细菌的遗传与变异课件

第三章第三章 细菌遗传与变异细菌遗传与变异遗传遗传(heredity)(heredity)变异变异(variation)(variation)基因型变异（遗传性变异）基因型变异（遗传性变异）表型变异（非遗传性变异）表型变异（非遗传性变异）l与细菌遗传相关的物质l细菌的变异现象l细菌变异的机理l细菌遗传变异在医学上的应用 与细菌遗传相关的物质与细菌遗传相关的物质细菌的染色体细菌的染色体(chromosome)(chromosome)质粒质粒(plasmid)(plasmid)转座子转座子遗传变异的遗传变异的物质基础物质基础噬菌体噬菌体（一）细菌的染色体（一）细菌的染色体(chromosome)(chromosome)细菌的染色体是单一的环状双螺旋细菌的染色体是单一的环状双螺旋DNADNA长链，上有许长链，上有许多编码细菌生物学性状的基因，是细菌的主要遗传物质。多编码细菌生物学性状的基因，是细菌的主要遗传物质。细菌的染色体细菌的染色体l细菌染色体细菌染色体(Bacterial chromosome)：一条环状一条环状双螺旋双螺旋DNA长链，按一定构型反复回旋成松散长链，按一定构型反复回旋成松散网状结构，附着在横隔中介体或细胞膜上网状结构，附着在横隔中介体或细胞膜上 l其遗传物质特点：无组蛋白；无核膜包被其遗传物质特点：无组蛋白；无核膜包被l染色体特征染色体特征(Chromosome characteristics)：（1）相对较小，只有一个复制起点）相对较小，只有一个复制起点 （2）组成操纵子结构（）组成操纵子结构（3）无内含子）无内含子 （4）大部分）大部分DNA是编码蛋白质是编码蛋白质l（5）大多编码顺序大多编码顺序则不重叠则不重叠l（6）结构基因是）结构基因是单拷贝单拷贝，rRNA是多拷贝是多拷贝l（7）具有）具有各种功能的识别区域各种功能的识别区域l功能（功能（function)：细菌的主要遗传物质细菌的主要遗传物质 决定细菌的基因型决定细菌的基因型 为细菌生命活动所必需为细菌生命活动所必需 毒力岛：毒力岛：指病原菌的某个或某些毒力基因群，指病原菌的某个或某些毒力基因群，分子结构与功能有别于细菌染色体，但位于细菌分子结构与功能有别于细菌染色体，但位于细菌染色体之内染色体之内。毒力岛（毒力岛（pathogenicity island,PAI）（二）质粒（二）质粒(plasmid)(plasmid)：是细菌染是细菌染色体之外的遗传物质，为环状闭合的双链色体之外的遗传物质，为环状闭合的双链DNADNA。大质粒：含几百个基因大质粒：含几百个基因小质粒：含小质粒：含20-30个基因个基因质粒质粒DNADNA的特征：的特征：1 1、有自我复制能力、有自我复制能力 2 2、编码细菌的一些特殊的性状、编码细菌的一些特殊的性状 3 3、可自行丢失与消除，非生命活动所必需、可自行丢失与消除，非生命活动所必需 4 4、可通过接合、转化或转导等方式在细菌间转移、可通过接合、转化或转导等方式在细菌间转移 5 5、分相容性与不相容性两种、分相容性与不相容性两种质粒质粒F F质粒质粒R质粒质粒ViVi质粒质粒细菌素质粒细菌素质粒代谢质粒代谢质粒质粒基因可编码很多重要的生物学性状：质粒基因可编码很多重要的生物学性状：1 1、致育质粒（、致育质粒（fertility plasmid,Ffertility plasmid,F质粒）：质粒）：2 2、耐药质粒（、耐药质粒（resistance plasmid,Rresistance plasmid,R质粒）：质粒）：3 3、毒力质粒（、毒力质粒（virulence plasmid,Vivirulence plasmid,Vi质粒）质粒）4 4、细菌素质粒：、细菌素质粒：5 5、代谢质粒：、代谢质粒：R质粒质粒耐青霉素耐磺胺药耐链霉素（三）转座子：（三）转座子：是存在细菌的染色体或质粒是存在细菌的染色体或质粒DNADNA分子上的一段特异性分子上的一段特异性核苷酸序列片段，它能在核苷酸序列片段，它能在DNADNA分子中移动，不断改变它们分子中移动，不断改变它们的基因组位置，从一个基因组转移到另一个基因组中。