微生物学第05章-细菌的遗传变异.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第4章,细菌的遗传变异,遗传(heredity)：,子代与亲代之间生物学性状 的相似性,变异(variation)：,子代与亲代之间以及子代与子代之间生物学性 状的差异性,使细菌的性状保持相对稳定，且代代相传，使其菌种得以保存,使细菌适应外界因素的变化，从而得以进化和发展,遗传性变异/基因型变异(genotypic variation),生物的基因结构发生了改变，变异的性状可遗传给子代，称为基因型变异。,非遗传性变异/表型变异(phenotypic variation),生物的性状受外界环境的影响发生改变，其基因结构未改变，不能遗传，这种变异称为表型变异。,表 型 变 异,1%,石炭酸,去除,1%,石炭酸,恢复其原有的生长特性,基因型变异,BCG：,牛型结核杆菌（有毒株）,胆汁-甘油-马铃薯培养,13年，230次传代,减毒株（BCG）,一.形态结构的变异,3-6%食盐,鼠疫杆菌多形态性(衰残型)琼脂培基,细菌大小和形态变异,细菌结构变异,炭疽杆菌,失去形成芽胞能力,毒性降低,变形杆菌（,H）,（,O）,迁徙生长,单个菌落,10-20天,42-43,1%,石炭酸,二.菌落变异,细菌的菌落:,主要有,光滑型(smooth,S)和粗糙型(rough,R),两种,表面光滑、湿润、,边缘整齐,表面粗糙、干燥、,边缘不整齐,SR,变异,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。,SR,变异常见于,肠道杆菌,，由于失去,LPS,的特异性寡糖重复单位而引起的。,S,型菌落,R,型菌落,三.毒力变异,棒状噬菌体,白喉棒状杆菌,获得白喉毒素,胆汁、甘油、马铃薯培养基,牛型结核杆菌,卡介苗 13年(230代),毒力增强,毒力减弱,四.耐药性变异,细菌对某种抗菌药物有敏感变成耐药的变异称为,耐药性变异。,金黄色葡萄球菌耐青霉素的菌株已从1946年的14%上升至目前的80%。,有些细菌还表现为同时耐受多种抗菌药物，即,多重耐药性,，甚至产生药物依赖性。,含链霉素培基,痢疾杆菌,依链株(耐药菌株)长期培养,第二节,细菌的遗传物质,染色体,质粒,转座因子,整合子,除染色体外其它均是在细菌中专有的遗传物质。,1.,细菌染色体,细菌染色体为一环状双股,DNA链。,革兰阳性菌核质连接在中介体上。,革兰阴性菌核质连接在细胞膜某一点上。,特征：,相对较小，只有一个复制起始位点,功能相关基因组成操纵子,基因结构是连续的，无内含子,基因组间无重叠现象,不编码,DNA,比真菌细胞基因少,2.质粒(plasmid),概念：,质粒为细菌染色体外的遗传物质，环状双股,DNA,。质粒携带有遗传信息，控制某些特定的遗传性状，可独立复制，与细菌的遗传变异有关。,特征：,自我复制,-可与染色体同步/不同步,决定细菌某些生物学性状,可自行丢失及消除，不影响细菌存活,可转移性,-可以各种方式转移到其它菌,不相容性与相容性,种类及功能：,致育质粒,-(fertility plasmid),F,质粒，,产生性菌毛,-F,+,毒力质粒,-(virulence plasmid),Vi,质粒，,产生相应毒素,耐药质粒,-(resistance plasmid),R,质粒，,编码细菌对抗菌药物的耐药性,细菌素质粒,-,Col,质粒，,产生细菌素,代谢质粒,-,编码产生相关酶,如脲酶、枸橼酸盐利用酶等,概念：,是一类在细菌染色体、质粒或噬菌体之间可自行移动的特异性的独立的,DNA,片段。,3.转位因子,意义：,改变遗传物质的核苷酸序列,影响插入点附近基因的表达（失活）,直接插入一段新序列，造成基因的转移和重组,以上均能造成细菌性状的变异,1.插入序列（insertion sequence,IS）,结构较简单，长度小于2Kb。只带有自身插入所需要的酶基因，不带有任何与插入无关的基因。,插入后与插入点附近的序列共同起作用。如有些,质粒和染色体,上，有一些相同的IS，因此质粒就可以经同源性重组插入到染色体中，形成一种,高频重组株（Hfr）。,IS,(,insertion sequence,):,7501550,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）,结构较复杂，分子量大（2Kb以上），上除了含有与转位有关的基因外，还至少携带1个决定细菌遗传性状有关的基因（,如耐药性基因、重金属抗性基因、毒素基因等,）。,其中以带有耐药性基因的,Tn,研究的最多，当,Tn,插入时，一方面可引起插入基因的失活、另一方面带入了耐药基因使细菌获得了耐药性。