微生物学-遗传与变异.ppt

<p>细菌的变异,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 遗传与变异原理,DNA,的结构与功能,结构两条互相平行而方向相反的多核苷酸链,功能储存、复制和传递遗传信息,复制半保留复制,特点复制中易发生错误基因突变,蛋白合成分子生物学中心法则（,DNA-RNA-,蛋白质）,基因与基因的转录,结构基因编码结构蛋白质,基因结构,非结构基因编码功能蛋白质,基因转录,遗传信息的 翻译,第二节 细菌的遗传与变异,一、细菌的变异现象,形态结构的变异,毒力变异,耐药性变异,菌落变异,抗原性变异,耐药性变异：,细菌对某种抗菌药物由敏感变为耐药的变异。有些细菌还表现为同时耐受多种抗菌药物，即多重耐药性。,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。,耐药性变异,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粗糙、干燥、边缘不整齐，称,SR,变异。,SR,变异常见于肠道杆菌，是由于失去,LPS,的特异性寡糖重复单位而引起的。,变异时不仅菌落的特征发生改变，且细菌的其它性状也发生了变化。,S,型菌的致病性强，但有少数,R,型菌的致病性强，如结核分枝杆菌。,菌落变异,麦康凯培养基上的伤寒杆菌菌落,结核杆菌的干燥型菌落,抗原性变异,H,抗原、,O,抗原变异,二 细菌遗传变异的物质基础,染色体,染色体外的遗传物质（质粒、噬菌体）,转位因子,（一）染色体（,chromosome,）,一条环状双螺旋,DNA,长链，按一定构型反复回旋形成松散的网状结构；,缺乏组蛋白，无核膜包裹；,约含有,5000,个基因；,双向复制，全过程约,20min,。,质粒(,plasmid,)：,是细菌染色体以外的遗传物质，是环状闭合的双链,DNA。,（二）质粒,质粒具有自我复制的能力。,质粒,DNA,所编码的基因产物赋予细菌某些性状特征。,质粒可自行丢失与消除。,质粒的转移性。,质粒可分为相容性与不相容性两种。,质粒,DNA,的特征,质粒的分类：,根据质粒能否通过细菌的接合作用进行传递,1,接合性质粒,2,非接合性质粒,根据质粒在细菌内拷贝数多少,1,严紧型质粒,2,松弛型质粒,根据相容性,1,相容性,几种质粒同时共存于同一菌体内,2,不相容性,不能同时共存,可借此对质粒进行分组、分群,根据所编码的生物学性状,质粒基因可编码多种重要的生物学性状：,致育质粒（,fertility plasmid,、,F,质粒）,编码性菌毛，介导细菌之间的接合传递；,耐药性质粒（,resistance plasmid,、,R,质粒）,编码细菌对抗菌药物或重金属盐类的耐药性。分两类，一是接合性耐药质粒（,R,质粒），另一是非接合耐药性质粒（,r,质粒,),；,毒力质粒（,Vi,质粒）,编码与该菌致病性有关的毒力因子；,细菌素质粒,编码细菌产生细菌素；,代谢质粒,编码产生相关的代谢酶。,噬菌体(,bacteriophage,phage)：,是感染细菌、真菌、放线菌或螺旋体等微生物的病毒。,噬菌体的特点：,具有一定形态,蝌蚪形等,严格寄生性和特异性,具有病毒的特性，个体微小、无细胞结构、具有高度的特异性及专性细胞内寄生性,分布广泛,凡是有细菌的场所，就可能有相应的噬菌体的存在。,（三）噬菌体,形态与结构,噬菌体很小，在光镜下看不见，需用电镜观察。不同的噬菌体在电镜下有三种形态：,蝌蚪形,、,微球形,和,丝形,。大多数噬菌体呈蝌蚪形，由头部和尾部两部分组成,。,蝌蚪形噬菌体结构模式图,结构及化学组成：,抗原性：,噬菌体具有抗原性，能刺激机体产生特异性 抗体。,抵抗力：,噬菌体对理化因素及多数化学消毒剂的抵抗 力比一般细菌的繁殖体强，75 30,min,灭活。噬菌体能耐受低温和冰冻，但对紫外线和,X,射 线敏感。,噬菌体,头部,尾部：蛋白质 与细菌（受体）接触的部位,核心：核酸（,DNA,或,RNA）,蛋白衣壳：蛋白质呈20面体,噬菌体感染细菌有两种结果：,毒性噬菌体,能在宿主细胞内复制 增殖，产生许多,(,virulent phage)：,子代噬菌体，并最终裂解细菌，建立,溶菌周期。,温和噬菌体,噬菌体基因与宿主染色体整合，成为前,(,temperate phage)：,噬菌体，细菌变成溶原性菌，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，建立溶原状态。,噬菌体与细菌相互关系,毒性噬菌体在敏感菌内以复制方式进行增殖，增殖过程包括：吸附、穿入、生物合成、成熟和释放。,噬菌体的复制周期或溶菌周期：,从噬菌体吸附至细菌溶解释放出子代噬菌体的过程。