的基因组位置，从一个基因组转移到另一个基因组中。转位因子转位因子（1 1）插入序列插入序列（insertion sequence,ISinsertion sequence,IS）：）：最小的转位因子，不携带任何与插入功能最小的转位因子，不携带任何与插入功能无关的基因区域，往往插入后与插入点附近的无关的基因区域，往往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序列共同起作用，可能是原细胞正常代谢的调节开关之一。节开关之一。（2 2）复合复合转座子转座子（transposon,Tntransposon,Tn）：较长，除携）：较长，除携带与转位有关的基因外，还携带一些编码特殊性状的结带与转位有关的基因外，还携带一些编码特殊性状的结构基因，所以当其插入某一基因时，一方面可引起基因构基因，所以当其插入某一基因时，一方面可引起基因失活产生基因突变，且可因带入一些编码特殊性状的基失活产生基因突变，且可因带入一些编码特殊性状的基因而获得新的性状。可能与多重耐药性的产生有关。因而获得新的性状。可能与多重耐药性的产生有关。ISIS中心序列中心序列（携带一些编码特殊性状的结构基因携带一些编码特殊性状的结构基因）常见的插入序列和转座子常见的插入序列和转座子IS bp Tn IS bp Tn 耐药或毒素基因耐药或毒素基因耐药或毒素基因耐药或毒素基因 IS1 768 Tn1 IS1 768 Tn1 APAP（氨苄青霉素氨苄青霉素氨苄青霉素氨苄青霉素）IS2 1327 Tn6 IS2 1327 Tn6 KanKan（卡那霉素卡那霉素卡那霉素卡那霉素）IS3 1300 Tn10 IS3 1300 Tn10 TetTet（四环素四环素四环素四环素）IS4 1426 Tn551 IS4 1426 Tn551 EmEm（红霉素红霉素红霉素红霉素）IS5 1195 Tn681 IS5 1195 Tn681 E.coli ETE.coli ET（肠毒素肠毒素肠毒素肠毒素）（四）噬菌体（四）噬菌体前噬菌体前噬菌体噬菌体噬菌体 噬菌体噬菌体(bacteriophage,phage):是感染细菌、真菌、放线菌或螺旋体等微生物的是感染细菌、真菌、放线菌或螺旋体等微生物的病毒病毒.噬菌体噬菌体细菌细胞细菌细胞噬菌体的基本特性噬菌体的基本特性 噬菌体的特点：噬菌体的特点：1 1、个体微小、可以通过滤器；、个体微小、可以通过滤器；2 2、没有完整的细胞结构，主要由蛋、没有完整的细胞结构，主要由蛋白质构成的衣壳和包含于其中的核酸组白质构成的衣壳和包含于其中的核酸组成；成；3 3、只能在活的微生物细胞内复制增、只能在活的微生物细胞内复制增殖，是一种专性细胞内寄生的微生物。殖，是一种专性细胞内寄生的微生物。噬菌体的生物学性状噬菌体的生物学性状 形态与结构：形态与结构：噬菌体有三种形态：蝌蚪形、微球形和丝形，噬菌体有三种形态：蝌蚪形、微球形和丝形，但但多数为蝌蚪形多数为蝌蚪形。蝌蚪形噬菌体的蝌蚪形噬菌体的结构：结构：头部头部：呈多边形，：呈多边形，内含遗传物质核酸。内含遗传物质核酸。尾部尾部：为一管状结：为一管状结构，由尾领、尾髓、构，由尾领、尾髓、尾鞘、尾板、尾刺、尾鞘、尾板、尾刺、尾丝尾丝头头 部部尾领尾领尾髓尾髓尾鞘尾鞘尾板尾板尾丝尾丝尾刺尾刺化学组成化学组成头头部部蛋白质蛋白质外壳外壳核酸核酸DNA：DNA噬菌体噬菌体RNA：RNA噬菌体噬菌体尾尾 部部蛋白质蛋白质抗原性：抗原性：噬菌体有抗原性，能刺激机体产生特异性抗噬菌体有抗原性，能刺激机体产生特异性抗体，该抗体可抑制相应噬菌体侵袭敏感细菌。