第十三章细菌的遗传与变异.ppt

第十三章细菌(xjn)的遗传与变异教学内容：第一节细菌的变异现象l一、形态与结构的变异二、毒力变异l三、耐药性变异四、抗原性变异l五、菌落变异l第二节细菌遗传变异的物质基础l一、细菌的染色体二、质粒三、转位因子l四、噬菌体l第三节细菌变异的发生机制l一、基因突变二、基因转移与重组l第四节细菌的遗传变异在医学(yxu)中的应用第一页，共八十八页。l教学(jioxu)目标：l1、了解细菌变异的现象l2、熟悉细菌遗传变异的物质基础l3、熟悉细菌变异的机制l4、了解细菌变异的实际意义第二页，共八十八页。l遗传：子代与亲代间的生物学特征相似(xins)l变异：子代与亲代间的生物学特征差异l变异类型：l遗传性变异（基因型变异）：基因结构改变l特点：个别细菌，产生新性状可遗传，不可逆。l非遗传性变异(表型变异）：环境条件变化，无基因结构的改变。l特点：菌群中所有细菌，不遗传，可逆。第三页，共八十八页。第四页，共八十八页。第一节细菌的变异(biny)现象l一、形态与结构的变异l（一）形态变异l受外界环境(hunjng)条件l影响（椭圆形l小杆菌球形、l杆状、逗点状等l多种形态）第五页，共八十八页。细菌(xjn)L型变异：青霉素、溶菌酶正常形态细菌(xjn)L型细菌(部分或完全失去胞壁)正常(zhngchng)霍乱弧菌霍乱弧菌L型形态结构变异第六页，共八十八页。葡萄球菌(ptoqijn)L型变异细菌(xjn)L型油煎蛋样菌落第七页，共八十八页。l（二）结构(jigu)变异l细菌的特殊结构可发生变异而失去。l有鞭毛的变形杆菌在固体培养基上弥散生长，菌落似薄膜，称H菌落。将此菌接种在含有1%苯酚的培养基上，细菌失去鞭毛，形成单个菌落，称为O菌落。lH-O变异：将细菌失去鞭毛的变异。第八页，共八十八页。荚膜变异(biny)第九页，共八十八页。芽胞变异芽胞变异42-43炭疽杆菌炭疽杆菌失去形成芽胞能力失去形成芽胞能力,毒性毒性10-20天天降低降低鞭毛鞭毛(binmo)变异变异鞭毛细菌无鞭毛菌（单个菌落（单个菌落（单个菌落（单个菌落(jnlu)(jnlu)）（迁徙生长）（迁徙生长）（迁徙生长）（迁徙生长）（点种在含点种在含点种在含点种在含0.1%0.1%石碳酸的培养基）石碳酸的培养基）石碳酸的培养基）石碳酸的培养基）第十页，共八十八页。细胞壁变异细胞壁变异(biny)：有：有无无gon荚膜变异：有荚膜变异：有无无如：如：肺炎链球菌肺炎链球菌n芽胞变异：有芽胞变异：有无无如：炭疽杆菌如：炭疽杆菌n鞭毛变异：有鞭毛变异：有无（无（H-O变异）变异）第十一页，共八十八页。棒状噬菌体白喉棒状杆菌(gnjn)产生白喉毒素增强增强(zngqing)l（二）毒力变异l表现(bioxin)：减弱或增强第十二页，共八十八页。胆汁、甘油(nyu)、马铃薯培养基牛型结核杆菌卡介苗13年(230代)（BCG）减弱减弱(jinru)1921年AlbertCalmetteCamilleGuerin第十三页，共八十八页。三、耐药性变异(biny)l概念：概念：细菌对某种抗菌药物由敏感变成耐药。l多重耐药：多重耐药：有些细菌还表现为同时耐受多种抗菌药物，甚至产生药物依赖性。含链霉素培养基痢疾杆菌依链株(耐药菌株)长期(chngq)培养第十四页，共八十八页。l减少耐药菌株的产生(chnshng):l1）避免盲目使用抗菌药物。l2）用药前应尽量做药敏试验，并根据结果选择用药。第十五页，共八十八页。