医学专题—细菌的遗传变异.ppt

第第5章章 细细菌菌(xjn)(xjn)的的遗传变异遗传变异 第一页，共四十七页。目目 的的 要要 求求1 1、掌握、掌握：细菌细菌(xjn)(xjn)(xjn)(xjn)基因转移与重组：转化、接合、基因转移与重组：转化、接合、转导、溶原性转换、原生质体融合的概转导、溶原性转换、原生质体融合的概念及机制。念及机制。2 2、熟悉、熟悉：细菌的变异现象。细菌的变异现象。细菌遗传变异在医学上的意义。细菌遗传变异在医学上的意义。第二页，共四十七页。遗传（遗传（heredityheredity）：子代与亲代的生物学）：子代与亲代的生物学性状基本相同，且代代相传。性状基本相同，且代代相传。遗传保证遗传保证(bozhng)(bozhng)(bozhng)(bozhng)了物种的稳定性。了物种的稳定性。变变异异：子子代代与与亲亲代代以以及及子子代代与与子子代代之之间间的的生生物物学学性性状状出出现现差差异异。变变异异产产生生新新的的物物种种，有利于物种的进化。有利于物种的进化。l l基因型变异（遗传性变异）基因型变异（遗传性变异）l l表型变异（非遗传性变异）表型变异（非遗传性变异）第三页，共四十七页。BCGBCG：牛型结核杆菌：牛型结核杆菌：牛型结核杆菌：牛型结核杆菌(ji h n jn)(ji h n jn)(ji h n jn)(ji h n jn)（有毒株）（有毒株）（有毒株）（有毒株）胆汁胆汁-甘油甘油-马铃薯培养马铃薯培养 13 13 13 13年，年，年，年，230230230230次传代次传代次传代次传代 减毒株（减毒株（BCGBCG）基因型变异：基因型变异：基因型变异：基因型变异：BCG BCG BCG BCG 表型变异：细菌表型变异：细菌L L型型第四页，共四十七页。基因型和表型变异基因型和表型变异(biny)(biny)的比较的比较基因型变异基因型变异基因型变异基因型变异(biny)(biny)表型变异表型变异表型变异表型变异(biny)(biny)基因结构基因结构基因结构基因结构 变化变化变化变化 未变未变未变未变可逆性可逆性可逆性可逆性 不或极少不或极少不或极少不或极少 可逆可逆可逆可逆稳定性稳定性稳定性稳定性 稳定稳定稳定稳定 不稳定不稳定不稳定不稳定环境影响环境影响环境影响环境影响涉及细菌数涉及细菌数涉及细菌数涉及细菌数不受影响不受影响不受影响不受影响 受影响受影响受影响受影响 个别个别个别个别 全体全体全体全体第五页，共四十七页。一、一、形态结构变异形态结构变异(biny)(biny)(biny)(biny)鼠疫耶尔森氏菌鼠疫耶尔森氏菌含含3 36 6NaClNaCl琼脂培琼脂培养养多形态性（衰退型）多形态性（衰退型）第一节第一节 细菌的变异细菌的变异(biny)(biny)现象现象第六页，共四十七页。L型变异（细胞型变异（细胞壁缺陷型）壁缺陷型）生物学特性：生物学特性：多形性、革兰多形性、革兰阴性、高渗培阴性、高渗培养、生长养、生长(shngzhng)缓慢、荷包蛋缓慢、荷包蛋样菌落、可回样菌落、可回复复A A、原细菌、原细菌、原细菌、原细菌(xjn)(xjn)型菌落型菌落型菌落型菌落 B B、荷包蛋样、荷包蛋样、荷包蛋样、荷包蛋样L L型菌落型菌落型菌落型菌落C C、颗粒型、颗粒型、颗粒型、颗粒型L L型菌落型菌落型菌落型菌落 D D、丝状型、丝状型、丝状型、丝状型L L型菌落型菌落型菌落型菌落第七页，共四十七页。