体，该抗体可抑制相应噬菌体侵袭敏感细菌。抵抗力抵抗力 抵抗力比一般细菌繁殖体强。抵抗力比一般细菌繁殖体强。噬菌体类型噬菌体类型噬菌体噬菌体毒性噬菌体毒性噬菌体(virulent phage)(virulent phage)：能在宿主细：能在宿主细胞内复制增殖，产生许多子代噬菌体，并最胞内复制增殖，产生许多子代噬菌体，并最终裂解细菌终裂解细菌温和噬菌体温和噬菌体(temperate phage)(temperate phage)：噬菌体基因：噬菌体基因与宿主菌染色体整合，不产生子代噬菌体，但与宿主菌染色体整合，不产生子代噬菌体，但噬菌体噬菌体DNADNA能随细菌能随细菌DNADNA复制，并随细菌的分裂复制，并随细菌的分裂而传代而传代吸附吸附穿入穿入生物合成生物合成成熟、释放成熟、释放毒性噬菌体毒性噬菌体的溶菌周期（一）（一）毒性噬菌体毒性噬菌体噬菌体噬菌体菌液（混浊）菌液（混浊）菌液（变澄清）菌液（变澄清）噬菌体在液体培养基中的噬菌现象321123痢疾杆菌痢疾杆菌+生理盐水生理盐水大肠杆菌大肠杆菌+痢疾杆菌噬菌体痢疾杆菌噬菌体痢疾杆菌痢疾杆菌+痢疾杆菌痢疾杆菌噬菌体噬菌体噬菌体在固体培养基上的噬菌现象噬菌体在固体培养基上的噬菌现象噬斑噬斑 温和噬菌体温和噬菌体噬菌体核酸前噬菌体前噬菌体溶原性细菌溶原性细菌传代二、细菌的变异现象二、细菌的变异现象1、形态结构的变异形态结构的变异 细菌的大小形态在不同的生长时期可不同，细菌的大小形态在不同的生长时期可不同，环境条件改变也可导致其变异；环境条件改变也可导致其变异；细菌的一些特殊结构也可发生变异，如荚膜、细菌的一些特殊结构也可发生变异，如荚膜、鞭毛、芽孢、鞭毛、芽孢、L L型等变异型等变异 由有到无等。由有到无等。有荚膜的肺炎球菌有荚膜的肺炎球菌无荚膜的肺炎球菌无荚膜的肺炎球菌2 2、毒力变异、毒力变异 细菌的毒力变异包括其毒力的增强与减弱，如细菌的毒力变异包括其毒力的增强与减弱，如白喉毒素的产生及卡介苗的获得均为细菌毒力变异白喉毒素的产生及卡介苗的获得均为细菌毒力变异的结果。的结果。3 3、耐药性变异、耐药性变异 细菌对某种抗菌药物由敏感变成耐药的变异称耐细菌对某种抗菌药物由敏感变成耐药的变异称耐药性变异，这种变异给临床治疗带来很大的困难，并药性变异，这种变异给临床治疗带来很大的困难，并成为当今医学上的重要问题。成为当今医学上的重要问题。4 4、菌落变异、菌落变异 细菌的菌落由细菌的菌落由S S型变异为型变异为R R型多见，且常伴随细菌理型多见，且常伴随细菌理化性状、抗原性、代谢酶活性及毒力等也发生改变。化性状、抗原性、代谢酶活性及毒力等也发生改变。S S型菌落型菌落R R型菌落型菌落 细菌变异的机理细菌变异的机理基因的突变基因的突变(mutation)基因的转移与重组基因的转移与重组(gene transfer and recombination)。细菌基因结构的改变主要通过以下方式实现细菌基因结构的改变主要通过以下方式实现：一、基因的突变一、基因的突变 1 1、突变、突变(mutation)(mutation)是细菌遗传物质的是细菌遗传物质的结构发生突然而稳定的变化，导致细菌的遗传结构发生突然而稳定的变化，导致细菌的遗传性变异。性变异。2 2、基因突变规律：、基因突变规律：（1 1）突变率：自发突变率很低，但用一些）突变率：自发突变率很低，但用一些理化因素诱导则可大大提高突变率。理化因素诱导则可大大提高突变率。（2 2）突变与选择：突变是随机的、不定向）突变与选择：突变是随机的、不定向的，外界环境不能决定突变，只能对突变进行选的，外界环境不能决定突变，只能对突变进行选择。