细菌的遗传和变异-噬菌体

第 5章 细 菌 的 遗 传 和 变 异遗传（heredity）遗传使细菌的性状保持相对稳定，且代代相传，使其种属得以保存。变异（variation）在一定条件下，子代和亲代之间以及子代和子代之间的差异称为变异。 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）环境改变导致，基因结构未发生变异，可逆，不可遗传。 第 一 节 细 菌 的 基 因 与 基 因 组 学细菌遗传变异的物质基础DNA/RNA 一 细菌染色体细菌属于原核细胞型微生物, 细菌染色体是环状双螺旋DNA，不含组蛋白, 无核膜包围。基因, 是具有一定生物学功能的核苷酸序列，如编码结构蛋白、酶等功能。细菌基因的结构是连续的, 无内含子。细菌染色体DNA的复制：大肠埃希菌已证明是双向复制 蛋白质不是遗传物质？ 二 细菌的基因组结构特征 1. 遗传信息在基因组中排列的延续性 2. 功能相关的基因组成操纵子结构 3. 结构基因单拷贝及rRNA基因的多拷贝 4. 基因组的重复序列少而短三 细菌的基因组测序 4细菌的基因调控 1. 操纵子转录调控 2. 分解代谢物阻遏调控 3. 细菌的应激反应 4. 细菌的热休克应答（HSP70） 5. 信号传导和二元调节系统 6. 重叠基因 7. 反义RNA与小干扰RNA 五 质 粒 （ plasmid） 概念： 是存在于细菌染色体以外, 能进行自主复制的遗传因子， 是环状闭合的双链DNA; 对细菌的遗传性状有着重要的影响。 非必需的基因 质 粒 的 特 征 自我复制能力，为复制子，单拷贝或多拷贝 编码产物赋予细菌某些性状特征 可自行丢失与消除 转移性 可分为相容性和不相容性 致育因子（fertility factor，F因子）与有性生殖有关带有F质粒的为雄性菌，能长出性菌毛(F+)；无F质粒的为雌性菌，无性菌毛(F-) 几种重要的质粒 耐药性质粒（resistance plasmid，R质粒）编码细菌对抗菌药物或重金属盐类的耐药性。可通过细菌间接合进行传递的称接合性耐药质粒，又称R质粒不能通过接合传递的非接合性耐药质粒，但可通过噬菌体传递。 细菌素质粒编码各种细菌产生的细菌素。 Col质粒编码大肠埃希菌产生大肠菌素乳酸菌产生Nisin A抑制G菌 食品防腐 毒力质粒（virulence plasmid，Vi质粒）编码与该菌致病性有关的毒力因子。如致病性的大肠埃希菌产生的耐热性肠毒素是由 ST质粒编码的。细菌粘附定植在肠粘膜表面是由K质粒决定的。 代谢质粒（metabolic plasmid）编码产生相关的代谢酶。沙门菌发酵乳糖的能力通常是由质粒决定的根瘤菌的固氮基因fix位于质粒中 第 二 节 噬 菌 体 （ bacteriophage）噬菌体是感染细菌、真菌、放线菌或螺旋体等微生物的病毒。葡萄球菌和志贺菌中首先发现 病毒的特性：个体微小，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种类多分布极广 噬菌体的生物学性状化学组成蛋白质-衣壳核酸-遗传物质 形态个体小，需用电子显微镜观察蝌蚪形、微球形和丝形噬菌体的生物学性状 结构大多数噬菌体呈蝌蚪形，由头部和尾部两部分组成大肠埃希菌T4噬菌体，头部和尾部噬菌体的生物学性状大肠埃希菌T4噬菌体蝌蚪形噬菌体结构模式图 抗原性 噬菌体具有抗原性，能刺激机体产生抗体噬菌体的生物学性状抵抗力比一般细菌的繁殖体强 噬菌体的生物学性状噬菌体宿主菌形态核酸T1-T7、N4大肠埃希菌蝌蚪形dsDNA，线状P1志贺菌蝌蚪形dsDNA，线状P22沙门菌蝌蚪形dsDNA，线状SP01、SP82枯草芽胞杆菌蝌蚪形dsDNA，线状29解淀粉芽胞杆菌蝌蚪形dsDNA，线状PM2假单胞菌微球形，有包膜dsDNA，线状X174、S13、M12、G4大肠埃希菌微球形ssDNA，线状 f1、fd、M13大肠埃希菌丝形ssDNA，线状MS2、f2、fr、Q大肠埃希菌微球形ssRNA，线状6假单胞菌微球形，有包膜dsRNA，线状，分成3节段 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。 增殖过程 1）吸附只要细菌有特异性受体，不论死活噬菌体都能吸附，但噬菌体不能进入死亡的宿主菌。 2）穿入将头部DNA注入细菌体内，而蛋白衣壳留在菌细胞外。 生物合成大量复制子代噬菌体的基因核酸。成熟与释放蛋白质和核酸合成后，在细胞质内按一定程序装配成成熟的噬菌体。当子代达一定数目后，菌细胞突然裂解（或以出芽方式），释放出的噬菌体又能感染新的敏感细菌。 毒性噬菌体 在液体培养基中 噬菌现象可使浑浊菌液变为澄清在固体培养基中 噬斑（plaque）。 若将噬菌体按一定倍数稀释，通过噬斑计数，可测知一定体积内的噬斑形成单位数目，即噬菌体的数量。 噬斑 噬 斑 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(lysogenic phage)。 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）溶原状态十分稳定，能经历许多代可中断可“治愈” 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）溶原性 温和噬菌体可有三种存在状态游离的具有感染性的噬菌体颗粒宿主菌胞质内类似质粒形式的噬菌体核酸前噬菌体溶原性溶原性转换（lysogenic conversion）某些前噬菌体可导致细菌基因型和性状发生改变，这称为溶原性转换 。 