l四、抗原性变异l肠道杆菌细胞壁表面的多糖重复单位，为该菌的抗原，具有属的特异性；l鞭毛的主要成分为蛋白质，为该菌抗原，具有种的特异性，在该菌的血清学鉴定方面很重要(zhngyo)。l由于或抗原的变异，如抗原可由相变为相，或由相变为相，其种的特异性就发生相应改变。第十六页，共八十八页。l五、菌落变异l菌落有两种：l光滑型（S）：表面(biomin)光滑、湿润、边缘整齐。l粗糙型（R）：表面粗糙、干皱、边缘不整。lS-R变异：菌落从光滑型变为粗糙型的变异。多见于肠道杆菌。l一般S型菌的致病性强，少数细菌如结核杆菌、炭疽杆菌R型菌的致病性强。第十七页，共八十八页。菌落(jnlu)变异（S-R变异）l在陈旧培养基中长期培养光滑(S)型菌落(jnlu)粗糙(R)型菌落或在有免疫力的人体内l一般，S型菌落致病力强。第十八页，共八十八页。第十九页，共八十八页。第二节细菌(xjn)遗传变异的物质基础l细菌细菌(xjn)的遗传物质包括：的遗传物质包括：染色体l染色体外遗传物质：质质粒粒转位因子转位因子噬菌体等噬菌体等第二十页，共八十八页。一、细菌(xjn)的染色体l细菌细菌(xjn)染色体：染色体：环状双螺旋DNA，缺乏组蛋白,无核膜包围。l大肠埃希菌整个染色体约含5000多个(du)基因。第二十一页，共八十八页。二、质粒（plasmid）l概念：概念：细菌染色体外的遗传物质，是环状闭合的双链细菌染色体外的遗传物质，是环状闭合的双链DNADNA，编码生物学性状编码生物学性状(xngzhung)，能自行复制，位于胞浆。，能自行复制，位于胞浆。l质粒的特征质粒的特征自我复制能力，为复制子自我复制能力，为复制子决定细菌某些性状决定细菌某些性状可自行丢失与消除（可自行丢失与消除（非细菌生命活动必需）可转移性：通过结合可转移性：通过结合(jih)、转化、转导、转化、转导可分为相容性和不相容性可分为相容性和不相容性第二十二页，共八十八页。l有两种：l大质粒：含几百个基因。l小质粒：含20-30个基因。l质粒基因可编码产生(chnshng)很多重要的生物学性状。第二十三页，共八十八页。（二）医学(yxu)上重要的质粒1 1、F F质粒（致育质粒）质粒（致育质粒）编码性菌毛，介导细菌间的结合能力编码性菌毛，介导细菌间的结合能力(nngl)(nngl)2 2、耐药性质粒：、耐药性质粒：编码细菌对抗菌药物或重金属盐类的耐药性。编码细菌对抗菌药物或重金属盐类的耐药性。包括：结合性（包括：结合性（R R质粒）和非结合性耐药质粒质粒）和非结合性耐药质粒带有R质粒的细菌有大肠埃希菌、沙门菌、志贺菌、铜绿假单胞菌等革兰阴性菌。第二十四页，共八十八页。3 3、毒力质粒（、毒力质粒（ViVi质粒）：质粒）：编码与致病有关的毒力因子，如：编码与致病有关的毒力因子，如：STST质粒质粒l如破伤风梭菌痉挛毒素、炭疽毒素等均由相应的毒力质粒编码产生。4 4、细菌、细菌(xjn)(xjn)素质粒：编码细菌素质粒：编码细菌(xjn)(xjn)素，如大肠菌素质粒素，如大肠菌素质粒ColCol质粒质粒细菌素对同品系或近缘细菌具有抑制作用。第二十五页，共八十八页。三、转位(zhunwi)因子（transposable element，Te）：l概念：概念：存在于细菌染色体或质粒存在于细菌染色体或质粒DNA分子上的一段分子上的一段特异性核苷酸序列片段，能在特异性核苷酸序列片段，能在DNA分子中分子中移动移动，不，不断断(bdun)改变它们在基因组的位置。改变它们在基因组的位置。l从基因组一个位置转移到另一个位置从基因组一个位置转移到另一个位置-即转位。即转位。