细菌遗传与变异2011.pptx

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1、遗传与变异遗传与变异 u遗传遗传(heredity)：微生物的性状保持相对稳定，亲代与子代基本：微生物的性状保持相对稳定，亲代与子代基本相同，且代代相传。相同，且代代相传。u变异变异(variation)：在一定条件下，子代与亲代之间以及子代与子：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。代之间的生物学性状出现的差异。u基因型基因型(genotype)：指构成生物遗传基础的基因组成。它决定着：指构成生物遗传基础的基因组成。它决定着生物的遗传特性。生物的遗传特性。u表型表型(phenotype)：在一定条件下，特定基因实际表现出来的各：在一定条件下，特定基因实际表现出

2、来的各种性状。种性状。u基因型变异基因型变异(genotypicvariation)：基因结构发生改变。：基因结构发生改变。遗传性遗传性变异变异。u表型变异表型变异(phenotypicvariation)：细菌在一定的环境条件影响下：细菌在一定的环境条件影响下产生的变异，其基因结构未改变。产生的变异，其基因结构未改变。非遗传性变异非遗传性变异。第1页/共52页细菌的变异现象细菌的变异现象形态结构的变异形态结构的变异菌落变异菌落变异(S-R)毒力变异毒力变异(强强弱弱)耐药性变异耐药性变异(敏感敏感耐药耐药)第2页/共52页1.形态结构的变异形态结构的变异正常形态细菌正常形态细菌细菌细菌L型型

3、H-O变异：变异：鞭毛脱落，动力消失鞭毛脱落，动力消失青霉素、溶菌酶青霉素、溶菌酶第3页/共52页2.毒力变异毒力变异增强增强棒状噬菌体棒状噬菌体白喉棒状杆菌白喉棒状杆菌产生白喉毒素产生白喉毒素减弱减弱胆汁、甘油、马铃薯培养基胆汁、甘油、马铃薯培养基牛型结核分枝杆菌牛型结核分枝杆菌卡介苗卡介苗13年年(230代代)第4页/共52页3.菌落变异菌落变异S-R变异变异S(smooth)菌落菌落R(rough)菌落菌落第5页/共52页4.4.耐药性变异耐药性变异 耐药性变异耐药性变异：细菌对某种抗菌药物由敏感变为耐药：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抗菌药物，的变

4、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。即多重耐药性。第6页/共52页第一节第一节 细菌的遗传物细菌的遗传物质质 染色体染色体染色体以外的遗传物质染色体以外的遗传物质质粒质粒转座因子转座因子噬菌体基因组噬菌体基因组第7页/共52页1.细菌的染色体细菌的染色体仅由一条环状双链仅由一条环状双链DNA分子组成，聚集形成一个分子组成，聚集形成一个较为致密的区域称为类核较为致密的区域称为类核(nucleoid)；相对较小，只有一个复制起始位点；相对较小，只有一个复制起始位点；具有操纵子结构，由结构基因和调控序列组成；具有操纵子结构，由结构基因和调控序列组成；基因连续，结构基因中不含内含子

5、；基因连续，结构基因中不含内含子；结构基因在基因组中所占的比例远远大于真核生结构基因在基因组中所占的比例远远大于真核生物基因组，但小于病毒基因组；物基因组，但小于病毒基因组；结构基因多为单拷贝基因。结构基因多为单拷贝基因。第8页/共52页2.质粒质粒(plasmid)细菌染色体以外的遗传物质，是环状闭合的双链细菌染色体以外的遗传物质，是环状闭合的双链DNA；具有自我复制的能力；具有自我复制的能力；编码细菌某些性状特征；编码细菌某些性状特征；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；相容性与不相容性。相容性与不相容性。第9页/共52页根据编码的生物学性状进行分根据编码的