,毒性噬菌体,吸附,吸附是噬菌体与菌体表面受体发生特异性结合的过程，其特异性取决于噬菌体蛋白与宿主菌表面受体分子结构的互补性。,毒性噬菌体的复制周期溶菌性周期,液体培养基,噬菌现象可使浑浊菌液变得澄清。,固体培养基,若用适量的噬菌体和宿主菌液混合后接种培养，培养基表面可有透亮的溶菌空斑出现。,一个空斑系由一个噬菌体复制增殖并裂解细菌后形成，称为噬斑(,plaque),不同噬菌体噬斑的形态与大小不尽相同。,噬菌现象,噬斑,荧光假单胞菌,若将噬菌体按一定倍数稀释，通过噬斑计数，可测定一定体积内的,噬斑形成单位(,plaque forming units,pfu),数目，即噬菌体的数目。,温和噬菌体的基因组能与宿主菌基因组整合，并随细菌分裂传至子代细菌的基因组中，不引起细菌裂解。,整合在细菌基因组中的噬菌体基因组称为,前噬菌体(,prophage),带有前噬菌体基因组的细菌称为,溶原性细菌,特征：,1.正常分裂，并将前噬菌体传给子代细菌（溶原状态）,2.前噬菌体能抑制细菌内的相应毒性噬菌体的生物合成，使细菌免遭裂解,3.某些前噬菌体可导致细菌基因型和性状发生改变，称为溶原性转换(,lysogenic conversion)。,4.溶原状态终止 前噬菌体丢失或脱离宿主菌基因组而进入溶菌周期,温和噬菌体,细菌的鉴定与分型,噬菌体与宿主菌的关系具有高度特异性，即一种噬菌体只能裂解一种和它相应的细菌，故可用于未知细菌的鉴定和分型。,分子生物学研究的重要工具,噬菌体基因数量少，结构比细菌和高等细胞简单得多，且易获得大量的突变体。,细菌感染的诊断与治疗,但由于噬菌体过于专一，限制了噬菌体在临床上的广泛应用。,噬菌体的应用,转位因子（,transposable element),：,是一类在细菌染色体、质粒或噬菌体之间可自行移动的一段特异的具有转位特性的核苷酸序列片段，又称移动基因。,造成结果：,改变原有核苷酸序列,影响插入点附近基因的表达,本身所携带的一定的基因序列表达，以上三种结果并不是一定引起细菌变异。,（四）转位因子,转位因子有三类,：,插入序列(,insertion sequence,IS),：,最小，不超过,2kb,是只携带与转座功能有关的基因，而不带任何有使细菌表现性状的基因的转位因子。,转座子(,transposon,Tn,),：,长度一般超过,2kb,，是一类除携带与转位有关的基因外还携带其他基因（如耐药性、毒素基因等）的转位因子。,转座噬菌体或前噬菌体：,前噬菌体有时也具有转位功能，成为溶原菌的一种基因，编码某些产物，改变细菌某些性状，如白喉毒素、肉毒毒素的产生。,遗传性变异：,是由基因结构发生改变所致，主要通过基因突变、基因的转移与重组来实现。,非遗传性变异：,是细菌在环境因素等影响下出现的变化，这种变化不是因基因结构的变化而产生的。,三 细菌变异的机制,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。,发生,表现型,（一）.突变,自发突变（,spontaneous mutation),突变率低,10,-10,10,-6,诱发突变（,induced mutation),提高,10,-6,10,-4,野生株（,wild strain),没有发生突变的菌细胞,突变株（,mutant strain),突变后的菌细胞,突变的类型,点突变（,point mutation,）,只有一个碱基对的变化（置换、插入、缺失）,多点突变（,multiple mutation,）,两个以上碱基对的变化（较大范围的染色体重排、倒位、重复、缺失等）,诱变剂,是能显著提高突变率的各种理化因素（,UV,、高温、辐射及化学诱变剂）,回复突变和抑制突变（,reverse mutation,suppressor mutation,）,回复突变并没有纠正正向突变的,DNA,序列，而只是抑制了正向突变的效应，故称抑制突变，以区别真正的原位回复突变到野生株。,第一次突变,正向突变,突变株,第二次突变,回复突变,表现野生株性状的突变株,野生株,基因突变规律,随机发生，不定向；,突变与选择（以耐药突变体为例）,结论：细菌基因突变产生耐药性，与抗生素的使用无关,实验：影印试验,说明：耐药突变株在接触药物之前出现，药物的作用是选择耐药株，淘汰敏感株,具有相对稳定性；,可发生回复突变,影印试验(,replica plating),突变体的分离,耐药性突变体,营养缺陷型突变体,条件型突变体,基因转移(,gene transfer)：,外源性的遗传物质由供体菌进入某受体菌细胞内的过程。,基因重组(,recombination)：,转移的基因与受体菌,DNA,整合在一起，使受体菌获得供体菌某些特性。