细菌的遗传与变异PPT课件.pptx

<p>细菌的遗传与变异,第一节,细菌基因组,第二节,细菌基因突变,第三节 基因的,转移与重组,第四节,细菌遗传变异在医学上的实际意义,重点难点,熟悉,了解,掌握,细菌基因组,基因的,转移与重组方式种类与定义,噬菌体及其相关概念,噬菌体,与宿主菌相互关系，溶菌周期及溶原,状态,细菌,基因突变的规律与,机制,细菌,的变异,现象,细菌,遗传变异研究的实际,意义,细菌,基因组,bacterial genome,第,一,节,1,.,遗传变异,（,genetic,variation,）,遗传,变异与表型,变异,2,.,表型,变异,（,phenotypic variation,）,（,1,）只发生在少数,个体,（,2,）遗传物质结构发生改变,（,3,）可,稳定传给子代，产生变种或,新种,（,4,）,有利于物种的,进化,医学微生物学（第,9,版）,一,、细菌的变异现象,（,1,）外界,因素所致，常波及同一环境中的大多数,个体,（,2,）遗传物质,的结构未,改变,（,3,）,变化,为可逆，表型变异不能,遗传,1,.,细菌,染色体（,bacterial chromosome,）,（一,）细菌基因组的主要组成,2,.,噬菌体（,phage,）,（,1,）,dsDNA,，单倍体，无组蛋白，无内含子,（,2,）,大多数基因为单拷贝，而,rRNA,基因,则为多,拷贝,（,3,）代谢岛、,毒力,岛的,G+C,百分比和密码子使用偏向性与细菌染色体有明显,差异,医学微生物学（第,9,版）,二,、细菌基因组,（,1,）侵袭细菌或真菌的病毒,（,2,）蝌蚪型：头部由核心（,DNA,或,RNA,）与蛋白质衣壳组成；尾部为蛋白质，与,吸附宿主,有关,（,3,）感染细菌的结果,溶菌性周期：毒性噬菌体、温和噬菌体,溶原性周期：温和噬菌体、前噬菌体（,prophage,）、溶原性细菌,3,.,质粒（,plasmid,）,（,1,）双,股闭合环状,DNA,分子,（,2,）自主复制,（,3,）编码某些生物学表型,（,4,）可,丢失和,转移，与细菌生命无关,（,5,）分类,A.,是否,可通过细菌的接合作用,传递,接合,性质粒（,conjugative,plasmid,）；非,接合性质粒（,non-conjugative plasmid,）,B.,宿主,菌中的拷贝,数,严紧型质粒,（,stringent plasmid,）；松弛型质粒,（,relaxed plasmid,）,C.,质粒,的,相容性,相容性质粒；不相容性质粒,D.,质粒,基因编码的,生物学性状,F,质粒；,R,质粒；,Vi,质粒；,Col,质粒 等,医学微生物学（第,9,版）,1.,转位因子或转座元件（,transposable element,）,（二）细菌基因组中的主要特殊结构,（,1,）插入序列,(,insertion,sequence,，,IS,),7502000 bp,两端,重复序列，与,插入,有关,中心,序列有转位酶,基因,（,2,）转座子,(,transposon,Tn),200025000 bp,两端为,IS,中心,序列有与转位无关,基因,如,：毒素基因,、,耐,药基因,等,医学微生物学（第,9,版）,转座酶基因,AATTCGT,ACGAATT,IS,的命名：,IS1,，,IS2ISn,反向重复序列,反向重复序列,插入序列,insertion sequence,IS,g,ene 1,g,ene 2,gene 3,g,ene n,IS,IS,Tn,的命名：,Tn1,，,Tn2,Tn,n,转座子,Transposon,Tn,医学微生物学（第,9,版）,转座子,插入的识别序列,耐药基因或毒素基因,Tn1 Tn2 