第五章-细菌的遗传与变异2011.ppt

第第5章章细菌的遗传细菌的遗传(ychun)与变异与变异第一页，共五十三页。遗传遗传(ychun)(ychun)与变与变异异 u遗传遗传(heredity)：微生物的性状保持相对稳定，亲代与子代基本相同，且代代相传。：微生物的性状保持相对稳定，亲代与子代基本相同，且代代相传。u变异变异(variation)：在一定条件下，子代与亲代之间以及子代与子代之间的生：在一定条件下，子代与亲代之间以及子代与子代之间的生物学性状出现的差异。物学性状出现的差异。u基因型基因型(genotype)：指构成生物遗传基础的基因：指构成生物遗传基础的基因(jyn)组成。它决定着生物的遗组成。它决定着生物的遗传特性。传特性。u表型表型(phenotype)：在一定条件下，特定基因实际表现出来的各种性状。：在一定条件下，特定基因实际表现出来的各种性状。u基因型变异基因型变异(genotypicvariation)：基因结构发生改变。：基因结构发生改变。遗传性变异遗传性变异。u表型变异表型变异(phenotypicvariation)：细菌在一定的环境条件影响下产生的变：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。异，其基因结构未改变。非遗传性变异非遗传性变异。第二页，共五十三页。细菌细菌(xjn)的变异现的变异现象象形态结构形态结构(jigu)的变异的变异菌落变异菌落变异(S-R)毒力变异毒力变异(强强弱弱)耐药性变异耐药性变异(敏感敏感耐药耐药)第三页，共五十三页。1.形态结构形态结构(jigu)的变异的变异l正常形态细菌正常形态细菌(xjn)细菌细菌(xjn)L型型lH-O变异：变异：鞭毛脱落，动力消失鞭毛脱落，动力消失青霉素、溶菌酶青霉素、溶菌酶第四页，共五十三页。2.毒力变异毒力变异(biny)l增强增强棒状噬菌体棒状噬菌体白喉棒状杆菌白喉棒状杆菌(gnjn)产生白喉毒素产生白喉毒素l减弱减弱胆汁、甘油、马铃薯培养基胆汁、甘油、马铃薯培养基牛型结核分枝杆菌牛型结核分枝杆菌卡介苗卡介苗13年年(230代代)第五页，共五十三页。3.菌落菌落(jnlu)变异变异lS-R变异变异(biny)S(smooth)菌落菌落(jnlu)R(rough)菌落菌落第六页，共五十三页。4.4.耐药性变异耐药性变异(biny)(biny)耐药性变异耐药性变异：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细菌还表现为同时(tngsh)耐受多种抗菌药物，即多重耐药性。耐受多种抗菌药物，即多重耐药性。第七页，共五十三页。第一节第一节 细菌细菌(xjn)(xjn)的遗传物的遗传物质质 染色体染色体染色体以外染色体以外(ywi)的遗传物质的遗传物质质粒质粒转座因子转座因子(ynz)噬菌体基因组噬菌体基因组第八页，共五十三页。1.细菌细菌(xjn)的染色体的染色体仅由一条环状双链仅由一条环状双链DNA分子分子(fnz)组成，聚集形成一个较组成，聚集形成一个较为致密的区域称为类核为致密的区域称为类核(nucleoid)；相对较小，只有一个复制起始位点；相对较小，只有一个复制起始位点；具有操纵子结构，由结构基因和调控序列组成；具有操纵子结构，由结构基因和调控序列组成；基因连续，结构基因中不含内含子；基因连续，结构基因中不含内含子；结构基因在基因组中所占的比例远远大于真核生物基结构基因在基因组中所占的比例远远大于真核生物基因组，但小于病毒基因组；因组，但小于病毒基因组；结构基因多为单拷贝基因。结构基因多为单拷贝基因。第九页，共五十三页。2.