噬菌体的应用细菌的鉴定分子生物学研究的重要工具细菌感染的诊断与治疗 第三节 细菌的基因突变一、基因的突变的机制 基因突变（gene mutation）基因的转移与重组（gene transfer and recombination） 基因突变什么是突变 细菌遗传物质的结构发生突然而稳定的改变，导致细菌性状的遗传性变异。突变的类型 点突变：一个或几个碱基的改变 染色体畸变：大片段DNA的改变 基因突变的规律 1、突变率 2、自发性 3、回复性 4、诱变性 1、自发突变 彷徨试验 1、自发突变影印培养试验 凡能诱导细菌发生突变的物质都有可能是致癌物质Ames试验伤寒沙门菌（his-）（his+）2、诱发突变在测定致癌物质中的应用 三、常见的突变类型形态结构的变异营养缺陷体突变耐药性变异毒力变异条件致死突变 3-6%食盐鼠疫杆菌多形态性(衰残型)。 琼脂培基1. 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)霍 乱 弧 菌 L型正 常 霍 乱 弧 菌 特殊结构的变异 42-43炭疽杆菌失去形成芽胞能力, 毒性 10-20天 降低 变形杆菌（H） 1%石炭酸 （O） 迁徙生长 单个菌落鞭毛变异 菌落变异 在陈旧培养基中长期培养光滑型菌落 粗糙型菌落 （S） 或在有免疫力的人体内 （R） 原因是失去LPS的特异性多糖重复单位 3. 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。 含链霉素培基痢疾杆菌依链株(耐药菌株) 长期培养2. 营养缺陷体突变 4. 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)5. 条件致死突变 第 四 节 细 菌 的 基 因 转 移 和 重 组基因转移（gene transfer） 外源性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.重组（recombination） 转移的基因与受体菌DNA整合在一起称为重组，使受体菌获得供体菌某些特性. 细菌的基因转移和重组可通过转化、接合、转导、溶原性转换和细胞融合等方式进行. 1、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）F质粒的接合F+F高频重组菌（high frequency recombination, Hfr）F F+ 、 Hfr、 F都为雄菌 接合（F+F）F+ F- F+ F-F + F+F+ F+ 接合 高频重组菌（Hfr）F+ F + Hfr 接合 高频重组菌（Hfr）Hfr F- Hfr F- Hfr F-Hfr F- 接合 （性导，F） F FF FF F F- F F- （2）R质粒耐药转移因子（resistance transfer factor,RTF）耐药（r）决定子Tn 9Tn 21 Tn 10 Tn 8 RTFR determinant R质粒的接合 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 2、转化（transformation）转化是供体菌裂解游离的DNA片段被受体菌直接摄取，使受体菌获得新的性状。转化因子（transforming principle ） 在转化过程中，转化的DNA片段称为转化因子 ， 分子量小于107，最多不超过1020个基因。 感受态（competence）受体菌只有处于感受态时，才能摄取转化因子。细菌处于感受态是因为其表面有一种吸附DNA的受体.转化条件(1)只是在特定区域形成临时性通道 受体部位。数目有限。 (2)还必须有酶，或蛋白质分子以及能量等的协同作用 转化模式图 转化实验 3、转导（transduction）是以溶原性噬菌体为载体，将供体菌的一段DNA 转移到受体菌内，使受体菌获得新的性状。 转导 普遍性转导（generalized transduction）误将细菌的DNA片段装入噬菌体的头部，被包装的DNA可以是供体菌染色体上的任何部分 1、完全转导 2、流产转导 局限性转导（restricted transduction）局限性转导或特异性转导， 所转导的只限于供体菌染色体上特定的基因。如噬菌体进入大肠埃希菌。gal biogal biogal biogal biobiogal 局限转导 普遍性转导与局限性转导的区别区别要点普遍性转导局限性转导基因转导发生的时期裂解期溶原期转导的遗传物质供体菌染色体DNA任何部位或质粒噬菌体DNA及供体菌DNA的特定部位转导的后果完全转导或流产转导受体菌获得供体菌DNA特定部位的遗传特性转导频率受体菌的10-7转导频率较普遍转导增加1000倍(10 -4) 四 基因转座转座元件:是存在于细菌染色体或质粒DNA分子上的一段特异性核苷酸序列片段，它能在DNA分子中移动，不断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类型：插入序列（insertion sequence，IS） 转座子（transposon，Tn） 四 基因转座插入序列(insertion sequence, IS)转座子（transposon, Tn）IS ISResistance Gene(s)IS ISResistance Gene(s) 转座子的特征转座子携带耐药或毒素基因Tn1 Tn2 Tn3 AP（氨苄青霉素）Tn4 AP、SM（链霉素）、Su（磺胺）Tn5 Km（卡那霉素）Tn6 KmTn7 TMP（甲氧苄氨嘧啶）、SMTn9 Cm（氯霉素）Tn10 Tc（四环素）tn551 Em（红霉素）Tn971 Em Tn1681大肠埃希菌（肠毒素基因）