第5章 细菌的遗传与变异.ppt

第五章第五章 细菌的遗传与变异细菌的遗传与变异遗传遗传(heredity)：使微生物的性状保持相对稳定，使微生物的性状保持相对稳定，子代与亲代生物学的性状基本相同子代与亲代生物学的性状基本相同,且代代相传。且代代相传。变异变异(variation)：在一定条件下，子代与亲代之在一定条件下，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间以及子代与子代之间的生物学性状出现的差异,有利于物种的进化。有利于物种的进化。基因型基因型(genotype):细菌的遗传物质细菌的遗传物质.表型表型(phenotype):基因表现出的各种性状基因表现出的各种性状.细菌的变异细菌的变异 遗传性变异遗传性变异：是基因结构发生了改变，故又称：是基因结构发生了改变，故又称 基因型变异。基因型变异。常发生于个别的细菌，不受环境因常发生于个别的细菌，不受环境因素的影响，变异发生后是不可逆的，产生的新性素的影响，变异发生后是不可逆的，产生的新性状可稳定地遗传给后代。状可稳定地遗传给后代。非遗传性变异：非遗传性变异：在一定的环境条件影响下产生在一定的环境条件影响下产生的变异，其基因结构未改变，称为的变异，其基因结构未改变，称为表型变异表型变异。易。易受到环境因素的影响，凡在此环境因素作用下的受到环境因素的影响，凡在此环境因素作用下的所有微生物都出现变异，而且当环境中的影响因所有微生物都出现变异，而且当环境中的影响因素去除后，变异的性状又可复原，表型变异不能素去除后，变异的性状又可复原，表型变异不能遗传遗传(L型型)。第一节第一节 细菌的遗传物质细菌的遗传物质染色体染色体质粒质粒转座因子转座因子整合子整合子噬菌体噬菌体（一（一）染色体）染色体（chromosome）n一条环状双螺旋一条环状双螺旋DNA长链，按一定构型反复长链，按一定构型反复回旋形成松散的网状结构回旋形成松散的网状结构.n缺乏组蛋白，无核膜包裹缺乏组蛋白，无核膜包裹.n约含有约含有5000个基因个基因.http:/www.sciencecollege.co.uk/SC/cell_biology.htmlv质粒质粒(plasmid)：是细是细菌染色体以外的遗传菌染色体以外的遗传物质，是闭合环状的物质，是闭合环状的双链双链DNA。（二）（二）质粒质粒质粒具有自我复制的能力。质粒具有自我复制的能力。质粒质粒DNA所编码的基因产物赋予细菌某所编码的基因产物赋予细菌某些性状特征。些性状特征。质粒可自行丢失与消除。质粒可自行丢失与消除。质粒的转移性。质粒的转移性。质粒可分为相容性与不相容性两种。质粒可分为相容性与不相容性两种。质粒质粒DNA的特征的特征质粒的分类：质粒的分类：n根据质粒能否通过细菌的接合作用进行传递根据质粒能否通过细菌的接合作用进行传递 1接合性质粒接合性质粒 2非接合性质粒非接合性质粒n根据相容性根据相容性 1相容性相容性几种质粒同时共存于同一菌体内几种质粒同时共存于同一菌体内 2不相容性不相容性不能同时共存不能同时共存 可借此对质粒进行分组、分群可借此对质粒进行分组、分群根据所编码的生物学性状根据所编码的生物学性状,分为分为:n致育质粒（致育质粒（fertility plasmid、F质粒）质粒）编码性菌毛，编码性菌毛，介导细菌之间的接合传递；介导细菌之间的接合传递；n耐药性质粒（耐药性质粒（resistance plasmid、R质粒）质粒）编编码细菌对抗菌药物或重金属盐类的耐药性。分两类，码细菌对抗菌药物或重金属盐类的耐药性。分两类，一是接合性耐药质粒（一是接合性耐药质粒（R质粒），另一是非接合耐质粒），另一是非接合耐药性质粒（药性质粒（r质粒质粒)；n毒力质粒（毒力质粒（Virulence plasmid,Vi质粒）质粒）编码与编码与该菌致病性有关的毒力因子该菌致病性有关的毒力因子,S.aureus的表皮剥脱素；的表皮剥脱素；n细菌素质粒细菌素质粒 编码细菌产生的细菌素；编码细菌产生的细菌素；n代谢质粒代谢质粒 编码产生相关的代谢酶。编码产生相关的代谢酶。转座子（转座子（transposon)：是一类在细是一类在细菌染色体、质粒或噬菌体之间可自行移动菌染色体、质粒或噬菌体之间可自行移动的的DNA序列序列.不同于质粒不同于质粒,转座子不能自转座子不能自我复制我复制.转座子有二类转座子有二类：插入序列插入序列(insertion sequence,IS)：最小，不最小，不超过超过2kb,只携带与转座功能有关的基因。只携带与转座功能有关的基因。转座子转座子(transposon,Tn)：长度一般超过长度一般超过2kb，除携带与转位有关的基因外还携带其他基因（如耐除携带与转位有关的基因外还携带其他基因（如耐药性、毒素基因等）药性、毒素基因等）.整合子（整合子（integron）：）：定位定位:细菌染色体、质粒或转座子上细菌染色体、质粒或转座子上.