质粒质粒(plasmid)细菌染色体以外的遗传物质，是环状闭合细菌染色体以外的遗传物质，是环状闭合(bh)的双链的双链DNA；具有自我复制的能力；具有自我复制的能力；编码细菌某些性状特征；编码细菌某些性状特征；可自行丢失与消除；可自行丢失与消除；可在细菌间转移；可在细菌间转移；相容性与不相容性。相容性与不相容性。第十页，共五十三页。根据编码根据编码(bin m)的生物学性状进行分的生物学性状进行分类类l致育质粒致育质粒（fertilityplasmid,F质粒）质粒）编码性菌毛，介导细菌之间的接合传递；编码性菌毛，介导细菌之间的接合传递；l耐药性质粒耐药性质粒（resistanceplasmid,R质粒）质粒）编码细菌对抗菌药物编码细菌对抗菌药物(yow)或重金或重金属盐类的耐药性。属盐类的耐药性。接合性耐药质粒（接合性耐药质粒（R质粒）质粒）非接合耐药性质粒（非接合耐药性质粒（r质粒质粒)l毒力质粒毒力质粒(virulenceplasmid,Vi质粒）质粒）编码与该菌致病性有关的毒力因子；编码与该菌致病性有关的毒力因子；l细菌素质粒细菌素质粒编码产生细菌素；编码产生细菌素；l代谢质粒代谢质粒编码产生相关的代谢酶。编码产生相关的代谢酶。第十一页，共五十三页。3.转座因子转座因子(ynz)(transposableelement)细菌细菌(xjn)基因组中能改变自身位置的一段基因组中能改变自身位置的一段DNA序列，这种转序列，这种转移可发生在细菌移可发生在细菌(xjn)染色体、质粒之间。染色体、质粒之间。插入序列插入序列转座子转座子第十二页，共五十三页。l转座因子是基因组的正常组成成分，转座因子是基因组的正常组成成分，不以独立的形式存在不以独立的形式存在(cnzi)(cnzi)（如噬菌体或质粒（如噬菌体或质粒DNA）。转座的发生）。转座的发生不依赖于转座不依赖于转座子和靶位点之间任何的序列同源性子和靶位点之间任何的序列同源性，在基因组内由一个，在基因组内由一个部位直接转移到另一个部位。部位直接转移到另一个部位。l转座以转座以很低的频率很低的频率发生，而且转座子的插入是发生，而且转座子的插入是随机的随机的。l转座因子有时插入到一个结构基因或基因调节序列内，转座因子有时插入到一个结构基因或基因调节序列内，引起基引起基因表达的改变因表达的改变。第十三页，共五十三页。l插入序列插入序列(insertionsequence,IS)最简单的转座因子，不超过最简单的转座因子，不超过(chogu)2kb；两端有反向重复序列；两端有反向重复序列；只携带转座酶只携带转座酶（transposase）基因，而不带有任何使细菌表基因，而不带有任何使细菌表现性状的基因。现性状的基因。第十四页，共五十三页。l转座子转座子(transposon,Tn)除了除了(chle)具有与转座有关的功能外，还携带药物抗性（或具有与转座有关的功能外，还携带药物抗性（或其他）标志。其他）标志。长度一般超过长度一般超过2kb，中心区携带药物抗性标志，两侧为由中心区携带药物抗性标志，两侧为由IS元件组成的臂。元件组成的臂。第十五页，共五十三页。转座发生转座发生(fshng)的机的机制制l转座因子插入转座因子插入(ch r)(ch r)到一个新的部位的通常到一个新的部位的通常步骤是：在靶步骤是：在靶DNADNA上制造一个交错的切口，上制造一个交错的切口，然后转座因子与突出的单链末端相连接，并然后转座因子与突出的单链末端相连接，并填充切口。填充切口。l转座的结果是靶部位序列形成了转座的结果是靶部位序列形成了两个正向重复两个正向重复序列序列。链的切口之间的交错决定了正向重复的长。链的切口之间的交错决定了正向重复的长度。度。l反向重复序列标明了转座因子的末端。所有反向重复序列标明了转座因子的末端。所有类型转座因子的转座皆需类型转座因子的转座皆需转座酶转座酶对末端的识对末端的识别。别。第十六页，共五十三页。复制型转座（复制型转座（replicativetransposition）：）：转座的转座的DNA序列是原转座因子的一个拷贝，而不是它本身。