6、生物学性状进行分类类致育质粒致育质粒（fertilityplasmid,F质粒）质粒）编码性菌毛，介导细菌之间编码性菌毛，介导细菌之间的接合传递；的接合传递；耐药性质粒耐药性质粒（resistanceplasmid,R质粒）质粒）编码细菌对抗菌药物编码细菌对抗菌药物或重金属盐类的耐药性。或重金属盐类的耐药性。接合性耐药质粒（接合性耐药质粒（R质粒）质粒）非接合耐药性质粒（非接合耐药性质粒（r质粒质粒)毒力质粒毒力质粒(virulenceplasmid,Vi质粒）质粒）编码与该菌致病性有关编码与该菌致病性有关的毒力因子；的毒力因子；细菌素质粒细菌素质粒编码产生细菌素；编码产生细菌素；代谢质粒代谢

7、质粒编码产生相关的代谢酶。编码产生相关的代谢酶。第10页/共52页3.转座因子转座因子(transposableelement)细菌基因组中能改变自身位置的一段细菌基因组中能改变自身位置的一段DNA序序列，这种转移可发生在细菌染色体、质粒之间。列，这种转移可发生在细菌染色体、质粒之间。插入序列插入序列转座子转座子第11页/共52页转座因子是基因组的正常组成成分，转座因子是基因组的正常组成成分，不以独立的形不以独立的形式存在式存在（如噬菌体或质粒（如噬菌体或质粒DNA）。转座的发生）。转座的发生不依不依赖于转座子和靶位点之间任何的序列同源性赖于转座子和靶位点之间任何的序列同源性，在基，在基因组内

8、由一个部位直接转移到另一个部位。因组内由一个部位直接转移到另一个部位。转座以转座以很低的频率很低的频率发生，而且转座子的插入是发生，而且转座子的插入是随机随机的的。转座因子有时插入到一个结构基因或基因调节序列转座因子有时插入到一个结构基因或基因调节序列内，内，引起基因表达的改变引起基因表达的改变。第12页/共52页插入序列插入序列(insertionsequence,IS)最简单的转座因子，不超过最简单的转座因子，不超过2kb；两端有反向重复序列；两端有反向重复序列；只携带转座酶只携带转座酶（transposase）基因，而不带有任何使基因，而不带有任何使细菌表现性状的基因。细菌表现性状的基因

9、。第13页/共52页转座子转座子(transposon,Tn)除了具有与转座有关的功能外，还携带药物抗除了具有与转座有关的功能外，还携带药物抗性（或其他）标志。性（或其他）标志。长度一般超过长度一般超过2kb，中心区携带药物抗性标志，两侧为由中心区携带药物抗性标志，两侧为由IS元件组元件组成的臂。成的臂。第14页/共52页转座发生的机制转座发生的机制转座因子插入到一个新的部位的通常转座因子插入到一个新的部位的通常步骤是：在靶步骤是：在靶DNADNA上制造一个交错的切上制造一个交错的切口，然后转座因子与突出的单链末端口，然后转座因子与突出的单链末端相连接，并填充切口。相连接，并填充切口。转座的结

10、果是靶部位序列形成了转座的结果是靶部位序列形成了两个两个正向重复序列正向重复序列。链的切口之间的交错。链的切口之间的交错决定了正向重复的长度。决定了正向重复的长度。反向重复序列标明了转座因子的末端。反向重复序列标明了转座因子的末端。所有类型转座因子的转座皆需所有类型转座因子的转座皆需转座酶转座酶对末端的识别。对末端的识别。第15页/共52页复制型转座（复制型转座（replicativetransposition）：）：转座的转座的DNA序列是原转座因子的一个拷贝，而不是它本身。转座子作为序列是原转座因子的一个拷贝，而不是它本身。转座子作为移动的拷贝，即一个拷贝留在原处，另一拷贝插入到新的靶位点