葡萄球菌葡萄球菌(p to qi jn)(p to qi jn)丝状丝状 L 型菌落型菌落葡萄球菌葡萄球菌(p to qi jn)(p to qi jn)丝状丝状 L 型菌落回复后型菌落回复后第八页，共四十七页。荚膜变异：荚膜变异：肺炎链球菌荚膜肺炎链球菌荚膜体外长体外长期培养期培养失去荚膜失去荚膜芽胞变异：芽胞变异：炭疽杆菌炭疽杆菌经经4242，10102020天天失去芽胞，毒力减弱失去芽胞，毒力减弱(jinru)(jinru)(jinru)(jinru)鞭毛（鞭毛（H HO O）变异：）变异：变形杆菌变形杆菌含含1010的培养基上生长的培养基上生长失去鞭毛失去鞭毛第九页，共四十七页。二、菌落变异（二、菌落变异（SR变异）变异）光滑型（光滑型（S型）型）粗糙型（粗糙型（R型型）三、毒力的变异三、毒力的变异 l l毒力降低或消失：如卡介苗毒力降低或消失：如卡介苗 l l毒力增强毒力增强(zngqing)(zngqing)：如白喉棒状杆菌：如白喉棒状杆菌 四、耐药性变异四、耐药性变异 细菌对某种抗菌药物由敏感变为耐受。细菌对某种抗菌药物由敏感变为耐受。第十页，共四十七页。第二节第二节 细菌细菌(xjn)(xjn)的遗传物质的遗传物质 1 1、细菌的染色体：、细菌的染色体：环状、环状、dsDNAdsDNA。相相对(xingdu)(xingdu)(xingdu)(xingdu)较小（小（4.2104.2106 6 bpbp，40004000个基个基因因复制快：复制快：10105 5 bp/minbp/min无组蛋白，无内含子，为连续基因无组蛋白，无内含子，为连续基因单倍体：突变后更易表现单倍体：突变后更易表现第十一页，共四十七页。2 2、质粒、质粒(plasmid)(plasmid)：细菌染色体外的遗传物：细菌染色体外的遗传物质，环状闭质，环状闭 合的双股合的双股DNADNA。可编码许多可编码许多重要重要(zhngyo)(zhngyo)(zhngyo)(zhngyo)的生物学性状。的生物学性状。第十二页，共四十七页。质粒质粒DNADNA的特性的特性具有自我具有自我(zw)(zw)(zw)(zw)复制能力复制能力 紧密型质粒；紧密型质粒；松弛型质粒松弛型质粒质粒能编码某些特定性状质粒能编码某些特定性状可自行丢失与消除可自行丢失与消除可在细菌间转移。可在细菌间转移。分相容性与不相容性两种分相容性与不相容性两种第十三页，共四十七页。种种 类类致育质粒或称致育质粒或称F F质粒质粒 结合结合耐药性质粒耐药性质粒 可分为接合性耐药质粒（可分为接合性耐药质粒（R R质粒）和非接合性耐药质粒。质粒）和非接合性耐药质粒。耐药耐药毒力质粒或毒力质粒或ViVi质粒质粒 编码与该菌致病性编码与该菌致病性有关的毒力因子。有关的毒力因子。毒力毒力细菌素质细菌素质(szh)(szh)(szh)(szh)粒粒 编码各种细菌产生的细编码各种细菌产生的细菌素。菌素。细菌素细菌素代谢质粒代谢质粒 编码产生与代谢相关的许多酶编码产生与代谢相关的许多酶类类第十四页，共四十七页。3 3、转座因子、转座因子 是细菌基因组中能改变自身位置的一段是细菌基因组中能改变自身位置的一段DNADNA序列，这种转座作用可发生序列，这种转座作用可发生(fshng)(fshng)(fshng)(fshng)在染色体、质粒上或在染色体、质粒上或染色体与质粒之间。染色体与质粒之间。分类分类（1 1）插入序列）插入序列 (insertion sequenceinsertion sequenceinsertion sequenceinsertion sequence，ISISISIS):):):):7507507507501550155015501550 bp bp bp bp 两端重复序列，与插入有关两端重复序列，与插入有关 中心序列有中心序列有中心序列有中心序列有转转转转位位位位酶酶酶酶基因基因基因基因第十五页，共四十七页。