,Tn,(,transposon,):,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,复合转座子的结构,IS,未端反向重复,中心序列,IS-,与转座子插入有关,中心序列,-,携带有特殊基因（如耐药基因等）,常见的插入序列和转座子,IS bp Tn,耐药或毒素基因,IS1 768 Tn1,AP,（,氨苄青霉素,）,IS2 1327 Tn6,Kan,（,卡那霉素,）,IS3 1300 Tn10,Tet,（,四环素,）,IS4 1426 Tn551,Em,（,红霉素,）,IS5 1195 Tn681,E.coli ET,（,肠毒素,）,总之，转座子广泛存在于细菌中，由于转座子的转位，可以造成细菌的耐药基因、毒力基因等在细菌中传播和重排。,转座子也是目前基因工程和遗传学研究的重要工具。,4.整合子（,integron，In,）,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,整合子含有3个功能元件：重组位点；整合酶基因；启动子,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,5.,噬菌体（bacteriophage）：,形态结构,:,蝌蚪形,衣壳：蛋白质,核酸：,dsDNA,分布广,:,有菌就有噬菌体,宿主特异性：流行病调查；分型,参与细菌变异：转导,溶原性转换,第三节 细菌基因表达的调节,组成：,由结构基因、操纵基因、启动子、调节基因共同组成,乳糖操纵子,(operon),R/I,P,O,Lac Z,Lac Y,Lac A,调节基因,(regulatory gene/,inhibiting gene),启动子,(promoter),操纵基因,(operator genne),结构基因,(structural gene),TG,TTGACA,TTT,识别单位,ATTTGT,TATAATG,结合部位,细菌结构基因示意图,细菌结构基因特点：,结构基因中没有内含子,基因序列为连续的结构,转录后不需剪切加工,基因组间无重叠现象,一个,DNA,序列只编码一种蛋白质,二个细菌间部分遗传基因，可以发生,转移(gene transfer),和,重组(recombination),，使,受体菌获得新的遗传性状。,细菌基因转移和重组的方式：,转化（,transformation),接合 (conjugation),转导 (transduction),溶原性转换 (lysogenic conversion),原生质体融合（protoplast fusion),第四节 基因的,转移和重组,转移：供菌提供DNA；受菌接受DNA,重组：受菌获得供菌DNA,类型,基因来源,转移方式,转化,供菌,受菌摄入,接合,供菌,通过性菌毛,转导,供菌,噬菌体媒介,溶原性转换,噬菌体,前噬菌体,一、转化 transformation,概念,供体菌游离的DNA,片段直接被受体菌摄取，使受体菌获得新的性状,小鼠体内肺炎球菌转化经典试验,受菌主动摄取外源性DNA,供菌死亡时释放或人工方法提取DNA,转化的DNA片段称,转化因子,转化因子分子量小于110,7,，不超过,1020个基因,，才可能被受体菌摄取,受体菌必须处于,感受态 competence,时，才能摄取转化因子,摄入的供体菌DNA片段与受体菌相应DNA重组 重组菌；重组菌繁殖时，就可形成,重组突变株,，获得供体菌的某些性状。,影响因素：,供受菌基因型：,同源性；亲缘关系近，转化率高,感受态（competence）：,生理活动过程中摄取,转化因子的最佳时期,环境因素：,Mg,2,、Ca,2,等可促进转化,二、接合（conjugation）,概念：,通过性菌毛将供菌遗传物质（,质粒,）转给受体菌，使受体菌获得供体菌性状。,F,因子的传递,F,因子经接合传递后在受体菌中可有三种存在方式：,F,质粒在受体菌中单独存在，使,F,-,菌转变为,F,+,菌，长出性菌毛。,F质粒经接合传递后,与染色体重组,形成高频重组株,highfrequencyrecombinant,Hfr,。,Hfr的细菌，基染色体上带有F质粒，因此，也可产生性菌毛,高频重组株,Hfr,Hfr（高频重组菌株）：,F质粒与染色体整合,具有结合和转移功能,细菌染色体转移频率高，F质粒低,受体菌获得供体菌性状,用于绘制基因图,Hfr,转移细菌染色体过程,Hfr 中的F质粒有时也可从Hfr 中脱离下来。