转位转位(zhun wi)因子因子第二十六页，共八十八页。转位(zhun wi)因子分为3类插入序列插入序列（IS）：最小的最小的Te，仅含与转位相关的基因，两端，仅含与转位相关的基因，两端(lindun)为反向重复序为反向重复序列。列。转座子（转座子（Tn）：）：含转位相关基因及耐药性基因、含转位相关基因及耐药性基因、抗金属基因、毒素基因等其他结抗金属基因、毒素基因等其他结构基因。构基因。-Tn可引起插入失活，也可带入耐药基因，导致耐药性的播可引起插入失活，也可带入耐药基因，导致耐药性的播散。散。（3）转座噬菌体：）转座噬菌体：IS IS Resistance Gene(s)IS IS Resistance Gene(s)第二十七页，共八十八页。l1、插入序列：不携带任何已知信息，往往在插入后与插入点附近的序列共同起作用。l2、转座子：除携带与转位有关的基因外，还携带耐药性基因、毒力基因及其他结构基因等。l转座子携带的耐药性基因在细菌的染色体和质粒之间或质粒和质粒之间转移，导致耐药性基因的播散是自然界中细菌耐药性产生的重要原因(yunyn)之一。l3、转座噬菌体：是具有转座功能的溶原性噬菌体。l当前噬菌体整合到细菌染色体上，便能改变溶原性细菌的某些生物学性状。l当前噬菌体从细菌染色体上脱离时，可带走邻近的细菌DNA片段，因而在细菌遗传物质转移过程中还可起载体作用。第二十八页，共八十八页。l四、噬菌体l概念：能感染细菌、真菌、放线菌、螺旋体等微生物的病毒。l（一）生物学性状l分布：广泛，个体微小，需用电子显微镜观察，l基本形态：蝌蚪形、微球形、线形。蝌蚪形多。l化学组成：核酸和蛋白质。l特性：具有严格的宿主特异性。依此可对细菌鉴定与分型。l抵抗力：比一般细菌繁殖(fnzh)体强。一般在7030分钟仍不失去活性。在低温下能长期存活。第二十九页，共八十八页。第三十页，共八十八页。第三十一页，共八十八页。第三十二页，共八十八页。第三十三页，共八十八页。（二）噬菌体与宿主菌的相互(xingh)关系l噬菌体感染细菌有两种结果噬菌体感染细菌有两种结果裂解细菌，完成裂解细菌，完成(wnchng)溶菌周期溶菌周期毒性噬菌体毒性噬菌体细菌不裂解，建立一种溶原状态细菌不裂解，建立一种溶原状态温和噬菌体温和噬菌体第三十四页，共八十八页。l1、毒性噬菌体：能在敏感细菌中增殖并引起细菌裂解的噬菌体。l溶菌周期(zhuq)（复制周期(zhuq)）：吸附、穿入、生物合成、装配、成熟释放。l约需15-25分钟第三十五页，共八十八页。第三十六页，共八十八页。第三十七页，共八十八页。第三十八页，共八十八页。第三十九页，共八十八页。第四十页，共八十八页。第四十一页，共八十八页。l2、温和噬菌体：感染敏感细菌(xjn)后不增殖，不引起宿主菌裂解，而是噬菌体的基因整合于细菌染色体中的噬菌体。此过程称为溶原周期。l前噬菌体：整合在细菌染色体中的噬菌体的基因。l溶原性细菌：带有前噬菌体的细菌。第四十二页，共八十八页。l溶原性细菌的特征：l能正常分裂，并将前噬菌体传给子代；l前噬菌体可编码阻遏蛋白抑制后进入的毒性噬菌体进行生物合成；l整合(zhnh)的前噬菌体给细菌带来新的性状；l前噬菌体可偶尔自发地或某些理化和生物因素的诱导下，脱离宿主菌染色体进入溶菌周期，导致细菌裂解。第四十三页，共八十八页。第四十四页，共八十八页。第四十五页，共八十八页。第四十六页，共八十八页。第四十七页，共八十八页。第四十八页，共八十八页。第四十九页，共八十八页。第三节细菌(xjn)变异的发生机制l主要(zhyo)通过基因突变、l基因转移与重组第五十页，共八十八页。