（2 2）转座子座子 (transposontransposon，TnTn):):200020002500025000 bpbp 两端为两端为IS IS 中心序列有与转位无关中心序列有与转位无关(wgun)(wgun)(wgun)(wgun)基因基因 如：毒素基因、耐药基因等如：毒素基因、耐药基因等IS ISResistance Gene(s)第十六页，共四十七页。常见常见(chn jin)(chn jin)(chn jin)(chn jin)的插入序列和转的插入序列和转座子座子IS bp Tn IS bp Tn 耐药或毒素耐药或毒素耐药或毒素耐药或毒素(d s)(d s)(d s)(d s)基因基因基因基因 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）第十七页，共四十七页。4 4 4 4、整整合合子子（integronintegronintegronintegron，InInInIn）：是是一一种种运运动动性性DNADNA分分子子，具具有有(jyu)(jyu)(jyu)(jyu)独独立立结结构构可可捕捕获获和和整整合合外外源源性性基因，使之转变成为基因，使之转变成为功能性基因表达单位。功能性基因表达单位。l l定位于细菌染色体、质粒或转座子上定位于细菌染色体、质粒或转座子上l l基基本本结结构构：两两端端为为保保守守末末端端，中中间间为为可可变变区区，含一个或多个基因盒含一个或多个基因盒l l整整合合子子含含有有3 3个个功功能能元元件件：重重组组位位点点；整整合合酶酶基因；启动子基因；启动子l l通通通通过过过过转转转转座座座座子子子子或或或或接接接接合合合合性性性性质质质质粒粒粒粒，使使使使多多多多种种种种耐耐耐耐药药药药基基基基因因因因在在在在细细细细菌中进行水平传播菌中进行水平传播菌中进行水平传播菌中进行水平传播第十八页，共四十七页。5 5、噬菌体基因组：噬菌体基因组：形态结构形态结构:蝌蚪蝌蚪(kdu)(kdu)(kdu)(kdu)形形衣壳：蛋白质衣壳：蛋白质核酸：核酸：dsDNA dsDNA 分布广分布广分布广分布广:有菌就有噬菌体有菌就有噬菌体有菌就有噬菌体有菌就有噬菌体宿主特异性：流行病调查；分型宿主特异性：流行病调查；分型宿主特异性：流行病调查；分型宿主特异性：流行病调查；分型参与细菌参与细菌参与细菌参与细菌(xjn)(xjn)(xjn)(xjn)变异：转导变异：转导变异：转导变异：转导,溶原性转换溶原性转换溶原性转换溶原性转换第十九页，共四十七页。基因转移基因转移(gene transfer)(gene transfer)：外源性遗传外源性遗传物质由供体菌转入某受体菌内的过程物质由供体菌转入某受体菌内的过程(guchng)(guchng)(guchng)(guchng)。基因重组基因重组(gene recombination)(gene recombination)：转移转移的基因与受体菌的基因与受体菌DNADNA整合在一起的过程。整合在一起的过程。供体菌供体菌(donor)(donor)；受体菌受体菌(recipient)(recipient)第三节第三节 基因基因(jyn)(jyn)(jyn)(jyn)的转移和重组的转移和重组第二十页，共四十七页。