转座子作为序列是原转座因子的一个拷贝，而不是它本身。转座子作为(zuwi)移动的拷贝，即一个拷贝留在原处，另一拷贝插入到新的靶位点。移动的拷贝，即一个拷贝留在原处，另一拷贝插入到新的靶位点。第十七页，共五十三页。非复制型转座（非复制型转座（nonreplicativetransposition）：）：转座因子直接转座因子直接(zhji)从原位点移到靶位点，同时在供体留下产生一个从原位点移到靶位点，同时在供体留下产生一个双链断裂的位点。这个双链断裂位点需要修复系统的识别和修复。双链断裂的位点。这个双链断裂位点需要修复系统的识别和修复。第十八页，共五十三页。保守保守(boshu)转座（转座（conservativetransposition）：）：转座因子从供体位点上切离，插入到靶位点上，供体位点恢复原状。转座因子从供体位点上切离，插入到靶位点上，供体位点恢复原状。第十九页，共五十三页。一种运动性一种运动性DNA分子，具有独特结构可捕获和整合外源性基因，使之转分子，具有独特结构可捕获和整合外源性基因，使之转变成为功能性基因的表达单位；变成为功能性基因的表达单位；定位于细菌染色体、质粒或转座子上定位于细菌染色体、质粒或转座子上;基本结构：两端为保守末端基本结构：两端为保守末端(mdun)，中间为可变区，含一个或多个基因，中间为可变区，含一个或多个基因盒盒;整合子含有整合子含有3个功能元件：重组位点、整合酶基因、启动子个功能元件：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。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。4.整合整合(zhnh)子子(integron,In)第二十页，共五十三页。整合整合(zhnh)子介导的获得耐药基因盒的机制子介导的获得耐药基因盒的机制Theintegronmechanismofantibiotic-resistancegenecassetteacquisition基因盒是较小的、可移动的基因盒是较小的、可移动的DNA分子，常以环形独立状态存在。只有分子，常以环形独立状态存在。只有(zhyu)被整合子捕获并整合到整合子中才能转录。整被整合子捕获并整合到整合子中才能转录。整合子通过整合酶催化基因盒上的合子通过整合酶催化基因盒上的attC位点和整合子上的位点和整合子上的attI位点之间的位点特异性重组，可以将游离的耐药基因盒整合到自身位点之间的位点特异性重组，可以将游离的耐药基因盒整合到自身的染色体上。基因盒在整合子的启动子带动下得以表达。的染色体上。基因盒在整合子的启动子带动下得以表达。attC，基因盒的重组位点；，基因盒的重组位点；attI，整合子的重组位点；，整合子的重组位点；Pant，基因盒表达的启动子；基因盒表达的启动子；qac，季铵盐类化合物，季铵盐类化合物耐药基因耐药基因;sul，磺胺类耐药基因。，磺胺类耐药基因。第二十一页，共五十三页。5.噬菌体基因组噬菌体基因组溶原性转换溶原性转换(zhunhun)lysogenicconversion第二十二页，共五十三页。第二节第二节 细菌细菌(xjn)(xjn)基因表达的调节基因表达的调节操纵子操纵子（operon）-原核生物原核生物(shngw)中几个功能相关的结构基因串联排列中几个功能相关的结构基因串联排列在一起，与其上游的在一起，与其上游的启动子启动子和和操纵基因操纵基因序列共同构成的一个转录单位。序列共同构成的一个转录单位。调节基因调节基因-位于操纵子上游，编码的蛋白能够与操纵基因序列结合，调位于操纵子上游，编码的蛋白能够与操纵基因序列结合，调节结构基因的表达。节结构基因的表达。