l一、基因突变l突变：概念：指细菌的遗传基因发生突然而稳定(wndng)的改变性状的遗传性变异。l类型：基因突变（点突变、小突变）：基因中一个或几个碱基对改变，极少数细菌发生少数性状变异。l染色体畸变（大突变）：指大段DNA发生改变，常导致细菌死亡。l细菌基因突变包括碱基转换、插入、缺失及转位因子的转位等。第五十一页，共八十八页。l突变率：自然突变率（10-6-10-9）极低，如果(rgu)用高温、紫外线、X射线等理化因素诱导细菌突变，可使突变率提高10-1000倍。第五十二页，共八十八页。l基因转移基因转移(zhuny)外源性外源性的遗传物质由供体菌转入某受体菌细胞内的遗传物质由供体菌转入某受体菌细胞内的过程称为基因转移。的过程称为基因转移。l重组重组转移的基因与受体菌转移的基因与受体菌DNA整合整合在一起称为重组，在一起称为重组，使受体菌获得供体菌的某些性状。使受体菌获得供体菌的某些性状。外源性遗传物质包括细菌染色体DNA片段、质粒DNA及噬菌体基因等。l基因转移和重组的方式：基因转移和重组的方式：转化、接合、转导、溶原性转换、原生质融合转化、接合、转导、溶原性转换、原生质融合第五十三页，共八十八页。（一）转化(zhunhu)l概念：概念：受体菌直接从周围环境中摄取供体菌裂受体菌直接从周围环境中摄取供体菌裂解解游离的游离的DNA片段片段，从而获得供体菌部分，从而获得供体菌部分遗传性状的过程。遗传性状的过程。l证实证实：转化现象在肺炎转化现象在肺炎(fiyn)链球菌、葡萄球菌链球菌、葡萄球菌和流感嗜血杆菌等中被证实。和流感嗜血杆菌等中被证实。第五十四页，共八十八页。l-无荚膜第五十五页，共八十八页。（二）接合(jih)l概念概念：是细菌通过是细菌通过性菌毛性菌毛相互连接沟通，供体菌将遗相互连接沟通，供体菌将遗传物质（主要是质粒传物质（主要是质粒DNA）转移给受体菌，使）转移给受体菌，使受体菌获得供体菌的遗传性状。受体菌获得供体菌的遗传性状。l接合接合(jih)性质粒性质粒：能通过接合方式转移的质粒能通过接合方式转移的质粒l包括：包括：F质粒质粒R质粒质粒Col质粒和毒力质粒。质粒和毒力质粒。第五十六页，共八十八页。l1、F质粒接合(jih)：第五十七页，共八十八页。第五十八页，共八十八页。2、R质粒接合(jih)lR质粒包括两部分质粒包括两部分耐药传递因子耐药传递因子(ynz)（,RTF）l功能功能：与：与F质粒质粒相似，编码性菌毛和接合转移相似，编码性菌毛和接合转移耐药决定子耐药决定子（r-dir）l功能功能：编码对抗菌药物的耐药性：编码对抗菌药物的耐药性第五十九页，共八十八页。RTFr决定决定(judng)子子ISTn9Tn4Tn5R质质粒粒结结构构图图第六十页，共八十八页。l这两部分(bfen)可以单独存在，也可以结合在一起成为复合物，但必须两部分(bfen)结合在一起时，才能将耐药性转移给其他细菌。l细菌携带的多重耐药性质粒也可通过性菌毛转移给其他细菌，从而导致细菌耐药性的扩散，这也是近年来耐药菌株日益增多的一个重要原因。第六十一页，共八十八页。l概念概念：以以温和噬菌体温和噬菌体为载体为载体，将，将供体菌供体菌的一段的一段DNA转移转移(zhuny)入入受体菌，使受体菌获得新的性状。受体菌，使受体菌获得新的性状。l根据转导基因片断范围，分为根据转导基因片断范围，分为：普遍性转导（普遍性转导（generalized transduction）局限性转导（局限性转导（restricted transduction）第六十二页，共八十八页。