细菌遗传与变异(1).ppt

第三章第三章 细菌的遗传与变异细菌的遗传与变异1可编辑版 细菌的各种生物性细菌的各种生物性状相对稳定地传给后状相对稳定地传给后代，并保持其种属原代，并保持其种属原有性状有性状且代代相传，且代代相传，使其种属得以保存。使其种属得以保存。在一定条件下，子在一定条件下，子代和亲代之间以及子代和亲代之间以及子代和子代之间的生物代和子代之间的生物学性状差异。学性状差异。变异性变异性遗传性遗传性遗传使微生物的种属性状相对稳定；变异使遗传使微生物的种属性状相对稳定；变异使微生物产生变种和新种，促进了微生物的进化。微生物产生变种和新种，促进了微生物的进化。2可编辑版基因型变异和表型变异基因型变异和表型变异n基因型基因型：生物性状的遗传组成。：生物性状的遗传组成。n表表型型：基基因因型型的的具具体体表表现现，可可观观察察或或检检测测到的个体性状或特征。到的个体性状或特征。n基因型变异基因型变异：可遗传变异可遗传变异n由由于于DNADNA发发生生改改变变而而导导致致微微生生物物某某些些性性状状的的改改变变。这这类类变变异异涉涉及及少少数数个个体体，不不可可逆逆，能能稳稳定定遗传。遗传。n表型变异表型变异：非遗传型变异非遗传型变异n是是在在DNADNA没没有有改改变变的的情情况况下下发发生生的的微微生生物物某某些些性性状状的的改改变变。这这类类变变异异往往往往涉涉及及生生物物群群体体，是是可逆的，一旦条件复原，变异亦消失。可逆的，一旦条件复原，变异亦消失。3可编辑版 第一节第一节与细菌遗传相关的物质与细菌遗传相关的物质4可编辑版 细菌遗传与变异的物质基础细菌遗传与变异的物质基础 细菌染色体细菌染色体染色体以外的遗传物质染色体以外的遗传物质质粒质粒转座子转座子噬菌体噬菌体5可编辑版n染色体染色体携带细菌绝大部分遗传携带细菌绝大部分遗传信息信息，决定细菌的基因型决定细菌的基因型。特点特点：n不含组蛋白不含组蛋白,无核膜包围无核膜包围；n除除rRNA基因是多拷贝外基因是多拷贝外，绝绝大部分基因是单拷贝；大部分基因是单拷贝；n细菌的基因结构是连续，少有细菌的基因结构是连续，少有重复序列重复序列，一般无内含子；一般无内含子；n转录后形成的转录后形成的RNA不需加工剪不需加工剪切，边转录边翻译成多肽切，边转录边翻译成多肽。细菌染色体细菌染色体 (bacterial chromosome)6可编辑版 质粒质粒(plasmid)plasmid)n 定义定义：质粒是细菌染色体外的遗传物质。存质粒是细菌染色体外的遗传物质。存在于胞质中的闭合环状双链在于胞质中的闭合环状双链DNA,DNA,携带某些遗携带某些遗传信息，控制细菌特定的遗传性状传信息，控制细菌特定的遗传性状。有利于。有利于细菌在特定的环境下生存。细菌在特定的环境下生存。n医学上重要的质粒有：医学上重要的质粒有：F F质粒质粒：编码性菌毛。编码性菌毛。R R质粒质粒：决定耐药性决定耐药性 ViVi质粒质粒：与细菌的毒力有关：与细菌的毒力有关 ColCol质粒质粒：编码细菌素编码细菌素7可编辑版 质粒质粒DNADNA的基本特征的基本特征具有自我复制的能力；具有自我复制的能力；质粒质粒DNADNA所编码的基因产物能赋予细菌某些所编码的基因产物能赋予细菌某些性状特征（致育性、耐药性、致病性等）；性状特征（致育性、耐药性、致病性等）；质粒可自行丢失与消除，并非是细菌生命活质粒可自行丢失与消除，并非是细菌生命活动不可缺少；动不可缺少；质粒的转移性；质粒的转移性；质粒的相容性与不相容性；质粒的相容性与不相容性；8可编辑版 