大肠大肠(dchng)埃希菌乳糖操纵子埃希菌乳糖操纵子(lacoperon)第二十三页，共五十三页。抑制抑制(yzh)基因转基因转录录阻遏蛋白阻遏蛋白(repressor)与操纵基因结合，阻断启动子与与操纵基因结合，阻断启动子与RNA聚合酶结合聚合酶结合或结合后不能移动，从而或结合后不能移动，从而(cngr)阻止基因转录。阻止基因转录。第二十四页，共五十三页。阻遏蛋白与诱导阻遏蛋白与诱导(yudo)物结合时，迫使阻遏蛋白物结合时，迫使阻遏蛋白-诱导诱导(yudo)物复合物物复合物脱离脱离DNA链，去除阻遏蛋白的抑制作用。链，去除阻遏蛋白的抑制作用。第二十五页，共五十三页。促进促进(cjn)基因转基因转录录分解分解(fnji)物基因激活蛋白物基因激活蛋白(CAP)第二十六页，共五十三页。第三节第三节 基因基因(jyn)(jyn)的转移和重的转移和重组组基因转移基因转移(genetransfer)：遗传物质由供体菌进入某受体菌细胞内的过程。遗传物质由供体菌进入某受体菌细胞内的过程。基基因因重重组组(recombination)：转转移移的的基基因因与与受受体体菌菌DNA整整合合在在一一起起，使使受受体体菌菌获获得供体菌某些特性得供体菌某些特性(txng)。同同源源重重组组：发发生生在在紧紧密密相相关关的的DNA之之间间。在在细细菌菌rec基基因因编编码码的的重重组组酶酶作作用用下下，由外源性一段单链由外源性一段单链DNA取代宿主染色体上一段取代宿主染色体上一段DNA。非非同同源源重重组组：发发生生在在无无关关的的DNA之之间间，在在位位点点专专一一重重组组酶酶的的作作用用下下，将将缺缺失或插入的失或插入的DNA重新连接。重新连接。细菌的基因转移和重组方式：细菌的基因转移和重组方式：转化转化、接合接合、转导转导、溶原性转换溶原性转换、原生质体融合原生质体融合。第二十七页，共五十三页。一、转化一、转化(zhunhu)(Transformation)小鼠体内肺炎小鼠体内肺炎(fiyn)链球菌转化链球菌转化试验试验第二十八页，共五十三页。受体菌直接摄取供体菌裂解释放受体菌直接摄取供体菌裂解释放(shfng)的的DNA片段，获得新的片段，获得新的遗传性状的过程称为遗传性状的过程称为转化转化。第二十九页，共五十三页。l转化因子转化因子（transformingfactors）在转化过程中，转化的在转化过程中，转化的DNA片段称为片段称为(chnwi)转化因子。转化因子。l影响因素影响因素供受菌基因型供受菌基因型：亲缘关系愈近，转化率愈高亲缘关系愈近，转化率愈高受菌的生理状态受菌的生理状态：感受态（感受态（competence）-生理活动过程中摄取转化因子的最佳时期生理活动过程中摄取转化因子的最佳时期环境因素环境因素：Mg2、Ca2等可促进转化等可促进转化第三十页，共五十三页。二、接合二、接合(jih)(conjugation)细菌通过细菌通过(tnggu)性菌毛相互连接沟通，将遗传物质（主要是性菌毛相互连接沟通，将遗传物质（主要是质粒质粒DNA）从供体菌转移给受体菌的方式称为）从供体菌转移给受体菌的方式称为接合接合。能通过接合方式转移的质粒称为能通过接合方式转移的质粒称为接合性质粒接合性质粒。（。（F质粒、质粒、R质粒）质粒）第三十一页，共五十三页。1.F质粒的接合质粒的接合(jih)lF质粒质粒（fertilityfactor,致育因子致育因子(ynz)）第三十二页，共五十三页。lF质粒整合到细菌染色体上，形成质粒整合到细菌染色体上，形成高频高频(opn)重组株重组株(highfrequencyrecombinant,Hfr)，能高效地转移染色体上的基，能高效地转移染色体上的基因至因至F-菌。菌。第三十三页，共五十三页。第三十四页，共五十三页。Hfr菌的接合菌的接合(jih)第三十五页，共五十三页。