l概念：概念：通过噬菌体将供体菌通过噬菌体将供体菌任意任意DNA片段片段(pindun)转移至受体菌的转导现象。转移至受体菌的转导现象。第六十三页，共八十八页。l前噬菌体从溶原菌染色体上脱离进行增殖前噬菌体从溶原菌染色体上脱离进行增殖，噬菌体大量复，噬菌体大量复制其子代制其子代DNA，合成子代噬菌体结构蛋白，同时编码产生，合成子代噬菌体结构蛋白，同时编码产生核酸酶。核酸酶。l核酸酶对核酸酶对宿主宿主(szh)菌染色体进行切割菌染色体进行切割，产生许多大小不，产生许多大小不一的一的DNA片段。片段。l噬菌体组装时，发生错误噬菌体组装时，发生错误（105107），），误将细菌的误将细菌的DNA片段装入噬菌体的外壳蛋白，片段装入噬菌体的外壳蛋白，感染受体菌将供体菌感染受体菌将供体菌DNA带入。带入。l因为错误是随机的，被因为错误是随机的，被包装包装的的DNA可以是可以是供体菌染色体供体菌染色体上的上的任何部分任何部分，故称为普遍性转导。，故称为普遍性转导。第六十四页，共八十八页。第六十五页，共八十八页。第六十六页，共八十八页。携带供体菌基因携带供体菌基因(jyn)的噬菌体感染受体菌时，将的噬菌体感染受体菌时，将供体菌基因供体菌基因(jyn)注入受体菌，注入受体菌，结果分为结果分为：l完全转导完全转导（complete transduction）进入的进入的DNA片段与受体菌的染色体片段与受体菌的染色体整合重组整合重组，并随染色体，并随染色体而传代，称完全转导而传代，称完全转导l流产转导流产转导（abortive transduction）进入的进入的DNA片段游离在胞质中片段游离在胞质中,既既不能不能与受体菌染色体与受体菌染色体整合整合，也也不能自身复制不能自身复制，称为流产转导，称为流产转导第六十七页，共八十八页。第六十八页，共八十八页。l概念概念：前噬菌体从宿主菌染色体上脱落时发生：前噬菌体从宿主菌染色体上脱落时发生偏差，将偏差，将前噬菌体两侧的宿主染色体基因前噬菌体两侧的宿主染色体基因(jyn)转转移移给受体菌，使受体菌的遗传性状发生改变的给受体菌，使受体菌的遗传性状发生改变的过程。过程。l能进行局限性转导的多是温和噬菌体：如能进行局限性转导的多是温和噬菌体：如噬菌噬菌体进入大肠埃希菌体进入大肠埃希菌K12。第六十九页，共八十八页。l局限性转导：温和噬菌体在终止溶原状态脱离宿主菌时，发生(fshng)偏差脱离，连同相邻的一段细菌染色体基因包进噬菌体衣壳内，再感染其他菌时，将原宿主菌的基因转移给新宿主菌，使受体菌获得供体菌的某种遗传性状。由于这种转导只限于供体菌DNA上个别的特定基因，故称为局限性转导。第七十页，共八十八页。第七十一页，共八十八页。第七十二页，共八十八页。第七十三页，共八十八页。l概念概念：当噬菌体感染细菌时，当噬菌体感染细菌时，噬菌体作为供体，宿主噬菌体作为供体，宿主(szh)菌染色体中整合了噬菌体的菌染色体中整合了噬菌体的DNA片段，片段，并获并获得新的遗传性状称为溶原性转换。得新的遗传性状称为溶原性转换。第七十四页，共八十八页。l溶原性转换：某些温和噬菌体感染敏感菌后，其基因可整合于宿主菌染色体中，此状态下的细菌称为溶原性细菌。l溶原性转换：溶原性细菌因DNA结构改变而获得噬菌体赋予的新性状(xngzhung)。白喉棒状杆菌、A群链球菌、肉毒梭菌、产气荚膜梭菌、霍乱弧菌第七十五页，共八十八页。第七十六页，共八十八页。