质粒的分类质粒的分类n 能否通过细菌的能否通过细菌的接合作用传递接合作用传递 根据质粒的不根据质粒的不相容性分类相容性分类 根据质粒的生根据质粒的生物学性状分类物学性状分类接合性质粒接合性质粒非接合性质粒非接合性质粒不相容性不相容性 相容性相容性F F质粒质粒 R质粒质粒CoLCoL质粒质粒ViVi质粒质粒9可编辑版 噬菌体噬菌体 （bacteriophagebacteriophage）n定义：定义：噬菌体是感染细菌、噬菌体是感染细菌、真菌、放线菌、螺旋体等真菌、放线菌、螺旋体等微生物的微生物的病毒病毒。是只能在。是只能在活的微生物细胞中复制增活的微生物细胞中复制增殖的专性细胞内寄生的微殖的专性细胞内寄生的微生物。生物。吸附宿主菌细胞注入核酸吸附宿主菌细胞注入核酸 噬菌体的结构噬菌体的结构10可编辑版 基本概念基本概念n毒性噬菌体毒性噬菌体：此类噬菌体在细菌体内增殖，：此类噬菌体在细菌体内增殖，引起菌体裂解，建立引起菌体裂解，建立溶菌性周期溶菌性周期。n温和性噬菌体温和性噬菌体：噬菌体核酸与细菌染色体整：噬菌体核酸与细菌染色体整合，既能建立合，既能建立溶原性周期溶原性周期，又可建立溶菌周，又可建立溶菌周期。期。n前噬菌体前噬菌体：整合于细菌染色体上的噬菌体基：整合于细菌染色体上的噬菌体基因组。因组。n溶原性细菌溶原性细菌：携带有前噬菌体的细菌。：携带有前噬菌体的细菌。11可编辑版 毒性噬菌体与溶菌周期毒性噬菌体与溶菌周期12可编辑版细菌染色体细菌染色体噬菌体噬菌体溶菌周期溶菌周期溶原周期溶原周期生物合成生物合成装配装配释放释放感染其他细菌感染其他细菌诱导诱导前噬菌体前噬菌体噬噬菌菌体体的的溶溶原原性性周周期期和和溶溶菌菌性性周周期期13可编辑版转座因子转座因子(transposable element)transposable element)n 定义定义：是存在于细菌染色体或质粒是存在于细菌染色体或质粒DNADNA分子中的一分子中的一段特异性核苷酸序列片段，能在段特异性核苷酸序列片段，能在DNADNA分子中移动，在分子中移动，在细菌基因组中不断改变位置，并可从一个基因组转细菌基因组中不断改变位置，并可从一个基因组转移到另一个基因组中。移到另一个基因组中。n种类种类：转位因子主要有：转位因子主要有：插入序列插入序列(insertion sequence,IS)insertion sequence,IS)转座子转座子(transposon,Tn)transposon,Tn)转座噬菌体转座噬菌体(tranposable phage or prophagetranposable phage or prophage)IS 中心序列中心序列 IS 2kb 28kb 2kb 细菌染色体细菌染色体DNADNA Tn prophage14可编辑版 第二节第二节 细菌的变异现象细菌的变异现象15可编辑版v形态结构变异形态结构变异（morphological and structure variation)n 3-6%3-6%食盐食盐 鼠疫杆菌鼠疫杆菌 多形态性多形态性(衰残型衰残型)琼脂培基琼脂培基16可编辑版v 细菌细菌L L型型 在青霉素、溶菌酶、补体等作用下，在青霉素、溶菌酶、补体等作用下，使菌细胞壁发生缺陷。细菌呈多形性，革兰染使菌细胞壁发生缺陷。细菌呈多形性，革兰染色阴性。色阴性。vH-OH-O变异变异 细菌失去鞭毛，菌落似薄膜。细菌失去鞭毛，菌落似薄膜。v失去荚膜失去荚膜 同时伴有毒力下降。同时伴有毒力下降。