一一、转转化化（transformation）：供供体体菌菌游游离离的的DNA片片段段被被受受体体菌菌直直接接摄摄取取，使使受受体菌获得新的性状。体菌获得新的性状。*条件条件：受体菌与供体菌受体菌与供体菌DNA有同源性。有同源性。感感 受受 态：受体菌能摄取外源态：受体菌能摄取外源DNA片段的片段的生理生理(shngl)(shngl)状态。感受态一般出现在细菌状态。感受态一般出现在细菌对数生长期的后期，持续时间约对数生长期的后期，持续时间约34小时。小时。第二十一页，共四十七页。小鼠体内肺炎小鼠体内肺炎(fiyn)(fiyn)链球菌的转化试验链球菌的转化试验第二十二页，共四十七页。转化转化(zhunhu)(zhunhu)因子因子（transforming principle）l l在转化过程中，转在转化过程中，转化的化的DNA片段称为片段称为转化因子转化因子，分子量，分子量小于小于107，最多不超，最多不超，最多不超，最多不超过过过过10201020个基因。个基因。个基因。个基因。感受态感受态（competence）第二十三页，共四十七页。二二、接接合合(jih)(jih)(jih)(jih)(conjugation)(conjugation)：细细菌菌通通过过性性菌菌毛毛，将遗传物质从供体菌转移给受体菌的过程。将遗传物质从供体菌转移给受体菌的过程。第二十四页，共四十七页。l lF F质质粒粒（fertility fertility factor,factor,致致育育因因子子(ynz)(ynz)(ynz)(ynz)）接触：细胞质沟通接触：细胞质沟通(gutng)(gutng)(gutng)(gutng)转移：转移：F F质粒进入质粒进入F F菌，菌，1 1分钟完成分钟完成复制：复制：F F菌转为菌转为F F菌菌第二十五页，共四十七页。lHfrHfr（高频重组菌株）：（高频重组菌株）：F F质粒与染色体整合质粒与染色体整合 具有结合和转移功能具有结合和转移功能(gngnng)(gngnng)(gngnng)(gngnng)细菌染色体转移频率高，细菌染色体转移频率高，F F质粒低质粒低 受体菌获得供体菌性状受体菌获得供体菌性状 用于绘制基因图用于绘制基因图第二十六页，共四十七页。HfrHfr转转移移细细菌菌(xjn)(xjn)(xjn)(xjn)染染色色体体过过程程第二十七页，共四十七页。R R质粒质粒（1 1）耐耐药药传传递递因因子子：编码编码(bin m)(bin m)(bin m)(bin m)性菌毛性菌毛（2 2）耐耐药药决决定定因因子子：耐药耐药 第二十八页，共四十七页。三三、转转导导（transductiontransduction）：以以温温和和(wnh)(wnh)(wnh)(wnh)噬噬菌菌体体为为载载体体，将将供供体体菌菌的的一一段段DNADNA转转移移到到受受体体菌菌内内，使使受受体体菌菌获获得得新新的的性状。性状。第二十九页，共四十七页。（1 1）普普遍遍性性转转导导(zhun(zhun(zhun(zhun do)do)do)do)前前噬噬菌菌体体脱脱离离溶溶原原性性细细菌菌增增殖殖时时，误误装装入入细细菌菌DNADNA。故故该该噬噬菌菌体体感感染染受受体体菌菌时时，则则将将供供体体菌菌DNADNA带入受体菌内。带入受体菌内。完全转导完全转导 流产转导流产转导未整合未整合整整 合合第三十页，共四十七页。普遍性转导普遍性转导(zhun do)(zhun do)模式图模式图第三十一页，共四十七页。