又形成了质粒脱离下来的,F质粒,上可以,带有染色体上邻近的一些基因,，这种质粒称为,F质粒,因此，带有,F质粒、Hfr、F质粒,的细菌均是 F,+,阳性菌，有性菌毛，可与F,-,菌接合,F,因子转移与复制,形成高频重组株,F,从,Hfr,上脱离的,F,形成,F,质粒,R质粒的传递,目前，临床上多重耐药菌株的出现与R质粒通过接合传递密切有关。,R,质粒组成：,耐药传递因子,(resistance transfer factor,RTF),RTF,类似,F,因子，可编码产生性菌毛并以接合方式转移。,耐药决定因子,(r,决定因子,),：,r,决定因子两端的,IS,可与,RTF,相连；且可有多个,Tn,连接排列是造成多重耐药的原因。,R,质粒组成示意图,RTF,IS,R,决定因子,Tn9,Tn4,Tn5,Tn9,耐氯霉素,Tn4,耐氨苄青霉素、链霉素等,Tn5,耐卡那霉素,三、转导 transduction,概念,以温和噬菌体为载体，将供体菌的遗传物质转移到受体菌中，使受体菌获得新的遗传性状。,溶原噬菌体的溶原期与裂解期交替进行，此时温和噬菌体起转导载体作用,转导方式（普遍性转导、局限性转导）,普遍性转导,-转导的DNA片段可以是供体菌染色体中,任何部分,，也可以是,质粒DNA,前噬菌体从溶原菌染色体上脱离，进入溶菌周期。装配时可能发生装配错误，将细菌的DNA片段装入噬菌体衣彀内，形成一个,转导噬菌体,。转导噬菌再感染其它细菌，并进入溶原周期，就可导致细菌间基因的转移和重组,转导可转移较大片段的DNA，而且由于噬菌体衣彀的保护，不易被降解，故转化效率较高。,普遍性转导与温和噬菌体裂解期有关,普遍性转导的结果有二种-,完全转导、流产转导,噬菌体,DNA,细菌,DNA,细菌被裂解,感染新的细菌,供体菌,DNA,与受体菌,DNA,整合,整合成功,完全转导,整合失败,流产转导,普遍性转导示意图,局限性转导,所转导的DNA片段只限于供体菌染色体中个别特定的基因（如,大肠杆菌染色体转导的半乳糖酶基因或生物素基因,）,局限性转导与温和噬菌体的溶原期有关,局限性转导示意图,gal,bio,噬菌体,DNA,gal,bio,噬菌体,DNA,gal,bio,噬菌体,DNA,gal,bio,噬菌体,DNA,gal,bio,噬菌体,DNA,噬菌体,DNA,gal,bio,四、溶原性转换 lysogenic conversion,概念,温和噬菌体以前噬菌体形式存在于细菌染色体中，并导致细菌基因型发生改变，使溶原性细菌获得了新的性状。,溶原性转换（lysogenic conversion）,白喉棒状杆菌,产生白喉毒素，是因其前噬菌体（-棒状噬菌体）带有毒素蛋白结构基因（tox基因）。,A群溶血性链球菌,受有关温和噬菌体感染发生溶原性转换，能产生致热外毒素。,肉毒梭菌的毒素、金黄色葡萄球菌溶素,的产生，以及沙门菌、志贺菌等的抗原结构和血清型别都与溶原性转换有关。,基因突变,概念,突变 mutation 指细菌遗传物质的结构突然发生的稳定性的改变，可遗传子代。根据涉及基因的多少分为,点突变,及,染色体畸变,二种,基因突变的规律：,突变率：,细菌自发突变率低，约为10,-6,10,-9,，在一些突变剂诱导下突变率可大大提高。,突变与选择：,细菌突变随机产生，不受环境因素的影响，但在一定条件下被选择出来。,影印平板：自发的，随机的，非诱导的药,物仅起选择作用,突变与选择证明实验,影印培养 replica plating (Lederberg 1952),影印用无菌丝绒布,无抗生素平板,含抗生素平板,标记点,2,耐药菌株,影印后丝绒布上对应菌落,1,含抗生素培养管（细菌生长 混浊）,3,含抗生素培养管（细菌不生长 澄清）,3,证明：耐药突变是自发的、随机的，药物只起选择作用,回复突变,野生型（自然环境下的表型株）,突变型（发生了基因突变的菌株）,野生型,突变,突变型,回复突变,自发突变,彷徨试验：,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。,突变型细菌及其分离：,耐药性突变型 药敏试验,营养缺陷突变型 营养物质筛选,条件致死性突变型 温度敏感试验,发酵阴性突变型 乳糖发酵试验,诊断困难,H,O变,异：如伤寒沙门菌鞭毛,S,R,变异：消失荚膜或多糖,抗原性改变,毒力下降，生化反应改变,治疗困难：耐药,预防：BCG,第五节,实际应用,Ames,试验：,基因工程,载体：质粒，噬菌体,工程菌和酶：限制性内切酶，连接酶,选择目的基因，细菌中表达，如胰岛素、白介素、干扰素等,基因工程疫苗,名词,突变 质粒 转化 接合 转导,溶原性转换 转座子 毒性噬菌体,温和噬菌体 前噬菌体 溶原性细菌,思考题,1.了解细菌遗传变异的物质基础及其现象,2.何谓普遍性转导、局限性转导,3.质粒的特性，R质粒有何临床意义？,4.了解细菌遗传变异在医学中的意义,本章要点,