Tn3,IS1,AP,（氨苄青霉素）抗性基因,(b-,内酰胺酶,),Tn4,IS2,AP,、,Sm,（链霉素）、,Su,（磺胺）等抗性基因,Tn5,IS50L,ISR,Km,（卡那霉素）、,BLM,（博莱霉素）、,Sm,等抗性基因,Tn6,IS4,Km,等抗性基因,Tn7,Tn7R,Tn7L,为位点识别序列,TMP,（甲氧苄氨嘧啶）、,Sm,、壮观霉素等抗性基因（含有整合子）,Tn9,IS1,Cm,（氯霉素）抗性基因,Tn10,IS10-R,Tc,（四环素）抗性、重金属抗性、氧化应激等基因,Tn551,IS2,Em,（红霉素）抗性基因,Tn1681,IS1,大肠埃希菌耐热肠毒素（,ST,）,Tn903,ISR1,Km,抗性基因,常见转座子及插入序列,2.,整合子（,integron,）,医学微生物学（第,9,版）,（,1,）定位,于细菌染色体、质粒或,转座子上,（,2,）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,（,3,）整合,子含有,3,个功能元件,：特异性重组位点,、,整,合酶,基因、启动子,（,4,）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,att,l,attC,整合子可存在于,质粒、转座子和基因组中,基因盒,1,基因盒,2,整合,子,integron,细菌基因突变,bacterial gene mutation,第,二,节,1.,点突变,转换,（,transition,）,颠换,（,transversion,）,2.,插入,或缺失,突变：,移码突变,（一,）突变,医学微生物学（第,9,版）,一,、细菌变异,机制,1.,染色体重排,2.,倒位,（,inversion,）,3.,重复,（,duplication,）,4,.,染色体缺失,（二）染色体畸变,(,多点突变,),（一,）突变自发产生,（二）,自发突变率约为每一世代,10,-10,10,-6,（三）,突变,是自发的，,随机的,医学微生物学（第,9,版）,二、基因,的自发突变,（一,）人工,诱导可提高细菌的突变率，称为,诱发突变,（二）,诱发突变,发生率可达到,每一世代,10,-6,10,-4,（三）,诱变剂：,物理,诱变剂,：,X,线、紫外线、,电离辐射 等,化学诱变剂：亚硝酸,盐、烷化剂及吖啶橙,染料,丝裂霉素,、黄曲霉素,B1,等,医学微生物学（第,9,版）,三,、,基因,的,诱发,突变,（一）突变的发生是随机，不定向,的,在,细菌群体中仅少数细菌发生,突变,（二）,彷徨试验证明,随机的,、非定向的突变是在接触,噬菌体,之前就已发生，噬菌体对,突变仅,起筛选而不是诱导,作用,医学微生物学（第,9,版）,四,、突变与选择,细菌自然突变的检出试验（彷徨试验）,备注：图片源自人卫社,医学微生物学,第,8,版，主编李凡、徐志凯。（,P51,，图,4-2,）,（一）野生型（,wild type,）,:,从,自然界分离的未发生突变的,菌株,（二）,突变型（,mutant type,）,:,相对,于野生型菌株发生某一性状的,改变,（三）正向突变（,forward,mutation,）,:,细菌,由野生型变为,突变型,（四）回复突变,（,reverse mutation,）,:,突变株,经过第二次突变可恢复野生型的,性状,1.,基因型回复突变,（,genotypic reversion,）,，机率很低,2.,表型回复突变,（,phenotypic reversion,）,抑制,突变（,suppressor mutation,）：包括基因内抑制,（,intragenic,suppression,）,和基因间抑制,（,extragenic suppression,）,医学微生物学（第,9,版）,五,、回复突变与抑制突变,细菌基因,的转移和,重组,gene transfer and recombination,第,三,节,医学微生物学（第,9,版）,转移：,供体菌,提供,DNA,；,受体菌,接受,DNA,重组：,受体菌,获得,供体菌,DNA,，表现出供体菌的遗传性状,基因转移方式,DNA,传递过程,转移,DNA,的特性,转化,/t,ransformation,细菌（感受态）直接摄入,DNA,片段,同源,DNA,片段,接合,/c,onjugation,DNA,通过性菌毛从,F,+,细菌传递给,F,-,细菌,质粒或染色体,转导,/t,ransduction,普遍性转导,g,eneralized