局限性转导局限性转导(zhun do)(zhun do)模式图模式图2 2、局限性转导：、局限性转导：前前噬菌体从宿主菌染噬菌体从宿主菌染色体脱离时发生偏色体脱离时发生偏差，将前噬菌体两差，将前噬菌体两侧的宿主染色体基侧的宿主染色体基因转移到受体菌，因转移到受体菌，使受体菌的遗传性使受体菌的遗传性状发生改变状发生改变(gibin)(gibin)(gibin)(gibin)的的过程。过程。第三十二页，共四十七页。普遍性转导普遍性转导(zhu(zhun dn do)o)与局限性转导与局限性转导(zhu(zhun dn do)o)的的区别区别区别要点区别要点区别要点区别要点普遍性转导普遍性转导普遍性转导普遍性转导局限性转导局限性转导局限性转导局限性转导基因转导发生的时期基因转导发生的时期基因转导发生的时期基因转导发生的时期裂解期裂解期裂解期裂解期溶原期溶原期溶原期溶原期转导的遗传物质转导的遗传物质转导的遗传物质转导的遗传物质供体菌染色体供体菌染色体供体菌染色体供体菌染色体DNADNA任何部位或质粒任何部位或质粒任何部位或质粒任何部位或质粒噬菌体噬菌体噬菌体噬菌体DNADNA及供体及供体及供体及供体菌菌菌菌DNADNA的特定部位的特定部位的特定部位的特定部位转导的后果转导的后果转导的后果转导的后果完全转导或流产转完全转导或流产转完全转导或流产转完全转导或流产转导导导导受体菌获得供体菌受体菌获得供体菌受体菌获得供体菌受体菌获得供体菌DNADNA特定部位的遗特定部位的遗特定部位的遗特定部位的遗传特性传特性传特性传特性转导频率转导频率转导频率转导频率受体菌的受体菌的受体菌的受体菌的1010-7-7转导频率较普遍转转导频率较普遍转转导频率较普遍转转导频率较普遍转导增加导增加导增加导增加10001000倍倍倍倍(10(10-4 4)第三十三页，共四十七页。四四、溶溶原原性性转转换换：是是宿宿主主菌菌染染色色体体中中整整合合了了噬噬菌菌体体的的DNADNA片片段段(pin(pin(pin(pin dun)dun)dun)dun)而而获获得得新新的的遗遗传传性状。性状。第三十四页，共四十七页。五、原生质体融合五、原生质体融合两种不同细菌经溶菌酶或青霉素等处理，两种不同细菌经溶菌酶或青霉素等处理，失去细胞壁成为原生质体后进行失去细胞壁成为原生质体后进行(jnxng)(jnxng)彼彼此融合的过程。此融合的过程。第三十五页，共四十七页。机机 制制基因来源基因来源转移方式转移方式转转 化化供体菌供体菌直接摄取直接摄取转转 导导供体菌供体菌噬菌体为载体噬菌体为载体接接 合合供体菌供体菌性菌毛性菌毛溶原性转换溶原性转换噬菌体噬菌体整合整合基因基因(jyn)(jyn)的转移和重组模式比较的转移和重组模式比较第三十六页，共四十七页。第四节第四节 基因突变基因突变(j yn t bin)(j yn t bin)*突突变变：指指细细菌菌遗遗传传物物质质DNA结结构构发发生生突突然然而而稳稳定定的的改改变变，导导致致(dozh)(dozh)细细菌菌发发生生遗遗传传性性变异。变异。第三十七页，共四十七页。一、基因突变的规律：一、基因突变的规律：（1）突变率突变率 细细菌菌都都可可自自发发突突变变，但但频频率率较较低低（突突变率约变率约109106）加加入入诱诱导导剂剂（紫紫外外线线、X射射线线、烷烷化化剂剂、亚亚硝硝酸酸盐盐等等）突突变变率率可可提提高高1001000倍（诱导倍（诱导(yudo)(yudo)突变）突变）彷徨试验：随机的、非定向的突变是在彷徨试验：随机的、非定向的突变是在接触噬菌体之前就已发生，噬菌体对突接触噬菌体之前就已发生，噬菌体对突变仅起筛选而不是诱导作用。