基本结构基本结构：两端为保守末端两端为保守末端(attI,59-be)，中间，中间为可变区为可变区(orf 1)，含一个或多个基因盒，含一个或多个基因盒.功能元件功能元件：重组位点：重组位点(attI,59-be)；整合酶基因；整合酶基因(intI)；启动子；启动子(Pc).功能功能:通过转座子或接合性质粒，使多种耐药基通过转座子或接合性质粒，使多种耐药基因在细菌中进行水平传播因在细菌中进行水平传播.基因转移基因转移(gene transfer)：外源性的遗传物质外源性的遗传物质由供体菌进入某受体菌细胞内的过程。由供体菌进入某受体菌细胞内的过程。基因重组基因重组(recombination)：转移的基因与受转移的基因与受体菌体菌DNA整合在一起，使受体菌获得供体菌某整合在一起，使受体菌获得供体菌某些特性。些特性。细菌的基因转移和重组方式：细菌的基因转移和重组方式：转化、转导、接转化、转导、接合、溶原性转换、原生质体融合。合、溶原性转换、原生质体融合。第三节第三节 基因的转移与重组基因的转移与重组General recombination(重组重组).Donor DNA is shown in red and recipient DNA in blue.From:University of South Carolina 1.转化转化(transformation):受体菌直接摄取供体菌受体菌直接摄取供体菌游离的游离的DNA片段获得新的性状的过程。片段获得新的性状的过程。2.接合接合(conjugation)接合：接合：是细菌通过性菌是细菌通过性菌毛相互连接沟通，将遗毛相互连接沟通，将遗传物质（主要是质粒传物质（主要是质粒DNA）从供体菌转移给从供体菌转移给受体菌。能通过结合方受体菌。能通过结合方式转移的质粒称为接合式转移的质粒称为接合性质粒性质粒(F质粒质粒,R质粒质粒)，不能通过性菌毛在细菌不能通过性菌毛在细菌间转移的质粒为非接合间转移的质粒为非接合性质粒。性质粒。F+即即F质粒，编码性菌毛，称雄性菌质粒，编码性菌毛，称雄性菌.Mechanism of F+x F-crosses.From:University of South Carolina F+F-F+F-F+F+F+F+nHfr(high frequency recombination)F质粒整合到细菌质粒整合到细菌染色体上，该菌称高频重组菌染色体上，该菌称高频重组菌.From:University of South CarolinaF+Hfr该细菌该细菌(Hfr)能使受体细菌高频地重组外源基因能使受体细菌高频地重组外源基因到染色体上到染色体上,从而提高染色体基因的转移从而提高染色体基因的转移.Mechanism of Hfr x F-crosses When DNA transfer begins,the Hfr cell tries to transfer the entire bacterial chromosome to the F-cell.The first DNA to be transferred is chromosomal DNA,and the last DNA to be transferred will be the F factor DNA.Transfer of the bacterial chromosome is almost never complete.From:University of South Carolina HfrF-HfrF-HfrF-HfrF-nFHfr菌中的菌中的F质粒可从染色体上脱离下质粒可从染色体上脱离下来，并带染色体上几个邻近的基因，故称来，并带染色体上几个邻近的基因，故称F质质粒粒.二者均有性菌毛，均可发生接合。二者均有性菌毛，均可发生接合。From:University of South CarolinaHfrFFFFFFF-FF-Cross of F X F-.The F-becomes F,the F remains F 细菌的耐药性与细菌的耐药性与染色体染色体基因突变及基因突变及R质粒的接合转质粒的接合转移等有关。移等有关。R质粒有耐药传递因子质粒有耐药传递因子(resistance transfer factor,RTF)和耐药决定子和耐药决定子(resistance determinant,r)两部分组成。两部分组成。RTF的功能与的功能与F质粒质粒相似，可编码性菌毛和通过接合转移；相似，可编码性菌毛和通过接合转移；r决定子能决定子能编码抗生素的耐药基因。编码抗生素的耐药基因。R质粒的接合质粒的接合转导：转导：是以噬菌体为载体，将供体菌的一是以噬菌体为载体，将供体菌的一段段DNA转移到受体菌内，使受体菌获得新转移到受体菌内，使受体菌获得新的性状。的性状。