形态变异形态变异结构变异结构变异17可编辑版v抗原性变异抗原性变异(antigenic viriation)n肠道杆菌的细细胞壁表面的多糖重复单位构肠道杆菌的细细胞壁表面的多糖重复单位构成细菌的菌体抗原成细菌的菌体抗原(O O抗原抗原)，具有属特异性；具有属特异性；鞭毛蛋白有抗原性，构成鞭毛抗原鞭毛蛋白有抗原性，构成鞭毛抗原(H H抗原抗原)，具有种特异性。具有种特异性。O O抗原与抗原与H H抗原常用于细菌的抗原常用于细菌的血清学鉴定血清学鉴定。n沙门菌属沙门菌属H H抗原可发生相变异抗原可发生相变异、如可由如可由相变相变为为相相，也可由也可由相变为相变为相相。18可编辑版v菌落变异菌落变异 (colony shape variationcolony shape variation)S S型菌株致病性强，一般新分离的菌株为型菌株致病性强，一般新分离的菌株为S S型型。菌落发生变异后，细菌的理化特性、抗原性、菌落发生变异后，细菌的理化特性、抗原性、生化能力、毒力等也可发生改变生化能力、毒力等也可发生改变。光滑型菌光滑型菌落落smoothsmooth粗糙型菌粗糙型菌落落rooughroough19可编辑版v毒力变异毒力变异(virulent variation)virulent variation)v毒力增强毒力增强-无毒的白喉棒状杆菌感染温和噬菌体后无毒的白喉棒状杆菌感染温和噬菌体后成为有毒株。成为有毒株。-corynephagecorynephage 含毒素基因含毒素基因 编码毒素蛋白编码毒素蛋白 v毒素减弱毒素减弱-有毒菌株变异为弱毒或无毒菌株有毒菌株变异为弱毒或无毒菌株 卡介苗卡介苗 BCGBCG:卡介二氏用有毒的牛结核分枝杆菌卡介二氏用有毒的牛结核分枝杆菌在含甘油、马铃薯的培养基上，经在含甘油、马铃薯的培养基上，经1313年连续年连续230230次传次传代所获得的一毒力减弱但保留有抗原性的变异株。代所获得的一毒力减弱但保留有抗原性的变异株。是是 用于人工免疫以预防结核病的活疫苗用于人工免疫以预防结核病的活疫苗。20可编辑版v耐药性变异耐药性变异(variation of virulence)variation of virulence)n 细菌对某种抗生素或药物由敏感变为不敏感即细菌对某种抗生素或药物由敏感变为不敏感即为细菌的耐药现象。为细菌的耐药现象。n 细菌耐药性的产生，一方面是细菌等微生物自细菌耐药性的产生，一方面是细菌等微生物自然生存能力所表现的一种自然现象，另一方面然生存能力所表现的一种自然现象，另一方面与人类行为密切相关。例如抗生素的广泛应用。与人类行为密切相关。例如抗生素的广泛应用。目前耐药菌株越来越多，并随着新抗生素的不目前耐药菌株越来越多，并随着新抗生素的不断问世，多重耐药株也不断增多，呈现全球范断问世，多重耐药株也不断增多，呈现全球范围的普遍趋势。围的普遍趋势。21可编辑版 第三节第三节 细菌变异的机理细菌变异的机理22可编辑版 基因突变率基因突变率：10-910-6，突变是自发突变是自发、随机产生的随机产生的。基因突变的类型基因突变的类型：点突变与多点突变、染色体畸变点突变与多点突变、染色体畸变突变菌株的选择：只有突变菌株能够生长的环境；突变菌株的选择：只有突变菌株能够生长的环境；影印培养影印培养无菌印模无菌印模(浑浊浑浊)(澄清澄清)有抗生素有抗生素无抗生素无抗生素有抗生素有抗生素一、突变一、突变23可编辑版二、二、基因的转移与重组基因的转移与重组n 基因转移基因转移外外源源性性的的遗遗传传物物质质由由供供体体菌菌转转入入某某受受体菌细胞的过程体菌细胞的过程重组重组转转移移的的基基因因在在胞胞质质中中能能自自行行复复制制与与表表达达，或或与与受受体体菌菌DNADNA整合在一起整合在一起方方 式式 转化转化 接合接合 转导转导 溶原性转换溶原性转换24可编辑版1.1.