载体可以独立/整合\rightarrow 细菌染色体 DNA

F 质粒 DNA和染色体 DNA整合后 \rightarrow HfrDNA\rightarrow HFr菌株

F质粒是否整合进入细菌染色体DNA是$F^+$和Hfr菌株的主要区别。

\redbf{附加体}episome：通过转导获得的F因子即能够以独立的载体形式，也可以以整个进入细菌

染色体DNA的形式存在，存在以下不同的可能形态，和相应的名称。

\begin{itemize}

  \item Hfr菌株含有全部F附加体Fepisome整合进入其自身细菌染色体DNA。

  \item $F^+$菌株possess携带以质粒形式存在的F因子，该质粒独立于细菌染色体DNA之外。只

在F 质粒中含有F因子

  \item F’（F-prime）细菌\rightarrow 在整合在细菌染色体DNA中的F因子在从中切除excision过程中发生错误删除\rightarrow F载体携带部分临近的额外细菌染色体DNA片段。

  \item $F^-$细菌不含有任何F因子\rightarrow 作为细菌遗传转移中的DNA受体。

\end{itemize}

\section{细菌作为模型生物}

\subsection{细菌作为实验生物的特点}

\begin{itemize}

  \item 繁殖快

  \item 数量大

  \item 单倍体（易于基因型表现）

  \item 无性繁殖（利于分离鉴定遗传纯系）

  \item 资源节约

  \item 基因组小

  \item 方法成熟（分离鉴定|遗传操纵）

  \item 医学与产业价值（基因工程技术制造商业价值的产品）高

  \item 补充：细菌突变株筛选分类细菌突变株筛选分类

菌落形态，抗生物抗性，营养

缺陷型，代谢产物

\end{itemize}

\section{细菌基因转移}

\begin{figure}[H]

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  \includegraphics[width=0.96\textwidth]{细菌/三种机制.png} % 替换为你的图片文件名

  \caption{三种机制}

  \label{fig:THREE MECHANISMS}

\end{figure}

\subsection{总述}

\begin{enumerate}

  \item \redbf{转化}Transformation吸收外源DNA发现及对揭示DNA作为遗传物质的意义

基因工程微生物工程应用

  \item \redbf{接合}Conjungation需直接接触且通过F因子或Hfr菌株转移DNA。区分：F质粒，F’质粒，高频重组Hfr，接合在遗传学精细作图（中断杂交实验时间代表图距，区别于重组率代表图距）、乳糖操纵子研究过程的综合理解。

  \item 转导Transduction噬菌体介导（区分普遍/限制性转导）。

\end{enumerate}

注意*真核生物和原核生物之间在适应性演化过程中，一些遗传物质传

播和改变（基因流）的机制的差异，如何理解遗传物质垂直传播和水平转

移Horizontal gene transfer（HGT）。

\subsection{基因转移}

细菌可以通过三种不同的机制将基因从一个菌株转

移到另一个菌株：\redbf{转化}、\redbf{接合}和\redbf{转导}。在

所有三种机制中，一个细胞（供体）为转移提供遗传

物质，而第二个细胞（受体）接收物质。

\begin{enumerate}

  \item 在转化过程

中，来自供体的DNA被添加到细菌生长培养基中，然

后由受体从该培养基中提取。

  \item 在接合过程中，供体携带

一种特殊类型的质粒，允许其与受体接触并直接转移

DNA。

  \item 在转导过程中，供体DNA被包装在噬菌体的蛋

白质外壳内，当噬菌体颗粒感染受体时，其被转移到受

体。

  \begin{itemize}

​    \item \redbf{普遍性转导}。将来自供体的随机细菌DNA片段整合

到噬菌体颗粒中，产生了普遍性转导噬菌体。当这些噬菌体

颗粒感染受体时，供体DNA被注人受体细胞。供体DNA片段

与受体染色体的重组产生转导因子需要偶数次交换。

  \end{itemize}

\end{enumerate}

基因转移的受体被称为转化子、接合后体或转导

子，这取决于DNA转移的机制。

\begin{figure}[H]

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  \includegraphics[width=0.96\textwidth]{细菌/Transformation, conjugation, transduction.png} % 替换为你的图片文件名

  \caption{Transformation, conjugation, transduction}

  \label{fig:Transformation, conjugation, transduction}

\end{figure}