根据转导基因片段的范围，可将转导分为根据转导基因片段的范围，可将转导分为两类：两类：普遍性转导普遍性转导（转导的（转导的DNA可是供菌可是供菌染色体上的任何部分）、染色体上的任何部分）、局限性转导局限性转导（转（转导的导的DNA只限供菌染色体上的特定基因）。只限供菌染色体上的特定基因）。3.转导转导(transduction)普遍性转导普遍性转导(generalized transduction)转导的转导的DNA可是供体菌染色体上的任何部分可是供体菌染色体上的任何部分The mechanism of generalized transduction From:Dr.Buckhaults 局限性转导局限性转导(restricted transduction)转导的转导的DNA只限供体菌染色体上的特定基因只限供体菌染色体上的特定基因The mechanism of specialized transduction From:Dr.Buckhaults galbiogalbiogalbiogalbiobiogal5.原生质体融合原生质体融合(protoplast fusion)G+菌形成原生质体后，在聚乙二醇菌形成原生质体后，在聚乙二醇（PEG）作用下，可使两种不同的细菌细胞）作用下，可使两种不同的细菌细胞发生融合的过程。发生融合的过程。融合后形成双倍体细胞，可短期生存，染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。色体重组，获得多种不同表型的重组融合体。第四节第四节 基因突变基因突变 一一 基因突变规律基因突变规律:n突变可以自然发生为突变可以自然发生为:自发突变自发突变.具自发具自发性性,随机性随机性.n人工诱导产生的突变为人工诱导产生的突变为诱发突变诱发突变,可提高可提高突变率突变率.彷徨试验彷徨试验(fluctuation test,(fluctuation test,波动波动试验试验)：随机的、非：随机的、非定向的突变是在接触噬菌体之前就已发生，噬菌体对突定向的突变是在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。增殖增殖影印试验影印试验(replica plating):耐药突变株在接触药物之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，淘汰敏感株前出现，药物的作用是选择耐药株，淘汰敏感株n野生型野生型(wild type):未发生突变的菌株未发生突变的菌株.n突变型突变型(mutant type):相对于野生型相对于野生型,某一某一性状发生改变的菌株性状发生改变的菌株.n回复突变回复突变(reverse mutation):有时突变株有时突变株经过又一次突变可恢复为野生型的性状经过又一次突变可恢复为野生型的性状.第五节第五节 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影响细菌学诊断影响细菌学诊断:(形态形态,抗原性等抗原性等)变形杆菌变形杆菌(Proteus)鞭毛鞭毛变异变异,H-O变变异异写真提供：島田俊雄博士荚膜变异荚膜变异 http:/fig.cox.miami.edu/cmallery/150/gene/mol_gen.htmv耐药性变异：耐药性变异：细菌对某种抗菌药物由敏感变为细菌对某种抗菌药物由敏感变为耐药的变异。有些细菌还表现为同时耐受多种耐药的变异。有些细菌还表现为同时耐受多种抗菌药物，即多重耐药性。抗菌药物，即多重耐药性。v从抗生素广泛应用以来，细菌对抗生素耐药的从抗生素广泛应用以来，细菌对抗生素耐药的不断增长是世界范围内的普遍趋势，给临床治不断增长是世界范围内的普遍趋势，给临床治疗带来很大的困难，并成为当今医学上的重要疗带来很大的困难，并成为当今医学上的重要问题。问题。耐药性变异耐药性变异毒力增强：毒力增强：无毒力的白喉棒状杆菌常寄居在咽无毒力的白喉棒状杆菌常寄居在咽喉部，不致病；当感染了喉部，不致病；当感染了-棒状噬菌体后变成棒状噬菌体后变成溶原性细菌，则获得产生白喉毒素的能力，引溶原性细菌，则获得产生白喉毒素的能力，引起白喉。起白喉。毒力减弱：毒力减弱：有毒菌株长期在人工培养基上传代有毒菌株长期在人工培养基上传代培养，可使细菌的毒力减弱或消失。卡介苗培养，可使细菌的毒力减弱或消失。卡介苗(BCG)是卡介二氏将强毒的牛型结核分枝杆菌在是卡介二氏将强毒的牛型结核分枝杆菌在含有胆汁、甘油、马铃薯培养基上，经过含有胆汁、甘油、马铃薯培养基上，经过13年，年，连续传连续传230代，获得的一株毒力减弱但仍保持代，获得的一株毒力减弱但仍保持免疫原性的变异株。免疫原性的变异株。毒力变异毒力变异检测致癌物质检测致癌物质Ames试验原理:突变菌在诱变剂的作用下可能会发生回复突变而恢复其原有性状.