第5章-细菌的遗传与变异.ppt

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,遗传变异,请利用你所学的消毒灭菌知识，做一份手术相关环节的消毒灭菌方案。,生命的中枢,遗传和变异,遗传：,生命有机体在生殖过程中表现出来的子代与亲代之间的相似性。遗传使物种能保持相对稳定。,变异：,同种个体之间的差异性。变异增加了生物对环境的适应性和物种的多样性，为生物进化提供了选择的材料。,第,5,章,细菌的遗传与变异,学习内容,常见的细菌变异现象,细菌遗传变异的物质基础,细菌遗传性变异的机制,细菌遗传变异的应用,学习要求,【,掌握,】,细菌的基因转移与重组；,【,熟悉,】,细菌常见的变异现象，以及与细菌遗传变异有关的物质基础；,【,了解,】,其它内容；,概 述,遗传（,heredity,）,亲子代间生物学性状的相似性称为遗传。,变异（,variation）,亲子代间以及子代之间生物学性状的差异性称为变异。,遗传性变异（基因型变异）,：细菌的,基因结构,发生了改变，如基因突变或重组，不可逆，可遗传给后代。,非遗传性变异（表型变异）,：,环境因素改变,所致，基因结构未发生变异，可逆，不可遗传。,一、概念,形态结构变异,青霉素、溶菌酶正常形态细菌,L,型变异,抗体或补体,(,部分或完全失去胞壁,),正常葡萄球菌,葡萄球菌,L,型,形态结构变异,特殊结构的变异（芽胞、鞭毛从有无）,42-43,（,1炭疽杆菌,失去形成芽胞能力,毒性,10-20,天,降低,（,2,）变形杆菌,1%,石炭酸,单个菌落（鞭毛）,迁徙生长,鞭毛变异,（,H,菌落）,（,O,菌落）,1,、毒力变异（有利有弊）,棒状杆菌噬菌体,白喉棒状杆菌,获得白喉毒素,(,无毒,)(,有毒,),（二）生理特性变异,胆汁、甘油、马铃薯培养基,牛型结核杆菌,卡介苗,（强毒）,13,年,(230,代,),（弱毒）,卡介苗是由法国巴斯德研究所的卡默特和介林（,Calmette&Guerin,）两人首创的。卡介二氏于,1908,年对一株从乳牛脓液分离的毒力很强的牛型结核菌进行了研究，将有毒力的结核杆菌在含有胆汁的甘油马铃薯培养基上连续传代，经,13,年,230,代获得了减毒但保持免疫原性的菌株，为纪念卡默特与介林的功绩，称此菌苗为卡介苗，简称,BCG,。用于人工接种以预防结核病。,2,、耐药性变异（变本加厉）,概念：,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。,现状：,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,90%,以上。,敏感,-,单一耐药,-,多重耐药性,-,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,值得我们深思的问题：,如何防止细菌的耐药性变异？,（,1,）合理使用抗生素，用药要足量，疗程要合适，维持体内药物的抑菌浓度。,（,2,）严格执行消毒隔离制度，防止耐药菌的交叉感染。,（,3,）做好药物敏感试验，提供细菌对药物的敏感程度，供临床用药时参考。,（,4,）加强药政管理，抗菌药物凭处方供应。,（,5,）实行抗菌药物“轮休”制,（,6,）研制新的抗菌药物。,（一）细菌染色体,DNA,第一节 细菌遗传变异的物质基础,细菌遗传变异的物质基础是,DNA,，即细菌的基因组。包括,:,（二）细菌染色体外,DNA,1.,质粒,2.,前噬菌体,3.,转位因子,（一）细菌染色体,细菌属于原核细胞型微生物,细菌染色体主要是,环状双螺旋,DNA,，不含组蛋白,无核膜包围。,细菌基因组,是具有一定生物学功能的核苷酸序列，,可,编码,多种的,结构蛋白,和,酶,类；其基因结构是连续编码的、无内含子。,研究发现核区实际上是一个巨大的环状双链,DNA,分子，例如,E.coli,的,DNA,双链长达,1.11.4mm,，是菌体长度的,1000,倍。在菌体内高度盘旋缠绕成丝团状。结构除环状外，还有线状或环状线状模共存于一个细细胞中。,细菌染色体,DNA,的复制：已证明大肠埃希菌的,DNA,是双向复制。,第一节 细菌遗传变异的物质基础,细菌染色体,DNA,（二）质 粒,质粒是细菌染色体外、不依赖于染色体而自我复制的遗传物质，是环状闭合的双链,DNA。,几种重要的质粒,致育质粒（,F,质粒）：,编码性菌毛的合成,耐药质粒（,R,质粒）：,编码细菌对抗菌药物和重金,属盐类的耐药性。,毒力质粒（,Vi,质粒）：,编码与该菌致病性有关的毒,力因子。,细菌素质粒（,Col,质粒）：,编码各种细菌素。,代谢质粒：,编码与代谢相关的各种酶类。