第四节细菌(xjn)的遗传变异在医学中的应用l一、在疾病诊断、治疗、预防(yfng)中的应用l（一）病原学诊断l由于细菌的变异可发生在形态、结构、染色性、免疫原性、生化特性、毒力等方面，因此在临床细菌学检查中，不仅要熟悉细菌的典型特性，还要了解细菌变异规律，这样才能做出正确的诊断。第七十七页，共八十八页。l（二）临床治疗l由于耐药菌株和多重耐药菌株的出现，给感染性疾病(jbng)的治疗造成很大困难。l为提高抗菌药物的疗效，防止耐药菌株扩散，治疗时应注意：l用药前做药敏实验，根据药敏结果选择敏感药物，减少盲目用药；l用药足量、全疗程；l对易产生耐药的菌株或需长期用药的慢性疾病，应合理配伍、联合用药，以减少细菌耐药突变的机会。第七十八页，共八十八页。l（三）传染病预防l筛选或诱导减毒变异株制备减毒活疫苗用于人工自动免疫(miny)，提高人群免疫(miny)力，预防传染性疾病发生的有效措施。第七十九页，共八十八页。l二、在检测致癌物质方面的应用l一般认为，基因突变是导致细胞恶性转化的重要原因。l可疑致癌物：凡能诱导细菌突变的物质(wzh)。l以细菌为实验对象，选用某营养缺陷型细菌作为实验菌，以可疑致癌化学物质作为诱变剂。把细菌接种在某种营养缺乏的培养基上，细菌通常不能生长；当营养缺陷菌能在特异营养培养基上生长时，表明细菌营养缺陷基因发生了突变。而作为诱变的化学物质则为可疑致癌物。第八十页，共八十八页。l三、在基因工程方面的应用l基因工程是根据细菌可以通过基因转移和重组获得的原理设计的。l基因工程的主要步骤是：从供体细胞的染色体上切取一段所需要的基因，如其DNA序列已知可人工合成；l将目的(md)基因结合在合适的载体上；l通过载体把目的基因转移到受体菌内，基因重组后，受体菌大量扩增后表达的目的基因产物即是所需要的物质。第八十一页，共八十八页。第八十二页，共八十八页。l作业：l一、概念：S-R变异噬菌体前噬菌体转化转导溶原性转换l二、填空l1、细菌遗传性变异的发生机制通过（）（）两种方式实现。l2、基因转移与重组的方式有（）（）（）（）四种。l3、噬菌体根据与宿主菌的相互(xingh)关系分为（）（）。第八十三页，共八十八页。l三、单选：l1.不产毒的白喉棒状杆菌，携带了-棒状杆菌噬菌体后便可产毒的现象称为（）A.转导B.转化C.接合D.溶原性转换l2.卡介苗是结核分枝杆菌的下列哪种变异所致(suzh)?（）A.耐药性变异B.形态结构变异C.菌落变异D.毒力变异l3受菌直接摄取供菌游离DNA而获得新性状的过程称为（）A.转化B.转导C.接合D.溶原性转换第八十四页，共八十八页。l4HO变异属于lA毒力变异B菌落变异C鞭毛变异D形态变异E耐药性变异l5卡介苗发生(fshng)lA耐药性变异B毒力变异C形态结构变异D抗原性变异E菌落变异l6噬菌体lA严格宿主特异性B可用细菌滤器除去C含DNA和RNA.lD抵抗力比细菌强E以上都对l7接合性质粒.lAF质粒BR质粒CCol质粒DVi质粒E以上均是第八十五页，共八十八页。Take easy,Class is over now!第八十六页，共八十八页。第八十七页，共八十八页。内容(nirng)总结第十三章 细菌的遗传与变异。如破伤风梭菌痉挛毒素、炭疽毒素等均由相应的毒力质粒编码产生。从基因组一个位置转移到另一个位置-即转位。1、插入序列：不携带任何已知信息，往往在插入后与插入点附近的序列共同起作用(zuyng)。温和噬菌体。接合性质粒：能通过接合方式转移的质粒。当营养缺陷菌能在特异营养培养基上生长时，表明细菌营养缺陷基因发生了突变。7接合性质粒.第八十八页，共八十八页。