4细菌的遗传和变异

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,细菌的遗传和变异,遗传(,heredity)：,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。,遗传性变异（基因型变异）：是基因结构发生了改变，特点是不可逆的，产生的新的性状可稳定的遗传给后代。,非遗传性变异（表型变异）：是影响因素去除后，变异的性状又可复原，不可遗传。,遗传性变异,非遗传性变异,基因改变,+,-,遗传,+,-,可逆性,-,+,外界环境,-,+,变异幅度,个别细胞,群体,细菌的变异现象,形态、结构变异,毒力变异,耐药性变异,菌落变异,形态结构变异,形态改变,3-6%,食盐,鼠疫耶氏菌 多形态性,陈旧培基物,L,型变异,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,),特殊结构的变异,42-43,炭疽杆菌 失去形成芽胞能力,毒性降低,10-20,天,变形杆菌,0.1%,石炭酸,迁徙生长（,H）,点状生长、单个菌落（,O）,鞭毛变异,毒力变异,增强,棒状噬菌体,白喉棒状杆菌,获得白喉毒素,减弱,胆汁、甘油、马铃薯培养基,牛分枝杆菌 卡介苗,13,年,(230,代,),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。,金黄色葡萄球菌,1946,年对青霉素的耐药率,14%,，目前超过,80%,有些细菌还同时耐受多种抗菌药物，即多重耐药性，甚至产生药物依赖性。,含链霉素培基痢疾杆菌 依链株,长期培养,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,R,原因：失去,LPS,的特异多糖,细菌遗传变异的物质基础,基因组：染色体和染色体外遗传物质,质粒,噬菌体 转位因子,细菌的遗传物质是,DNA,（一 ）染色体（,chromosome,）,一条环状双螺旋,DNA,长链，按一定构型反复回旋形成松散的网状结构；,附着在横隔中介体上或细胞膜上；,缺乏组蛋白，无核膜包裹；,约含有,4000-5000,个基因；,双向复制，全过程约,20min,。,（二）质粒（,plasmid）,细菌染色体外的遗传物质，是环状闭合的双链,DNA。,带有遗传性息，能自行复制，随细菌分裂转移到子代细胞，并非细菌生长所必需。,特征,自我复制能力,编码产物赋予细菌某些性状特征,可自行丢失与人工消除,转移性（,接合,、转化或转导）,相容性和不相容性,几种重要的质粒（编码的生物学性状）,致育质粒（,F,质粒）,耐药质粒（,R,质粒）,毒力质粒（,Vi,质粒）,细菌素质粒（,COL,质粒）,代谢质粒,概念：,噬菌体（,bacteriophage，phage,）,是感染细菌、真菌、放线菌或螺旋,体等微生物的病毒。,特征：,1,.,个体微小，可通过滤菌器；,2,.,没有完整的细胞结构；,3,.,专性细胞内寄生，复制增殖。,分布：,广泛。,（三）噬菌体,生物学特性,形态与结构,蝌蚪形、微球形和丝形,化学组成,蛋白质与核酸,抗原性,抵抗力,头部：,内含,DNA/RNA,尾部：,包括中空尾管、尾鞘、尾丝、尾刺等。尾丝是吸附宿主细胞表面特殊受体部位。,头部,尾部,尾鞘收缩,尾丝与受体菌表面结合,特异性,特异性,特异性！,噬菌体的种类及与细菌的关系,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,）,/,溶原性噬菌体（,lysogenic,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,毒性噬菌体复制周期,吸附,穿入,生物合成,成熟与释放,噬菌现象,液体培养基 混浊 澄清,固体培养基中，出现噬斑（,plaque,）,一定体积内的噬斑形成单位数目（,pfu,）,温和噬菌体,前噬菌体（,prophage,）,溶原性细菌（,lysogenic,bacterium,）,溶原性（,lysogeny,）,溶原性周期和溶菌性周期,溶原性转换,prophage,:,整合在细菌基因组中的噬菌体基因组,溶原性细菌,噬菌体的应用,细菌的鉴定与分型,噬菌体与宿主菌的关系有高度特异性，可用于未知细菌的鉴定和分型。如应用伤寒沙门菌,Vi,噬菌体可将有,Vi,抗原的伤寒沙门菌分成,96,个噬菌体型。,分子生物学研究的重要工具,噬菌体基因数量少，结构比细菌和高等细胞简单得多，而且容易获得大量的突变体。,细菌感染的诊断与治疗,应用噬菌体效价增长试验可检测标本中的相应细菌。在怀疑有某种细菌存在的标本中，加入一定数量的已知噬菌体，,37,孵育,68h,，再测定该噬菌体的效价。,辅助治疗，如应用铜绿假单胞菌噬菌体治疗创口感染。,（四）转位因子（,transposable element,）,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。,意义：, 改变遗传物质的核苷酸序列, 影响插入点附近基因的表达（失活）, 直接插入一段新序列，造成基因的转移和重组,插入序列（,insertion,sequence,IS,）,是最小的转位因子，,2,kb,，不携带任何已知与插入功能无关的基因区域,转座子（,transposon,Tn,）,2,kb,，除携带与转位有关的基因外，还携带耐药性基因、抗金属基因、毒素基因及其他结构基因。,可能与细菌的多重耐药性有关。,转座噬菌体或前噬菌体,是一些具有转座功能的溶原性噬菌体，当整合到细菌染色体上，能改变溶原性细菌的某些生物学性状。,IS,IS,Resistance,Gene(s,),Tn,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,Km,Tn7,TMP,（甲氧苄氨嘧啶）、,SM,Tn9,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）,细菌的变异机制,基因的突变,基因的转移和重组,突变(,mutation)：,是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。,发生,表现型,（一）. 突变,自发突变（,spontaneous mutation),突变率低,10,-10,10,-6,诱发突变（,induced mutation),提高,10,-6,10,-4,野生株（,wild strain),没有发生突变的菌细胞,突变株（,mutant strain),突变后的菌细胞,基因突变规律,随机发生，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，只能对突变进行选择。