lHfr菌中的菌中的F质粒可从染色体上脱离下来，并携带质粒可从染色体上脱离下来，并携带(xidi)染色体上几个邻近的基因，故称染色体上几个邻近的基因，故称F质粒质粒。lF+、Hfr、F三者均有性菌毛，均可发生接合。三者均有性菌毛，均可发生接合。第三十六页，共五十三页。2.R质粒的接合质粒的接合(jih)R质粒质粒(resistanceplasmid)l耐药传递因子耐药传递因子(ynz)（RTF):与与F质粒功能相似，编码性菌毛，决定质粒的复质粒功能相似，编码性菌毛，决定质粒的复制、接合及转移。制、接合及转移。l耐药决定因子耐药决定因子（r-det)：带有不同耐药基因的转座子。：带有不同耐药基因的转座子。AmpRCamRKanR第三十七页，共五十三页。三、转导三、转导(zhundo)(transduction)转导转导是以噬菌体为载体，将供体菌的一段是以噬菌体为载体，将供体菌的一段DNA转移转移(zhuny)到到受体菌内，使受体菌获得供体菌的部分遗传性状。受体菌内，使受体菌获得供体菌的部分遗传性状。普遍性转导普遍性转导-转导的转导的DNA可是供菌染色体上的任何部分。可是供菌染色体上的任何部分。完全转导：供体菌完全转导：供体菌DNA片段与受体菌染色体整合片段与受体菌染色体整合流产转导：供体菌流产转导：供体菌DNA片段游离在细胞质中片段游离在细胞质中局限性转导局限性转导-转导的转导的DNA只限供菌染色体上的特定基因。只限供菌染色体上的特定基因。第三十八页，共五十三页。1.1.普遍性转导普遍性转导(zhun(zhun do)do)毒性噬菌体，温和毒性噬菌体，温和(wnh)噬菌体均能介导普遍性转导噬菌体均能介导普遍性转导第三十九页，共五十三页。2.局限性转导局限性转导(zhundo)第四十页，共五十三页。2.局限性转导局限性转导(zhundo)温和温和(wnh)噬菌体介导局限性转噬菌体介导局限性转导导第四十一页，共五十三页。四、溶原性转换四、溶原性转换(zhunhun)(lysogenicconversion)细菌因染色体上整合有前噬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菌体而获得新的遗传性状称为(chn wi)溶原性转换溶原性转换。第四十二页，共五十三页。五、原生质体融合五、原生质体融合(rngh)(protoplastfusion)将两种遗传性状不同将两种遗传性状不同(btn)的细菌经溶菌酶或青霉素等处理，的细菌经溶菌酶或青霉素等处理，形成原生质体形成原生质体后，在聚乙二醇（后，在聚乙二醇（PEG）作用下，使两种不同的细菌细胞发生融合的过程。）作用下，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，染色体之间发生交换和重组。融合后形成双倍体细胞，可短期生存，染色体之间发生交换和重组。第四十三页，共五十三页。第三节第三节 基因突变基因突变(j yn(j yn t bin)t bin)l基因突变基因突变(jyntbin)(mutation)：指由于：指由于DNA碱基对的置换、插碱基对的置换、插入或缺失导致基因结构发生变化。入或缺失导致基因结构发生变化。DNA序列序列改变改变碱基的置换碱基的置换移码突变移码突变转转 换换颠颠 换换A GT CA TA CG TG C插插 入入缺缺 失失第四十四页，共五十三页。一、基因突变一、基因突变(j yn t bin)规律规律1.1.自发自发(zf)(zf)突变与诱发突变突变与诱发突变彷徨试验彷徨试验：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：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。是诱导作用。