转化转化(transformation)transformation)定义定义：供体菌游离的供体菌游离的DNADNA片段被受体菌直接摄取片段被受体菌直接摄取使受体菌获得新的性状使受体菌获得新的性状。(1928 Griffith)(1928 Griffith)25可编辑版 1944 Avery 1944 Avery 美国美国 26可编辑版一一般般出出现现在在细细菌菌对对数数生生长长期期的的后后期期，细细胞胞膜膜不不稳稳定定，表表面面具具有有吸吸附附DNADNA的的受受体体的的状状态态，仅维持数分钟至仅维持数分钟至3-4h3-4h。感受态感受态27可编辑版 2、接合接合(conjugation)n定义定义：细菌通过性菌毛相互连接沟通，将遗传物质细菌通过性菌毛相互连接沟通，将遗传物质（主要是质粒（主要是质粒DNADNA）从供体菌转移给受体菌。从供体菌转移给受体菌。n种类种类：F F质粒的接合；质粒的接合；R R质粒的接合质粒的接合28可编辑版 接合与接合与HfrHfr29可编辑版Tn 9Tn 21Tn 10Tn 8RTFR determinant耐药性（耐药性（R R）质粒的组成）质粒的组成耐药传递因子（耐药传递因子（RTFRTF）与与F F质质粒粒相相似似，编编码码性性菌毛的产生和通过接合转移。菌毛的产生和通过接合转移。耐药（耐药（r r）决定子）决定子：能能编编码码对对抗抗菌菌药药物物的的耐耐药药性性，可可由由几几个个转转座座子子连连接接相邻排列。相邻排列。30可编辑版 转导转导(transduction)n定义定义：以温和噬菌体为载体，将供体菌的一段以温和噬菌体为载体，将供体菌的一段DNADNA转转移到受体菌内，使受体菌获得新的性状。移到受体菌内，使受体菌获得新的性状。n普遍性转导普遍性转导：毒性噬菌体增殖裂解细菌过程中发生：毒性噬菌体增殖裂解细菌过程中发生包装错误包装错误，将供体菌，将供体菌DNADNA误装入噬菌体头部误装入噬菌体头部，当它感当它感染受体菌时染受体菌时，将供体菌将供体菌DNADNA带入受体菌体内带入受体菌体内。供体菌供体菌染色体染色体、质粒的任何质粒的任何DNADNA片段均可被转导片段均可被转导。局限性转导局限性转导：前噬菌体从宿主染色体：前噬菌体从宿主染色体切离时发生偏切离时发生偏差差，将前噬菌体整合部位两旁的供体菌基转移到受，将前噬菌体整合部位两旁的供体菌基转移到受体菌。体菌。31可编辑版转导转导n n普遍性转导普遍性转导32可编辑版galbiogalbiogalbiogalbiogalbiogalddg gbio正常脱离正常脱离断裂和再接断裂和再接细菌染色体细菌染色体偏差脱离偏差脱离断裂和再接断裂和再接局限性转导模式图局限性转导模式图33可编辑版 普遍性转导与局限性转导的区别普遍性转导与局限性转导的区别受体菌获得供体受体菌获得供体菌菌DNADNA特定部位特定部位的遗传特性的遗传特性完全转导或完全转导或流产转导流产转导转导的后果转导的后果噬菌体噬菌体DNADNA及供及供体菌体菌DNADNA的的特定特定部位部位 供体菌染色供体菌染色体体DNADNA任何任何部部位或质粒位或质粒转导的遗传转导的遗传物质物质溶原期溶原期裂解期裂解期基因转导发基因转导发生的时期生的时期局限性转导局限性转导普遍性转导普遍性转导n区别要点区别要点34可编辑版n定义定义：细菌感染带有毒素基因的温和噬菌体时细菌感染带有毒素基因的温和噬菌体时使宿主菌成为溶原状态，并获得新的性状使宿主菌成为溶原状态，并获得新的性状。