择。3 3、回复突变：细菌由野生型变为突变型是、回复突变：细菌由野生型变为突变型是正向突变，而突变株经又一次突变可恢复野生型正向突变，而突变株经又一次突变可恢复野生型的性状，这一过程称回复突变。的性状，这一过程称回复突变。二、基因的转移与重组二、基因的转移与重组(gene transfer and recombination)gene transfer and recombination)外源性的遗传物质由供体菌转入某受体菌细胞内的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过程称为基因转移基因转移，而转移的基因与，而转移的基因与DNADNA整合在一起称整合在一起称为为重组重组.基因转移重组的方式有：转化、接合、转导、溶基因转移重组的方式有：转化、接合、转导、溶原性转换和细胞融合等原性转换和细胞融合等。1.转化转化(transformation):供体菌裂解,游离的DNA片段转入某受体菌细胞内的过程。2、接合接合(conjugation)(conjugation)：是细菌通过性菌毛沟通，将：是细菌通过性菌毛沟通，将遗传物质（主要是质粒遗传物质（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。（1 1）、）、F F质粒质粒的接合：的接合：F F+菌与菌与F F-菌经接合后，菌经接合后，F F-菌菌可获得可获得F F质粒而成为质粒而成为F F+菌。菌。F+菌菌F-菌菌F+菌菌 F-菌菌F+菌菌F+菌菌FFFF-vF质粒的接合粒的接合高频重组菌（高频重组菌（high frequency recombinant，Hfr菌）：菌）：整合后的细菌能高效地转移染色体上整合后的细菌能高效地转移染色体上的基因的基因HfrF-HfrF-HfrF-HfrF-42F+菌菌HfrF 质粒粒F 菌菌F质粒粒雄性菌：雄性菌：（性菌毛）（性菌毛）F菌菌Hfr菌菌F+菌菌（2 2）R R质粒的接合：质粒的接合：R R质粒由耐药传递因子（质粒由耐药传递因子（resistance resistance transfer factor,RTFtransfer factor,RTF）和耐药）和耐药(r)(r)决定子两部分组成。决定子两部分组成。RTFRTFISr r决定子决定子RTFRTFISISr r决定子决定子Tn9Tn4Tn5R R质粒的接合质粒的接合A-Antibiotics单独存在不能发生单独存在不能发生R质质粒接合性传递粒接合性传递a）组成成耐耐药性性传递因子因子（resistance transfer factor，RTF）耐耐药决定子（决定子（r 决定子）决定子）存在方式：存在方式：RTF r RTF+r RTF:RTF:编码性菌毛和转移质粒编码性菌毛和转移质粒 r r决定子：编码耐药性决定子：编码耐药性b）功能功能3 3、转导、转导(transduction)(transduction)：是以温和噬菌体为载体，：是以温和噬菌体为载体，将供体菌的一段将供体菌的一段DNADNA转移到受体菌内，使受体菌获得转移到受体菌内，使受体菌获得新的性状。转导比转化可转移更大片段新的性状。转导比转化可转移更大片段DNADNA。