自发突变率为一世代自发突变率为一世代(shdi)109106，诱发突变率达，诱发突变率达106104。第四十五页，共五十三页。野生型野生型（wildtype)：从自然界分离的未发生：从自然界分离的未发生(fshng)突变的菌株。突变的菌株。突变型突变型(mutanttype)：相对于野生型菌株发生某一性状的改变。：相对于野生型菌株发生某一性状的改变。正向突变正向突变：细菌由野生型变为突变型。：细菌由野生型变为突变型。回复突变回复突变(reversemutation)：突变株经过又一次突变可恢复为野生型的性状。：突变株经过又一次突变可恢复为野生型的性状。抑制突变抑制突变(suppressormutation)：真正的原位回复突变很少，大多数回复突变都是：真正的原位回复突变很少，大多数回复突变都是第二次突变抑制了第一次突变造成的表型，使野生表现型得以恢复或部分恢复。第二次突变抑制了第一次突变造成的表型，使野生表现型得以恢复或部分恢复。回复突变往往不是基因型回复，而是表型的回复。回复突变往往不是基因型回复，而是表型的回复。2.回复突变和抑制回复突变和抑制(yzh)突变突变第四十六页，共五十三页。3.突变突变(tbin)与选择与选择耐药突变株在接触抗生素之前耐药突变株在接触抗生素之前(zhqin)已经出现，抗生素的作用仅仅是已经出现，抗生素的作用仅仅是选择耐药株，淘汰敏感株。选择耐药株，淘汰敏感株。影印影印(yngyn)试验试验(replicaplating)第四十七页，共五十三页。二、突变型细菌二、突变型细菌(xjn)及其分及其分离离|抗抗性突变型性突变型 影印试验影印试验|营养缺陷突变型营养缺陷突变型 营养物质筛选营养物质筛选|条件致死条件致死(zh s)(zh s)性突变型性突变型 温度敏感试验温度敏感试验|发酵阴性突变型发酵阴性突变型 乳糖发酵试验乳糖发酵试验第四十八页，共五十三页。第五节第五节 细菌细菌(xjn)(xjn)遗传变异在医学上的遗传变异在医学上的实际意义实际意义对细菌学诊断造成困难对细菌学诊断造成困难耐药使得耐药使得(sh de)治疗困难治疗困难制备菌苗制备菌苗检测致癌物检测致癌物在基因工程中的应用在基因工程中的应用第四十九页，共五十三页。检测检测(jinc)致癌物致癌物凡能诱导凡能诱导(yudo)细菌发生突变的物质都有可能是致癌物质。细菌发生突变的物质都有可能是致癌物质。实验组菌落实验组菌落(jnlu)高出对高出对照组一倍即为试验阳性照组一倍即为试验阳性Ames实验实验第五十页，共五十三页。在基因工程在基因工程(jyngngchng)中的中的应用应用 基因工程基因工程是在生物体外用人是在生物体外用人工方法将目的基因工方法将目的基因(jyn)重组于载体重组于载体（质粒或噬菌体），通过载体将目（质粒或噬菌体），通过载体将目的基因的基因(jyn)转入受体细胞，使其表转入受体细胞，使其表达处目的基因达处目的基因(jyn)的性状。的性状。第五十一页，共五十三页。思考题思考题1.细菌基因转移和重组有哪些细菌基因转移和重组有哪些(nxi)类型？类型？2.何何谓谓transposon、IS、Hfr、lysogenicconversion和和Ames试试验验？3.影印试验验证何种理论？影印试验验证何种理论？第五十二页，共五十三页。内容(nirng)总结第5章。结构基因在基因组中所占的比例(bl)远远大于真核生物基因组，但小于病毒基因组。细菌基因组中能改变自身位置的一段DNA序列，这种转移可发生在细菌染色体、质粒之间。在转化过程中，转化的DNA片段称为转化因子。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的方式称为接合。能通过接合方式转移的质粒称为接合性质粒。毒性噬菌体，温和噬菌体均能介导普遍性转导。3.影印试验验证何种理论第五十三页，共五十三页。