transduction,DNA,片段通过毒性噬菌体,/,或温和噬菌体传递,任何,DNA,片段,局限性转导,s,pecialized,（,restricted,）,transduction,DNA,片段通过温和噬菌体传递,前噬菌体整合位点两侧,DNA,片段,溶原性转,换,lysogenic,reversion,DNA,片段通过温和噬菌体传递,噬菌体,携带,的,特定,基因,细菌基因水平转移方式,（一）转化（,transformation,）,:,受体菌,主动摄取外源性,DNA,供体菌,死亡时释放或人工方法提取,DNA,获得供体菌的某些生物学性状,医学微生物学（第,9,版）,一、转化（,transformation,）,肺炎链球菌的转化试验,备注：图片源自人卫社,医学微生物学,第,8,版，主编李凡、徐志凯。（,P54,，,图,4-4,）,（二）影响转化的因素：,1.,供,受菌,基因型,同源性,；亲缘关系近，转化率高,2.,感受态,（,competence,）,受体菌摄取转化因子（转化的,DNA,片段）的生理状态,转化因子被摄取的,最佳时期,感受态细菌表面带正电荷，细胞膜通透性增高,3.,环境因素,Mg,2,、,Ca,2,、,cAMP,等可维持,DNA,稳定性，促进转化,医学微生物学（第,9,版）,接合（,conjugation,）,通过,性菌毛将,供体菌,DNA,转给受体菌,，使受体,菌获得供体,菌的生物学性状,（一）,F,质粒（,fertility plasmid,fertility factor,，致育因子）,接触,：细胞质沟通,转移,：,F,质粒进入,F,菌,复制,：,F,菌转为,F,菌,医学微生物学（第,9,版）,二,、接合（,conjugation,）,F,质粒从,F,+,菌转移到,F,-,菌，使,F,-,菌变为,F,+,菌,备注：图片源自人卫社,医学微生物学,第,8,版，主编李凡、徐志凯。（,P55,，,图,4-5,a,）,高频重组菌株（,high-frequency recombination,strain,，,Hfr,）,1.F,质粒与染色体,整合,2.,具有接合和,转移,功能,3.,细菌,染色体转移频率高，,F,质粒,低,4.,受体,菌获得供体,菌遗传性状,5.,用于,绘制,基因图,医学微生物学（第,9,版）,Hfr,将其部分染色体转入,F,-,菌，产生重组的,F,-,菌,备注：图片源自人卫社,医学微生物学,第,8,版，主编李凡、徐志凯。（,P55,，,图,4-5,b,、,c,）,（二）,R,质粒（,resistant plasmid,）,1.,耐,药传递,因子,（,resistance transfer factor,，,RTF,）,编码,性菌毛,2.,耐,药决定子（,resistance determinant,，,r-det,）决定菌株耐药性,3.R,质粒通过,接合,方式在,同种属或不同种属间,传递,又称为,传染性,耐药因子,4.RTF,和,r-det,可整合在一起，也可单独,存在,r,质粒：,r-det,单独存在，无,接合传递耐药基因的,功能,医学微生物学（第,9,版）,耐药决定因子,g,ene 1,g,ene 2,g,ene 3,g,ene N,Tn,Tn,Tn,Tn,耐药传递因子,R,质粒,耐,药传递因子：性菌毛基因和传递相关,基因,耐药决定因子：耐药基因，转座子,转导（,transduction,）,噬菌体媒介,将供,体,菌,DNA,转给,受体菌,受体菌获得供体菌的某些生物学性状,分为普遍性转导,和局限性,转导,医学微生物学（第,9,版）,三、转导（,transduction,）,（一）普遍性转导（,general transduction,）,1.,毒性噬菌体,或,温和噬菌体介导,2.,包装,错误,：可转导任何,部位细菌,DNA,片段,3.,转导,性,噬菌体,宿主,菌,DNA,无,噬菌体,DNA,4.,转导,噬菌体,DNA(,供体菌,),整合至受体菌染色体基因组，受体菌获得供体菌遗传性状：完全转导,5.,转导,噬菌体,DNA(,供体菌,),未整合,至受体,菌染色体,基因组,，流产转导（,abortive transduction,）,医学微生物学（第,9,版）,整合,不整合,完全转导,流产转导,普遍性转导,模式图,（二）局限性转导（,restricted(specialized)transduction,）,1.,温和噬菌体介导,2.,不准,确切,离：前噬菌体及两边的细菌,DNA,3.,转导,性,噬菌体,宿主菌,DNA,噬菌体,DNA,4.,受体菌接受转导噬菌体,DNA,5.,受体菌,获得,供体菌遗传性状,医学微生物学（第,9,版）,局限性转导模式图,备注：图片源自人卫社,医学微生物学,第,8,版，主编李凡、徐志凯。