第四章：细菌的遗传和变异课件.ppt

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1、细菌的遗传和变异细菌的遗传和变异遗传遗传(heredity)：使细菌的性状保持相对稳定，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。且代代相传，使其种属得以保存。变异变异(variation)：在一定条件下，子代与亲在一定条件下，子代与亲代之间以及子代与子代之间的生物学性状出现代之间以及子代与子代之间的生物学性状出现的差异。的差异。遗传性变异（基因型变异）：是基因结构发生了改遗传性变异（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变，特点是不可逆的，产生的新的性状可稳定的遗传给后代。给后代。非遗传性变异（表型变异）：是影响因素去除后，非遗传性变异（

2、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。变异的性状又可复原，不可遗传。遗传性变异遗传性变异非遗传性变异非遗传性变异基因改变基因改变+-遗传遗传+-可逆性可逆性-+外界环境外界环境-+变异幅度变异幅度个别细胞个别细胞群体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%3-6%食盐食盐鼠疫耶氏菌鼠疫耶氏菌多形态性多形态性陈旧培基物陈旧培基物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部分或完全失去胞壁)特殊结构的变异42-4342-43炭疽杆菌炭疽杆菌失去形成芽胞能力失去形成芽胞能力,毒性降低毒性降低10-201

3、0-20天天变形杆菌变形杆菌0.1%0.1%石炭酸石炭酸迁徙生长（迁徙生长（H H）点状生长、单个菌落（点状生长、单个菌落（OO）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、马铃薯培养基胆汁、甘油、马铃薯培养基牛分枝杆菌卡介苗1313年年(230(230代代)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在陈旧培养基中长期培养光滑型菌落粗糙型菌落SR原因：失去L

4、PS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 质粒质粒 噬菌体噬菌体 转位因子转位因子细菌的遗传物质是细菌的遗传物质是DNA（一（一）染色体）染色体（chromosome）一条环状双螺旋一条环状双螺旋DNA长链，按一定构型反长链，按一定构型反复回旋形成松散的网状结构；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；附着在横隔中介体上或细胞膜上；缺乏组蛋白，无核膜包裹；缺乏组蛋白，无核膜包裹；约含有约含有4000-5000个基因；个基因；双向复制，全过程约双向复制，全过程约20min。（二）质粒（二）质粒（plasmid）细菌染色体外的遗传物质，是环状闭合细菌染色

5、体外的遗传物质，是环状闭合的双链的双链DNADNA。带有遗传性息，能自行复带有遗传性息，能自行复制，随细菌分裂转移到子代细胞，并非制，随细菌分裂转移到子代细胞，并非细菌生长所必需。细菌生长所必需。特征特征 自我复制能力自我复制能力 编码产物赋予细菌某些性状特征编码产物赋予细菌某些性状特征 可自行丢失与人工消除可自行丢失与人工消除 转移性（转移性（接合接合、转化或转导）、转化或转导）相容性和不相容性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（致育质粒（F F质粒）质粒）耐药质粒（耐药质粒（R R质粒）质粒）毒力质粒（毒力质粒（ViVi质粒）质粒）细菌素质粒（细菌素质粒（COLCO

6、L质粒）质粒）代谢质粒代谢质粒概念：概念：噬菌体（噬菌体（bacteriophage，phage）是感染细菌、真菌、放线菌或螺旋是感染细菌、真菌、放线菌或螺旋 体等微生物的病毒。体等微生物的病毒。特征：特征：1.个体微小，可通过滤菌器；个体微小，可通过滤菌器；2.没有完整的细胞结构；没有完整的细胞结构；3.专性细胞内寄生，复制增殖。专性细胞内寄生，复制增殖。分布：分布：广泛。广泛。（三）噬菌体（三）噬菌体生物学特性形态与结构形态与结构 蝌蚪形、微球形和丝形蝌蚪形、微球形和丝形化学组成化学组成 蛋白质与核酸蛋白质与核酸抗原性抗原性抵抗力抵抗力头部：内含DNA/RNA尾部：包括中空尾管、尾鞘、尾丝