11、。移动的拷贝，即一个拷贝留在原处，另一拷贝插入到新的靶位点。第16页/共52页非复制型转座（非复制型转座（nonreplicativetransposition）：）：转座因子直接从原位点移到靶位点，同时在供体留下产生一个双转座因子直接从原位点移到靶位点，同时在供体留下产生一个双链断裂的位点。这个双链断裂位点需要修复系统的识别和修复。链断裂的位点。这个双链断裂位点需要修复系统的识别和修复。第17页/共52页保守转座（保守转座（conservativetransposition）：）：转座因子从供体位点上切离，插入到靶位点上，供体位点恢复原状。转座因子从供体位点上切离，插入到靶位点上，供体位点恢

12、复原状。第18页/共52页一种运动性一种运动性DNA分子，具有独特结构可捕获和整合外源性基因，使之分子，具有独特结构可捕获和整合外源性基因，使之转变成为功能性基因的表达单位；转变成为功能性基因的表达单位；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;基本结构：两端为保守末端，中间为可变区，含一个或多个基因盒基本结构：两端为保守末端，中间为可变区，含一个或多个基因盒;整合子含有整合子含有3个功能元件：重组位点、整合酶基因、启动子个功能元件：重组位点、整合酶基因、启动子;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。通过转座子或接合性质粒，使多种耐药基因在细菌中进

13、行水平传播。4.整合子整合子(integron,In)第19页/共52页整合子介导的获得耐药基因盒的机制整合子介导的获得耐药基因盒的机制Theintegronmechanismofantibiotic-resistancegenecassetteacquisition基因盒是较小的、可移动的基因盒是较小的、可移动的DNA分子，常以环形独立状态存在。只有被整合子捕获并整合到整合分子，常以环形独立状态存在。只有被整合子捕获并整合到整合子中才能转录。整合子通过整合酶催化基因盒上的子中才能转录。整合子通过整合酶催化基因盒上的attC位点和整合子上的位点和整合子上的attI位点之间的位点特位点之间的位点

14、特异性重组，可以将游离的耐药基因盒整合到自身的染色体上。基因盒在整合子的启动子带动下得异性重组，可以将游离的耐药基因盒整合到自身的染色体上。基因盒在整合子的启动子带动下得以表达。以表达。attC，基因盒的重组位点；，基因盒的重组位点；attI，整合子的重组位点；，整合子的重组位点；Pant，基因盒表达的启动子；基因盒表达的启动子；qac，季铵，季铵盐类化合物耐药基因盐类化合物耐药基因;sul，磺胺类耐药基因。，磺胺类耐药基因。第20页/共52页5.噬菌体基因组噬菌体基因组溶原性转换溶原性转换lysogenicconversion第21页/共52页第二节第二节 细菌基因表达的调节细菌基因表达的调

15、节操纵子操纵子（operon）-原核生物中几个功能相关的结构基因串联原核生物中几个功能相关的结构基因串联排列在一起，与其上游的排列在一起，与其上游的启动子启动子和和操纵基因操纵基因序列共同构成的序列共同构成的一个转录单位。一个转录单位。调节基因调节基因-位于操纵子上游，编码的蛋白能够与操纵基因序列位于操纵子上游，编码的蛋白能够与操纵基因序列结合，调节结构基因的表达。结合，调节结构基因的表达。大肠埃希菌乳糖操纵子大肠埃希菌乳糖操纵子(lacoperon)第22页/共52页抑制基因转录抑制基因转录阻遏蛋白阻遏蛋白(repressor)与操纵基因结合，阻断启动子与与操纵基因结合，阻断启动子与RNA聚