n 常见的细菌及其所产生的毒素有：常见的细菌及其所产生的毒素有：白喉棒状杆菌白喉棒状杆菌 链球菌链球菌 产气荚膜梭菌产气荚膜梭菌 肉毒梭肉毒梭菌菌 白喉毒素白喉毒素 致热外毒素致热外毒素 毒素毒素 肉毒毒素肉毒毒素 4.4.溶原性转换溶原性转换(lysogenic conversionlysogenic conversion)35可编辑版5.5.原生质体融合原生质体融合(protoplast fusion)protoplast fusion)n定义定义：将两种不同的细菌经溶菌酶或青霉素等处理，将两种不同的细菌经溶菌酶或青霉素等处理，失去细胞壁成为原生质体以后进行相互融合的过程。失去细胞壁成为原生质体以后进行相互融合的过程。n特点特点：融合后的双倍体细胞可以短期生存，并可发：融合后的双倍体细胞可以短期生存，并可发生基因的交换和重组，获得多种不同表型的重组融生基因的交换和重组，获得多种不同表型的重组融合体，融合体经培养可重新形成细胞壁，再按其遗合体，融合体经培养可重新形成细胞壁，再按其遗传标志选择重组菌。传标志选择重组菌。n意义意义：原生质体融合技术可使原来不具备基因转移：原生质体融合技术可使原来不具备基因转移条件的细菌实现基因的转移和重组，可用于同种和条件的细菌实现基因的转移和重组，可用于同种和异种细菌之间。异种细菌之间。36可编辑版类型类型基因来源基因来源转移方式转移方式转化转化供菌供菌摄入摄入接合接合供菌（质粒供菌（质粒DNADNA）通过性菌毛通过性菌毛转导转导供菌供菌噬菌体为载体噬菌体为载体溶原性转换溶原性转换噬菌体噬菌体整合整合原生质体融合原生质体融合两菌原生质体的两菌原生质体的DNADNA融合融合基因的转移与重组基因的转移与重组37可编辑版 第四节第四节细菌遗传变异在医学上的应用细菌遗传变异在医学上的应用38可编辑版n在诊断、治疗和预防方面的应用在诊断、治疗和预防方面的应用：变异常给细菌鉴：变异常给细菌鉴定带来困难；耐药菌株对临床治疗提出新挑战；毒定带来困难；耐药菌株对临床治疗提出新挑战；毒力变异使疫苗制备有了新途径。力变异使疫苗制备有了新途径。n测定致癌物质测定致癌物质：凡能诱导细菌突变的物质也可诱导：凡能诱导细菌突变的物质也可诱导人体细胞突变，既有可能为致癌物质。人体细胞突变，既有可能为致癌物质。n流行病学方面的应用流行病学方面的应用：用分子生物学方法追踪基因：用分子生物学方法追踪基因水平的播散，以确定感染暴发流行菌株和相关基因水平的播散，以确定感染暴发流行菌株和相关基因的来源，或调查耐药质粒在细菌中的播散情况。的来源，或调查耐药质粒在细菌中的播散情况。n分子生物学与基因工程方面的应用：分子生物学与基因工程方面的应用：微生物基因组微生物基因组研究研究：病毒基因测序基本完成，细菌测序巳完成病毒基因测序基本完成，细菌测序巳完成776776株（株（20092009年），酵母菌基因测序年），酵母菌基因测序19981998年完成。年完成。39可编辑版 学习中应注意的问题学习中应注意的问题n掌握与遗传变异有关的基本概念。掌握与遗传变异有关的基本概念。n与细菌遗传变异相关的物质各有何特点？与细菌遗传变异相关的物质各有何特点？n噬菌体与宿主菌的相互关系如何？噬菌体与宿主菌的相互关系如何？n掌握细菌基因转移与重组方式的种类及定义掌握细菌基因转移与重组方式的种类及定义n了解细菌遗传变异的实际应用有哪些？了解细菌遗传变异的实际应用有哪些？40可编辑版