,质粒的特征,（,1,）是染色质外的双链共价闭合环形,DNA,（,2,）能自主复制，是能独立复制的复制子,（,3,）编码产物赋予细菌某些性状特征，但大部分并非细菌生命活动所必需；可自行丢失与消除；有转移性；,质粒的分类,按其与宿主细胞的关系分：可分为相容性和不相容性,复制的调控及其拷贝数分：紧密型质粒和松弛型质粒；,（三）前噬菌体,1.,噬菌体概念：,噬菌体是感染细菌、真菌、放线菌或螺旋体等微生物的病毒，在葡萄球菌和志贺菌中首先发现有些噬菌体感染细菌细胞后整合到细菌的基因组中，成为细菌基因组的一部分，称为前噬菌体。,2.,噬菌体的特性：,个体微小，需用电镜观察，可以通过细菌滤器；,没有完整的细胞结构，由蛋白质和核酸组成；,专性细胞内寄生的微生物。,蝌蚪形噬菌体结构模式图,由核酸和蛋白质组成。,核酸(,DNARNA),核心部分,蛋白质外壳部分,化学组成和结构,3、噬菌体的种类,根据噬菌体与宿主菌的关系，将噬菌体分为：,毒性噬菌体(,virulent phage),能在宿主菌细胞内复制增殖,产生许多子代噬菌体，并最终裂解细菌，称为毒性噬菌体。,温和噬菌体(,temperate phage),噬菌体基因与宿主菌染色体整合，不产生子代噬菌体，但噬菌体,DNA,能随细菌,DNA,复制，并随细菌的分裂而传代，称为温和噬菌体或溶原性噬菌体。,毒性噬菌体和其溶菌周期,吸附,穿入,生物合成,装配与成熟,释放,固体培养基上形成噬斑,液体培养基中混浊菌液变沌清,温和噬菌体,前噬菌体,整合在细菌基因组中的噬菌体基因组称为前噬菌体（,prophage）,溶原性细菌,带有前噬菌体基因组的细菌称为溶原性细菌（,lysogenic bacterium）,温和噬菌体,溶原性转换（,lysogenic conversion）,当细菌处于溶原期，某些前噬菌体携带的外源性基因会在细菌内表达，从而改变细菌的某些生物学性状，称为溶原性转换。,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）。,温和噬菌体的溶原性：,前噬菌体偶尔可自发或在某些理化和生物因素的诱导下脱离宿主菌基因组而进入溶菌周期，产生成熟噬菌体，导致细菌裂解。温和噬菌体的这种产生成熟噬菌体颗粒和溶解宿主菌的潜在能力称为溶原性（,lysogeny）。,温和噬菌体感染细菌后有二种生活周期：,溶源性周期,:,随宿主菌,DNA,复制传递给子代菌；,溶菌性周期,:,在宿主菌内生物合成，裂解宿主菌，产生子代噬菌体。,温和噬菌体,温和噬菌体二种周期,（四）转位因子（转座子）,概念：,是存在于,细菌染色体,或,质粒,DNA,分子,上的一段,可移动,的特异性核苷酸序列，能不断地改变它们在基因组的位置，能从一个基因组转移到另一个基因组中。,种类：,插入序列（,IS,）：,最简单或序列较短的转座子，长度不超过2,kbp，,仅携带转座基因。,转座子（,Tn）：,长度超过2,kbp，,有转座基因，还有其它特殊功能的基因，如耐药性基因。,转座噬菌体：,属温和噬菌体，含有与转位功能有关的基因和反向重复序列，如大肠埃希菌,Mu,噬菌体。,插入序列：,是最小的转位因子，长度不超过,2,kb,，,不携带任何已知与插入功能无关的基因区域，,往往是插入后与插入点附近的序列共同起作用，可能是原细胞正常代谢的调节开关之一。,Transposase,ABCDEFG,GFEDCBA,转座子：,长度一般超过,2,kb,，,除携带与转位有关的基因外，还携带耐药性基因、抗重金属基因、毒素基因及其他结构基因,等。因此当,Tn,插入某一基因时，一方面可引起插入基因失活产生基因突变，另一方面可因带入耐药性基因而使细菌获得耐药性。转座子可能与细菌的多重耐药性有关。,IS,IS,Resistance Gene(s),IS,IS,Resistance Gene(s),第二节 细菌遗传性变异的机制,一、基因的突变与损伤后修复,突变,DNA,的损伤修复,二、基因的转移与重组,转化,接合,转导,溶源性转换,一、基因突变与损伤后的修复,（一）基因突变（,point mutation,）,转换（,transition,）,颠换（,transversion,）,移码突变（,transhift mutation）,其特点有自发性与不对应性、稀有性、可诱发性、独立性、稳定性和可逆性等特点。,（二）损伤后的修复：,细菌,DNA,受到损伤时，细菌会启用,DNA,修复系统对损伤进行细致的修复，以使损伤降为最小，但,损伤修复本身也会出现错误,。,二、基因的转移和重组,基因转移概念：,外源性的遗传物质由供体菌转入某受体菌细胞的过程称为基因转移（,gene transfer,）。,重组概念：,转移的基因与受体菌,DNA,整合在一起称为重组（,recombination,），使受体菌获得供体菌的某些性状。