（1 1）普遍性转导）普遍性转导(generalized transduction)(generalized transduction)：普遍性转导的细菌整合未整合完全转导流产转导细菌DNA（2 2）局限性转导）局限性转导(restricted transduction)(restricted transduction)：又称特异性转导又称特异性转导(specialized transduction)(specialized transduction)前噬菌体galbiogalbio正常脱离galbio断裂和再接biogal断裂和再接galbio偏差脱离4、溶原性转换、溶原性转换(lysogenic conversion)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，而使细菌获得新的遗传性状。5 5、原生质体融合原生质体融合(protopast fusion)(protopast fusion)：两种不同的细菌经：两种不同的细菌经处理后失去细胞壁成为原生质体后进行相互融合的过程，两细处理后失去细胞壁成为原生质体后进行相互融合的过程，两细胞间形成胞质桥，允许细胞的胞质混合及遗传物质交换，可发胞间形成胞质桥，允许细胞的胞质混合及遗传物质交换，可发生于不相关的、甚至不同种类的两细胞间，这种基因转移的机生于不相关的、甚至不同种类的两细胞间，这种基因转移的机制称为基因传输制称为基因传输(genetic transfusion)(genetic transfusion)。51 概念：人工将两种不同的细菌经溶菌酶概念：人工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或青霉素等处理，失去细胞壁成为原生 质体后进行相互融合的过程质体后进行相互融合的过程 融合剂：融合剂：PEGPEG（聚乙二醇）（聚乙二醇）应用：基因转输、实验工具应用：基因转输、实验工具5、原生、原生质体融合（体融合（proptopast fusion）51原生原生质体融合体融合类型类型类型类型 基因来源基因来源基因来源基因来源 转移方式转移方式转移方式转移方式 转化转化转化转化 （transformation）供菌供菌供菌供菌 受菌摄入受菌摄入受菌摄入受菌摄入 接合接合接合接合 （conjugation）供菌供菌供菌供菌 通过性菌毛通过性菌毛通过性菌毛通过性菌毛转导（转导（转导（转导（transduction）供菌供菌供菌供菌 噬菌体媒介噬菌体媒介噬菌体媒介噬菌体媒介 溶原性转换溶原性转换溶原性转换溶原性转换 (lysogenic conversion)噬菌体噬菌体噬菌体噬菌体 前噬菌体前噬菌体前噬菌体前噬菌体原生质体融合原生质体融合(protoplast fusion)供菌供菌 融合融合五、五、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一、在疾病的诊断、治疗与预防中的应用一、在疾病的诊断、治疗与预防中的应用二、在测定致癌物质中的应用二、在测定致癌物质中的应用三、在流行病学中的应用三、在流行病学中的应用四、在基因工程中的应用四、在基因工程中的应用小结：小结：比较细菌基因的转移与重组的方式比较细菌基因的转移与重组的方式比较细菌基因的转移与重组的方式比较细菌基因的转移与重组的方式细菌细菌：细菌细菌：转化转化：供受（直接）：供受（直接）转导转导：供受（温和噬菌体）：供受（温和噬菌体）接合接合：供受（性菌毛）：供受（性菌毛）噬菌体细菌：噬菌体细菌：溶原性转换溶原性转换：前噬菌体：前噬菌体写在最后写在最后成功的基成功的基础在于好的学在于好的学习习惯The foundation of success lies in good habits55谢谢聆听 学习就是为了达到一定目的而努力去干,是为一个目标去战胜各种困难的过程,这个过程会充满压力、痛苦和挫折Learning Is To Achieve A Certain Goal And Work Hard,Is A Process To Overcome Various Difficulties For A Goal