7、、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（virulentphage）能在宿主菌细胞内复制增殖，产生许多子代噬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，称为毒性噬菌体菌体，并最终裂解细菌，称为毒性噬菌体温和噬菌体（temperatephage）/溶原性噬菌体（lysogenicphage）噬菌体基因与宿主菌染色体整合，不产生子代噬菌体基因与宿主菌染色体整合，不产生子代噬菌体，但噬菌体噬菌体，但噬菌体DNADNA能随细菌能随细菌DNADNA复制，并复制，并随细菌的分裂而传代随细菌

8、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（lysogenicbacterium）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，可用于未知细噬菌体与宿主菌的关系有高度特异性，可用于未知细噬菌体与宿主菌的关系有高度特异性，可用于未知细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

9、定和分型。如应用伤寒沙门菌菌的鉴定和分型。如应用伤寒沙门菌菌的鉴定和分型。如应用伤寒沙门菌菌的鉴定和分型。如应用伤寒沙门菌ViVi噬菌体可将有噬菌体可将有噬菌体可将有噬菌体可将有ViVi抗原的伤寒沙门菌分成抗原的伤寒沙门菌分成抗原的伤寒沙门菌分成抗原的伤寒沙门菌分成9696个噬菌体型。个噬菌体型。个噬菌体型。个噬菌体型。分子生物学研究的重要工具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，噬菌体基因数量少，结构比细菌和高等细胞简单得多，噬菌体基因数量少，结构比细菌和高等细胞简单得多，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。而且容易获

10、得大量的突变体。而且容易获得大量的突变体。而且容易获得大量的突变体。细菌感染的诊断与治疗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。应用噬菌体效价增长试验可检测标本中的相应细菌。应用噬菌体效价增长试验可检测标本中的相应细菌。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，加入一定数量的已在怀疑有某种细菌存在的标本中，加入一定数量的已在怀疑有某种细菌存在的标本中，加入一定数量的已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，知噬菌体，知噬菌体，知噬菌体，3737孵育孵育孵育孵育68h68h，再测定该噬菌体的效价。，再测定该噬菌体的效价

11、。，再测定该噬菌体的效价。，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。辅助治疗，如应用铜绿假单胞菌噬菌体治疗创口感染。辅助治疗，如应用铜绿假单胞菌噬菌体治疗创口感染。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是存在于细菌染色体或质粒DNADNA分子上的分子上的一段特一段特一段特一段特异性核苷酸序列片段异性核苷酸序列片段异性核苷酸序列片段异性核苷酸序列片段，它能在，它能在DNADNA分子中移动，分子中移动，不断改变它们在基因组的位置，能从一个基因组不断改变它们在基因组的位置，能从一

12、个基因组转移到另一个基因组中。转移到另一个基因组中。意义：改变遗传物质的核苷酸序列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）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直接插入一段新序列，造成基因的转移和重组插入序列（插入序列（insertioninsertionsequence,ISsequence,IS）是最小的转位因子，2kb，不携带任何已知与插入功能无关的基因区域转座子（transposon,Tn）2kb，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转座噬菌体

13、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。上，能改变溶原性细菌的某些生物学性状。IS ISResistance Gene(s)Tn转座子的特征转座子转座子携带耐药或毒素基因携带耐药或毒素基因Tn1Tn2Tn3Tn1Tn2Tn3APAP（氨苄青霉素）（氨苄青霉素）Tn4Tn4APAP、SMSM（链霉素）、（链霉素）、SuSu（磺胺）（磺胺）Tn5Tn5KmKm（卡那霉素）（卡那霉素）Tn6Tn6KmKmTn7Tn7TMPTMP（甲氧苄氨嘧啶）、（甲氧苄氨嘧啶）、SMSMTn9Tn9Cm

14、Cm（氯霉素）（氯霉素）Tn10Tn10TcTc（四环素）（四环素）tn551tn551EmEm（红霉素）（红霉素）Tn971Tn971EmEmTn1681Tn1681大肠埃希菌（肠毒素基因）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突变突变突变(mutation)mutation)：是细菌遗传物质的结构发生是细菌遗传物质的结构发生是细菌遗传物质的结构发生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突然而稳定的改变，导致细菌性状的遗传性变突然而稳定的改变，导致细菌性状的遗传性变突然而稳定的改变，导致细菌性状的遗传性变异。异。异。异。发生发生发生发生