,以耐药突变体为例,实验：影印试验,说明：耐药突变株在接触药物之前出现，药物的作用是选择耐药株，淘汰敏感株,结论：细菌基因突变产生耐药性，与抗生素的使用无关,具有相对稳定性；,可发生回复突变,突变与选择证明实验影印培养,replica plating,(Lederberg 1952),无抗生素平板,含抗生素平板,标记点,2,耐药菌株,影印用无菌丝绒布,影印,后,丝绒布上对应菌落,1,含抗生素培养管（细菌生长 混浊）,3,含抗生素培养管（细菌不生长 澄清）,3,（二）基因的转移和重组,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的某些性状。,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,原生质体融合,等方式进行。,转化（,transformation,）,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,。,转化试验,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10,7,，最多不超过1020个基因。,感受态（,competence,）,接合（,conjugation,）,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,质粒和毒力质粒等。,F,质粒的接合,F,+,F,-,F,+,F,-,F,+,F,+,F,+,F,+,Donor,Recipient,F,+,F+,F,+,Hfr,高频重组菌,（,high frequency recombination,）,Hfr,：,少数,F,质粒可整合至受体菌染色体上，与染色体一起复制，这种与,F,质粒重组的细菌称为,Hfr,。,Hfr,F,-,Hfr,F,-,Hfr,F,-,Hfr,F,-,F,质粒,高频重组菌中的,F,质粒有时从染色体上脱离下来，带有染色体上邻近的基因，称为,F,质粒。,F+,菌，,Hfr,，,F,菌都是雄性菌。,F,F,F,F,F,F,-,F,F,-,R,质粒的接合,日本首先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。,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。,R,质粒,耐药传递因子（,resistance transfer,factor,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,转导（,transduction,）,以温和噬菌体为载体，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。,普遍性转导（,generalized transduction,）,局限性转导（,restricted transduction,）,普遍性转导,generalized transduction,前噬菌体从溶原菌染色体上脱离，进行增殖，在裂解期的后期，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。,供体菌,受体菌,转导噬菌体,细菌,DNA,噬菌体,DNA,结果,完全转导,流产转导,未整合,整合,局限性转导,restricted transduction,或称特异性转导， 所转导的只限于供体菌染色体上特定的基因。,溶原期时，噬菌体,DNA,整合在细菌染色体特定部位，噬菌体,DNA,发生偏差分离，将自身的一段,DNA,留在细菌染色体上，而带走了细菌,DNA,上两侧的基因。当其转导并整合到受体菌中，使受体菌获得供体菌的某些遗传性状。所转导的只限于供体菌上个别的基因。,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,),溶原性转换（,lysogenic,conversion,）,当噬菌体感染细菌时，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、,A,群链球菌、肉毒梭菌、产气荚膜梭菌、霍乱弧菌,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,溶原性转换,噬菌体,整合,原生质体融合,protoplast fusion,概念：,将二种经处理后失去细胞壁的细菌（称为原生质体）进行融合，获得的新的细菌个体。,原生,质,体融合,是一种有价值的实验手段。,G,+,菌形成原生质体后，在聚乙二醇（,PEG,）作用下，可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，染色体重组，获得多种不同表型的重组融合体。,人为实验基因转移与重组。,细菌遗传变异的实际意义,在疾病的诊断、治疗与预防中的应用,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,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,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,减毒菌株和无毒株可制备成疫苗,在测定致癌物质中的应用,凡能诱导细菌发生突变的物质都有可能是致癌物质。,Ames,实验,伤寒沙门菌（,his,-,） （,his,+,）,诱变剂,在流行病学中的应用,分子生物学分析方法已被用于流行病学调查,质粒指纹图（,PFP,）,研究流行菌株的同源性，检测对噬菌体的敏感性和溶原性，对细菌素的敏感性,在基因工程中的应用,基因工程是根据遗传变异中细菌可因基因转移和重组而获得新性状的原理设计的,切取目的基因,连接到载体上,转移到工程菌内，大量表达目的基因产物,目前已大量生产胰岛素、干扰素、多种生长激素、,rIL-2,等细胞因子和乙肝疫苗等生物制品,复习思考题：,1.,试述质粒,DNA,的特征？,2.,试比较普遍性转导与局限性转导的区别？,3.,试述细菌遗传变异的机制？,4.,试解释变异、转位因子、基因转移、接合、转化、转导、,溶原性转换,概念。,5.,细菌遗传变异的物质基础,6.,毒性噬菌体的增殖周期及其噬菌现象和温和噬菌体的溶原性及溶菌性周期，溶原性转换。,