,基因转移和重组的方式：,可通过转化、接合、转导、溶原性转换和细胞融合等方式进行。,（一）转化（,transformation,）,转化,是供体菌裂解后，游离的,DNA,片段被受体菌直接摄取，并整合到受体菌的基因组中，使受体菌获得新的性状。,转化现象在肺炎链球菌、葡萄球菌和流感嗜血杆菌等中被证实。,1928年,Griffith,等设计的肺炎双球菌的转化试验。,S,型细菌，菌体有荚膜，有毒性,菌落光滑。,R,型细菌，菌体无荚膜，无毒性,菌落粗糙。,1928,年,Griffith,的转化试验,转化因子,在转化过程中，转化的,DNA,片段称为转化因子，分子量小于10,7,，最多不超过1020个基因。,感受态,受体菌,能从周围环境吸收外源性,DNA,进行转化的生理状态。可自发产生，也可人工诱导。,（二）接合（conjugation）,接合,是细菌通过,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。,接合性质粒：,能通过接合方式转移的质粒称为接合性质粒，,F,质粒、,R,质粒、,Col,质粒和毒力质粒。,1.,质粒的接合(,F,+,X F,-,F,+,）,F,+,F,-,F,+,F,-,F,+,F,+,F,+,F,+,Donor,Recipient,oriT,2.R,质粒的接合,R,质粒发现,1959,年首先由日本学者分离到抗多种药物的宋内志贺菌多重耐药株，多重耐药性很难用基因突变解释。,健康人中大肠埃希菌,30%50%,有,R,质粒，而致病性大肠埃希菌,90%,有,R,质粒。,R,质粒与耐药性有关，尤其与多重耐药性有关。,耐药质粒从一个细菌转移到另一个细菌中。,耐药传递因子（,RTF,）：,与,F,质粒相似，编码性菌毛的产生和通过接合转移,耐药（,r,）决定子：,r-dir,能编码对抗菌药物的耐药性，可由几个转座子（,Tn,）连接相邻排列，如,Tn9,带有氯霉素耐药基因，,Tn4,带有氨苄青霉素、磺胺、链霉素的耐药基因，,Tn5,带有卡那霉素的耐药基因。,r,决定子在与,RTF,结合的状态下,才能传递给受体菌。,R,质粒的组成,R,质粒决定耐药的机制,使细菌产生灭活抗生素的酶类；,R,质粒控制细菌改变药物作用的靶部位；,R,质粒可控制细菌细胞对药物的通透性。,Tn 9,Tn 21,Tn 10,Tn 8,RTF,R determinant,（三）转导（,transduction,）,转导,是以,噬菌体,为载体，将供体菌的一段,DNA,转移到受体菌内，使受体菌获得供体菌的某些性状。,普遍性转导（,generalized transduction,）,局限性转导（,restricted transduction,）,（1）普遍性转导,普遍性转导：,是,毒性噬菌体,在复制过程中，或者,前噬菌体,在脱离溶原菌染色体进入裂解期的后期，噬菌体的,DNA,已大量复制，,装配时可能会发生装配错误,，误将细菌的,DNA,片段装入噬菌体的头部，成为一个转导噬菌体。转导噬菌体能以正常方式感染另一宿主菌，并将其头部的染色体注入受体菌内。,被包装的,DNA,可以是供体菌染色体上的任何部分,。,普遍性转导,普遍性转导的结果,完全转导,外源性,DNA,片段与受体菌的染色体整合，并随染色体而传代，称完全转导,流产转导,外源性,DNA,片段游离在胞质中,既不能与受体菌染色体整合，也不能自身复制，只能进行转录、翻译，表达相应的生物学性状，称为流产转导,（2）局限性转导,局限性转导或特异性转导，是通过,温和噬菌体,将供体菌,某些特定的基因转移给受体菌。如,噬菌体进入大肠埃希菌,K12,。,（四）溶原性转换,溶原性转换是当温和噬菌体感染细菌时，宿主菌染色体中获得了噬菌体的,DNA,片段，使其成为溶原状态时而致细菌获得新的性状。,白喉棒状杆菌,基因转移与重组的方式,基因来源,转移方式,转化,供体菌,直接摄取,接合,供体菌,性菌毛,转导,供体菌,噬菌体为载体,溶源性转换,噬菌体,整合,基因转移与重组,4,种方式的主要区别,第三节 微生物遗传变异的应用,在细菌分类学上的应用,在疾病的诊断、治疗与预防中的应用,病原性诊断,特异性防治,微生物基因组研究,在测定致癌物质中的应用,在流行病学中的应用,在基因工程中的应用,在疾病的诊断、治疗与预防中的应用,诊断方面：,形态、结构、染色性、生化特性、抗原性及毒力等方面的变异，使得诊断复杂化；,治疗方面：,耐药菌株日益增多，预防耐药性；,药敏实验,早期足量,要有一定疗程,联合用药,不要滥用抗生素,预防方面：,减毒菌株和无毒株可制备成疫苗。,小 结,1.,细菌变异的物质基础。,2.,解释细菌毒力变异、耐药性变异的概念并举例说明。,3.,细菌遗传性变异的机制有哪些？解释转化、接合、转导、溶源性转换的概念。,