15、 表现型表现型表现型表现型（一）（一）.突变突变自发突变（自发突变（spontaneous mutation)突变率低突变率低10-1010-6诱发突变（诱发突变（induced mutation)提高提高10-610-4野生株（野生株（wild strain)没有发生突变的菌细胞没有发生突变的菌细胞突变株（突变株（mutant strain)突变后的菌细胞突变后的菌细胞基因突变规律基因突变规律随机发生，不定向；随机发生，不定向；随机发生，不定向；随机发生，不定向；突变与选择突变与选择突变与选择突变与选择 突变是随机的、不定向的，外界环境突变是随机的、不定向的，外界环境不能决定突变，只能对突变

16、进行选择。不能决定突变，只能对突变进行选择。以耐药突变体为例以耐药突变体为例以耐药突变体为例以耐药突变体为例 实验：影印试验实验：影印试验实验：影印试验实验：影印试验 说明：耐药突变株在接触药物之前出现，药物的作说明：耐药突变株在接触药物之前出现，药物的作说明：耐药突变株在接触药物之前出现，药物的作说明：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，淘汰敏感株用是选择耐药株，淘汰敏感株用是选择耐药株，淘汰敏感株用是选择耐药株，淘汰敏感株 结论：细菌基因突变产生耐药性，与抗生素的使用结论：细菌基因突变产生耐药性，与抗生素的使用结论：细菌基因突变产生耐药性，与抗生素的使用结论：细菌基因突变

17、产生耐药性，与抗生素的使用无关无关无关无关具有相对稳定性；具有相对稳定性；具有相对稳定性；具有相对稳定性；可发生回复突变可发生回复突变可发生回复突变可发生回复突变突变与选择证明实验影印培养replicaplating(Lederberg1952)(Lederberg1952)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（genetransfer）外源性的遗传物质由外源性的遗传物质由供体菌供体菌转入某转入某受体菌受体菌细胞的细胞的过程称为基因转移。过程称为基因

18、转移。重组（recombination）转移的基因与受体菌转移的基因与受体菌DNADNA整合在一起称为重组，整合在一起称为重组，使受体菌获得供体菌的某些性状。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转化、接合接合、转导转导、溶原性转换溶原性转换和原生质体融合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（transformingprinciple）在转化过程中，在转化过程中，转化的转化的DNADNA片段片段称为转化因子称为转化因子，分子量小于分子量小于10107 7，最多不超过最

19、多不超过10201020个基因。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+DonorRecipientF+F+F+Hfr高频重组菌（highfrequencyrecombinationhighfrequencyrecombination）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。HfrF-HfrF-Hfr

20、F-HfrF-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。FFFFFF-FF-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。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健康人中大肠埃希菌30%50%30%50%有有R R质粒，而致质粒，而致病性大肠埃希菌病性大肠埃希菌90%90%有有R R质粒。质粒。与多重耐药性有关。耐药质粒从一个细菌转移与多重耐药性有关。耐药质粒从一个细菌转移到另一个细菌中。到另一个细菌中。R质粒耐药传递因

21、子（耐药传递因子（resistancetransferresistancetransferfactor,RTFfactor,RTF）与与F F质粒相似，编码性菌毛的产生和通过接合转移质粒相似，编码性菌毛的产生和通过接合转移耐药（耐药（r r）决定子）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（普遍性转导（generalizedtransductiongeneralizedtransduction）局限性转导（局限性转导（restrictedtransductionrestrictedtransduction）普

22、遍性转导generalizedtransduction前噬菌体从溶原菌染色体上脱离，进行增殖，在裂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，噬菌体的解期的后期，噬菌体的DNADNA已大量复制，装配时可已大量复制，装配时可能会发生装配错误，能会发生装配错误，误将细菌的误将细菌的DNADNA片段装入噬菌片段装入噬菌体的头部，成为一个转导噬菌体。体的头部，成为一个转导噬菌体。转导噬菌体能以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。入受体菌内。被包装的被包装的DNADNA可以是供体菌染色体上的任何部分。可以是供体菌染