（,P57,，,图,4-8,）,（三）溶原性转换（,lysogenic conversion,）,1.,局限性,转导的一种,形式,2.,温和噬菌体,DNA,与受体菌,染色体整合,3.,受体菌获得噬菌体的某些生物学性状,白喉,杆菌：,-噬菌体,-,外毒素基因,不,产毒白喉杆菌,产,毒白喉,杆菌,医学微生物学（第,9,版）,细菌遗传变异在医学上的实际,意义,medical significance of bacterial heredity and variation,第,四,节,诊断困难,1.HO,变异：如伤寒沙门菌鞭毛,2.,SR,变异：消失荚膜或多糖,抗原性改变,毒力下降，生化反应改变,3.,乳糖分解变异,4.,发酵突变,需,充分了解细菌的变异现象和规律，才能正确,诊断细菌性感染疾病,医学微生物学（第,9,版）,一、细菌形态结构的变异与细菌学诊断,治疗困难,1.,耐,药变异及耐药基因的水平传递,2.,耐药性,细菌不断增加,3.,多耐药菌株的出现,临床,上通过耐药监测，注意耐药谱的变化并开展耐药机制研究，将有利于指导抗菌药物的选择和合理使用，控制耐药菌的产生和,扩散,医学微生物学（第,9,版）,二、细菌的耐药变异与控制,减毒活疫苗,株,1.,卡介苗,BCG,2.,炭疽,芽胞,杆菌减,毒,活疫苗,3.,布鲁氏菌减,毒,活疫苗,4.,鼠疫,耶尔森,菌减,毒活疫苗,条件致死性,突变株,温度敏感突变株,医学微生物学（第,9,版）,三、细菌毒力变异与疫苗研制,1.,脉冲场凝胶电泳,（,pulsed-field gel electrophoresis,，,PFGE,）,2.,质粒谱分析,3.PCR,产物,-,限制性片段多态性分析（,RFLP,）,4.,核酸,序列,分析,有助于,确定感染流行菌株或基因的来源，或调查医院内耐药质粒在不同细菌中的播散,情况,医学微生物学（第,9,版）,四、流行病学分析方面的应用,Ames,试验：,1.his,-,菌在组氨酸缺乏的培养基上不能,生长；,2.,在,可疑诱变剂作用下发生回复突变，成为,his,+,菌，则可在无组氨酸的培养基上,生长；,3.,将,含有可疑诱变剂平板,与无,诱变剂平板上的菌落数进行比较，凡能提高突变率、使试验平板的诱导菌落数高出对照组一倍时，即为,Ames,试验阳性，提示被检物具有致癌,潜能。,医学微生物学（第,9,版）,五、致癌物物质检测中的应用,Ames,试验,备注：图片源自人卫社,医学微生物学,第,8,版，主编李凡、徐志凯。（,P58,，,图,4-9,）,（一）载体,：质粒，噬菌体,（二）工程,菌和酶：限制性内切酶，连接酶,（三）选择,目的基因，细菌中表达，如胰岛素、白介素、干扰素等,（四）基因工程疫苗,（,五）基因组表达,谱研究,基因工程,技术是双刃剑，外源性基因的插入具有不确定性，也可能造成不良后果，因此有些研究应经过认真的风险评估及管理（参见,生物技术研发开发安全管理办法,-,科技部，,2017,年,7,月,12,日,）,医学微生物学（第,9,版）,六、基因工程方面的应用,1,.,遗传,和变异是细菌的基本属性，基因是遗传的,基本单位,2,.,细菌,基因组,包括细菌,染色体和,/,或外源性,DNA,（质粒、噬菌体的部分或全部的基因组），以及可移动,元件,3,.,细菌,基因组中可移动,元件有插入序列,、转座子和前,噬菌体,4,.,细菌,的,变异分为遗传,变异与表型,变异两类,5,.,细菌,遗传变异包括：自发突变、诱发突变及基因水平,转移,6,.,细菌,基因的水平转移,方式有转化,、转导、接合和,溶原性转换,7,.,细菌,遗传变异在微生物学诊断、疾病预防和治疗等方面,的具有重要意义,</p>