变仅起筛选而不是诱导作用。第三十八页，共四十七页。彷徨彷徨(pn hun)(pn hun)试验示意图试验示意图第三十九页，共四十七页。（2）突变与选择突变与选择 突突变变是是随随机机和和不不定定向向的的，细细菌菌染染色色体体上上数数千千个个基基因因(jyn)(jyn)中中哪哪个个发发生生突突变变，导导致致何种突变均非外界因素所决定何种突变均非外界因素所决定 外外界界因因素素只只能能起起选选择择性性作作用用，选选择择出出突变株突变株（3）回回复复突突变变 野野生生型型菌菌株株（突突变变）突突变变型型菌菌株株（回回复复突突变变）与与野野生生型型菌株表型相同（基因型不一定相同）菌株表型相同（基因型不一定相同）第四十页，共四十七页。影印影印(yngyn)(yngyn)培养试验示意图培养试验示意图自发自发自发自发(zf)(zf)的，随机的，的，随机的，的，随机的，的，随机的，非诱导的药物仅起选择非诱导的药物仅起选择非诱导的药物仅起选择非诱导的药物仅起选择作用作用作用作用第四十一页，共四十七页。二、突变的类型和机制：二、突变的类型和机制：（1）碱基置换：碱基置换：转转换换：嘌嘌呤呤(piolng)(piolng)间间（AG），嘧嘧啶啶间间（TC）颠换：颠换：嘌呤嘧啶间（嘌呤嘧啶间（AT，CG）（2）碱基的插入或缺失：碱基的插入或缺失：致密码子错误致密码子错误（3）转位因子的插入：）转位因子的插入：第四十二页，共四十七页。诊断困难诊断困难 H HO O变变异：如伤寒沙门菌鞭毛异：如伤寒沙门菌鞭毛 S SR R变异：消失荚膜或多糖变异：消失荚膜或多糖 抗原性改变抗原性改变 毒毒力力下下降降，生生化化(shn(shn(shn(shn hu)hu)hu)hu)反反应应改变改变治疗困难：耐药治疗困难：耐药 预防：预防：BCGBCG第五节第五节 细菌细菌(xjn)(xjn)遗传变异遗传变异在医学上的意义在医学上的意义 第四十三页，共四十七页。Ames试验试验(shyn)(shyn)(shyn)(shyn)：第四十四页，共四十七页。基因工程基因工程(jyn gngchng)(jyn gngchng)(jyn gngchng)(jyn gngchng)l l载体：质粒，噬菌体载体：质粒，噬菌体l l工工程程菌菌和和酶酶：限限制制性性内内切酶，连接酶切酶，连接酶l l选选择择目目的的基基因因，细细菌菌(xjn)(xjn)(xjn)(xjn)中中表表达达，如如胰胰岛岛素素、白白介介素素、干干扰扰素素等等l l基因工程疫苗基因工程疫苗基因工程疫苗基因工程疫苗第四十五页，共四十七页。思思 考考 题题常见细菌遗传变异的现象有哪些？常见细菌遗传变异的现象有哪些？细菌基因转移与重组：转化、接合、转细菌基因转移与重组：转化、接合、转导、溶原性转换、原生质体融合的概念导、溶原性转换、原生质体融合的概念及异同。及异同。细菌变异在医学细菌变异在医学(yxu)(yxu)(yxu)(yxu)上的意义？上的意义？第四十六页，共四十七页。内容(nirng)总结第5章 细菌的遗传变异。胆汁-甘油-马铃薯培养。鼠疫耶尔森氏菌含36NaCl琼脂培养多形态性（衰退型）。荚膜变异：肺炎链球菌荚膜体外长期(chngq)培养失去荚膜。鞭毛（HO）变异：变形杆菌含10的培养基上生长失去鞭毛。转移：F质粒进入F菌，1分钟完成。（2）耐药决定因子：耐药。噬菌体DNA及供体菌DNA的特定部位。颠换：嘌呤嘧啶间（AT，CG）。工程菌和酶：限制性内切酶，连接酶第四十七页，共四十七页。