23、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restrictedtransduction或称特异性转导，或称特异性转导，所转导的所转导的只限于供体菌染色体上特定的只限于供体菌染色体上特定的基因。基因。溶原期时，噬菌体溶原期时，噬菌体DNADNA整合在整合在细菌染色体特定部位，噬菌体细菌染色体特定部位，噬菌体DNADNA发生偏差分离，将自身的发生偏差分离，将自身的一段一段DNADNA留在细菌染色体上，留在细菌染色体上，而带走了细菌而带走了细菌DNADNA上两侧的基上两侧的基因。当其转导并整合到受体菌因。当其转导并整合到受体菌中，使受体菌获

24、得供体菌的某中，使受体菌获得供体菌的某些遗传性状。所转导的只限于些遗传性状。所转导的只限于供体菌上个别的基因。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DNADNA任何部位或质粒任何部位或质粒噬菌体噬菌体DNADNA及供体及供体菌菌DNADNA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

25、全转导或流产转导导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1010-7-7转导频率较普遍转转导频率较普遍转导增加导增加10001000倍倍(10(10-4 4)溶原性转换（lysogenicconversion）当噬菌体感染细菌时，宿主菌染色体中获得了噬当噬菌体感染细菌时，宿主菌染色体中获得了噬菌体的菌体的DNADNA片段，使其成为溶原状态时而致细菌片段，使其成为溶原状态时而致细菌获得新的性状获得新的性状。白喉棒状杆菌、白喉棒状杆菌、A A群链球菌、肉毒梭菌、产气荚膜梭菌、群链球菌、肉毒梭菌、产气荚膜梭菌、

26、霍乱弧菌霍乱弧菌基因来源基因来源转移方式转移方式转化转化供体菌供体菌直接摄取直接摄取接合接合供体菌供体菌性菌毛性菌毛转导转导供体菌供体菌噬菌体为载体噬菌体为载体溶原性转换溶原性转换噬菌体噬菌体整合整合原生质体融合protoplastfusion 概念：概念：将二种经处理后失去细胞壁的细菌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（称为原生质体）进行融合，获得的新的细菌个体。菌个体。原生原生质质体融合体融合是一种有价值的实验是一种有价值的实验手段。手段。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发）作用下，可使两

27、种不同的细菌细胞发生融合的过程。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。人为实验基因转移与重组。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

28、突变的物质都有可能是致癌物质。Ames实验伤寒沙门菌（伤寒沙门菌（hishis-）（hishis+）诱变剂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（质粒指纹图（PFPPFP）研究流行菌株的同源性，检测对噬菌体的敏感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切取目的基因连接到载体上连接到载体上转移到工程菌转移到工程菌内，大量表达目的基因产物内，大量表达目的基因产物目前已大量生产胰岛素、干扰素、多种生长激目前已大量

29、生产胰岛素、干扰素、多种生长激素、素、rIL-2rIL-2等细胞因子和乙肝疫苗等生物制品等细胞因子和乙肝疫苗等生物制品复习思考题：复习思考题：复习思考题：复习思考题：1.1.试述质粒试述质粒试述质粒试述质粒DNADNA的特征？的特征？的特征？的特征？2.2.试比较普遍性转导与局限性转导的区别？试比较普遍性转导与局限性转导的区别？试比较普遍性转导与局限性转导的区别？试比较普遍性转导与局限性转导的区别？3.3.试述细菌遗传变异的机制？试述细菌遗传变异的机制？试述细菌遗传变异的机制？试述细菌遗传变异的机制？4.4.试解释变异、转位因子、基因转移、接合、转化、试解释变异、转位因子、基因转移、接合、转化、试解释变异、转位因子、基因转移、接合、转化、试解释变异、转位因子、基因转移、接合、转化、转导、转导、转导、转导、溶原性转换溶原性转换概念。概念。概念。概念。5.5.细菌遗传变异的物质基础细菌遗传变异的物质基础细菌遗传变异的物质基础细菌遗传变异的物质基础6.6.毒性噬菌体的增殖周期及其噬菌现象和温和噬菌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。体的溶原性及溶菌性周期，溶原性转换。