,外源性遗传物质：,供体菌染色体,DNA，,质粒,DNA,及噬菌体基因等。,细菌的基因转移和重组方式：,转化、接合、转导、溶原性转换、原生质体融合。,（二）.基因的转移与重组,1.转化(,transformation):,受体菌直接摄取供体菌游离的,DNA,片段获得新的遗传性状的过程称为转化。,2.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。能通过结合方式转移的质粒称为接合性质粒，不能通过性菌毛在细菌间转移的质粒为非接合性质粒。,F,质粒的接合,F,+,即,F,质粒，编码性菌毛，称雄性菌,HfrF,质粒整合到细菌染色体上，使细菌能高效地转移染色体上的基因，故称高频重组菌,FHfr,菌中的,F,质粒可从染色体上脱离下来，并带染色体上几个邻近的基因，故称,F,三者均有性菌毛，均可发生接合。,细菌的耐药性与耐药性的基因突变及,R,质粒的接合转移等有关。,R,质粒有耐药传递因子(,RTF),和耐药决定子(,r),两部分组成。,RTF,的功能与,F,质粒相似，可编码性菌毛的产生和通过接合转移；,R,决定子能编码对抗菌药物的耐药性。,R,质粒的接合,转导：,是以温和噬菌体为载体，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。,根据转导基因片段的范围，可将转导分为两类：,普遍性转导,（转导的,DNA,可是供菌染色体上的任何部分）、,局限性转导,（转导的,DNA,只限供菌染色体上的特定基因）。,3.转导(,transduction),普遍性转导(,generalized transduction),局限性转导(,restricted transduction),4.溶原性转换(,lysogenic conversion),溶原性细菌因染色体上整合有前噬菌体而获得新的遗传性状称为溶原性转换。,5.原生质体融合(,protoplast fusion),G,+,菌形成原生质体后，在聚乙二醇（,PEG,）作用下，可使两种不同的细菌细胞发生融合的过程。,融合后形成双倍体细胞，可短期生存，染色体重组，获得多种不同表型的重组融合体。,人为实验基因转移与重组。,第三节 病毒的遗传和变异,一、病毒的基因组,病毒核酸仅含一种类型，,DNA,或,RNA,形态多样性（单一线形、双股环状）,完整性不同（完整的、分节段的）,还有携带反转录酶的,RNA,病毒,可突变，并决定其表型,二、基因突变,突变株,是指病毒基因碱基序列改变，导致表型性状改变的毒株。,条件致死性突变株,（,conditional-lethal mutant）,温度敏感突变株,（,temperature sensitive mutant,ts,株）,为条件致死性突变株中应用最广泛的,缺陷型干扰突变株,（,defective inhibition mutant，DIM）,宿主范围突变株,（,host range mutant,hr,突变株）,耐药突变株,（,drug-resistant mutant,）,三、基因重组与重配,两种不同病毒感染同一细胞时，可发生基因交换而形成新性状的重组体。,基因重组（,recombination,）,不分节段基因组病毒,基因重配（,reassortment,）,分节段基因组的病毒,类型：,活病毒之间,N,0,H,0,+,N,1,H,1,N,0,H,1,活病毒与灭活病毒之间（交叉复活）,灭活病毒 之间（多重复活）,活病毒与灭活病毒之间（交叉复活）,A,3,株（流行株）,新,A,3,抗原,鸡胚中增殖不良,A,1,株（非流行株）,旧,A,1,抗原,鸡胚中生长良好,鸡胚中共同培养,重组体（理想疫苗）,有,A,3,抗原,鸡胚中生长良好,UV,灭活,四、基因整合（,gene integration）,病毒基因组（,DNA,病毒与逆转录病毒）与宿主细胞基因组的重组过程。,整合可引起宿主细胞基因改变细胞遗传性改变细胞转化个别可发生细胞恶化肿瘤,互补：,一种病毒为另一种病毒提供本身不能合成，但又是所必需的基因产物，而使其在混合感染的细胞内得以繁殖。,辅助病毒与缺陷病毒之间,活病毒与死病毒之间,两个不同的缺陷病毒之间,五、病毒基因产物的相互作用,加强：,一种病毒与另一种非杀细胞病毒同时感染细胞，后者能增加前一种病毒复制产量的现象（极个别病毒之间）,如：,I,型副流感病毒为水泡性口炎病毒的加强病毒。,+,+,表型混合,镶嵌包膜或衣壳,表型交换,衣壳误配,遗传物质不改变，而只有基因产物的交换，传代后恢复亲代表型。,在疾病的诊断、治疗与预防中的作用。,微生物基因组研究,在测定致癌物质中的应用。,在流行病中的应用。,在基因工程中的应用。,第四节 微生物遗传变异在医学上的应用,</p>