16、合酶结聚合酶结合或结合后不能移动，从而阻止基因转录。合或结合后不能移动，从而阻止基因转录。第23页/共52页阻遏蛋白与诱导物结合时，迫使阻遏蛋白阻遏蛋白与诱导物结合时，迫使阻遏蛋白-诱导物复合物脱离诱导物复合物脱离DNA链，去除阻遏蛋白的抑制作用。链，去除阻遏蛋白的抑制作用。第24页/共52页促进基因转录促进基因转录分解物基因激活蛋白分解物基因激活蛋白(CAP)第25页/共52页第三节第三节 基因的转移和重基因的转移和重组组基基因因转转移移(genetransfer)：遗遗传传物物质质由由供供体体菌菌进进入入某某受受体体菌菌细细胞胞内的过程。内的过程。基基因因重重组组(recombinatio

17、n)：转转移移的的基基因因与与受受体体菌菌DNA整整合合在在一一起起，使受体菌获得供体菌某些特性。使受体菌获得供体菌某些特性。同同源源重重组组：发发生生在在紧紧密密相相关关的的DNA之之间间。在在细细菌菌rec基基因因编编码码的的重重组酶作用下，由外源性一段单链组酶作用下，由外源性一段单链DNA取代宿主染色体上一段取代宿主染色体上一段DNA。非非同同源源重重组组：发发生生在在无无关关的的DNA之之间间，在在位位点点专专一一重重组组酶酶的的作作用用下，将缺失或插入的下，将缺失或插入的DNA重新连接。重新连接。细菌的基因转移和重组方式：细菌的基因转移和重组方式：转化转化、接合接合、转导转导、溶原性

18、转换溶原性转换、原生质体融合原生质体融合。第26页/共52页一、转化一、转化(Transformation)小鼠体内肺炎链球菌转化试验小鼠体内肺炎链球菌转化试验第27页/共52页受体菌直接摄取供体菌裂解释放的受体菌直接摄取供体菌裂解释放的DNA片段，获得片段，获得新的遗传性状的过程称为新的遗传性状的过程称为转化转化。第28页/共52页转化因子转化因子（transformingfactors）在转化过程中，转化的在转化过程中，转化的DNA片段称为转化因子。片段称为转化因子。影响因素影响因素供受菌基因型供受菌基因型：亲缘关系愈近，转化率愈高亲缘关系愈近，转化率愈高受菌的生理状态受菌的生理状态：感受

19、态（感受态（competence）-生理活动过程中摄取转化因生理活动过程中摄取转化因子的最佳时期子的最佳时期环境因素环境因素：Mg2、Ca2等可促进转化等可促进转化第29页/共52页二、接合二、接合(conjugation)细菌通过性菌毛相互连接沟通，将遗传物质（主要细菌通过性菌毛相互连接沟通，将遗传物质（主要是质粒是质粒DNA）从供体菌转移给受体菌的方式称为）从供体菌转移给受体菌的方式称为接合接合。能通过接合方式转移的质粒称为能通过接合方式转移的质粒称为接合性质粒接合性质粒。（。（F质质粒、粒、R质粒）质粒）第30页/共52页1.F质粒的接质粒的接合合F质粒质粒（fertilityfacto

20、r,致育因子）致育因子）第31页/共52页F质粒整合到细菌染色体上，形成质粒整合到细菌染色体上，形成高频重组株高频重组株(highfrequencyrecombinant,Hfr)，能高效地，能高效地转移染色体上的基因至转移染色体上的基因至F-菌。菌。第32页/共52页第33页/共52页Hfr菌的接合菌的接合第34页/共52页Hfr菌中的菌中的F质粒可从染色体上脱离下来，并携带质粒可从染色体上脱离下来，并携带染色体上几个邻近的基因，故称染色体上几个邻近的基因，故称F质粒质粒。F+、Hfr、F三者均有性菌毛，均可发生接合。三者均有性菌毛，均可发生接合。第35页/共52页2.R质粒的接合质粒的接合

21、R质粒质粒(resistanceplasmid)耐药传递因子耐药传递因子（RTF):与与F质粒功能相似，编码性菌毛，决定质质粒功能相似，编码性菌毛，决定质粒的复制、接合及转移。粒的复制、接合及转移。耐药决定因子耐药决定因子（r-det)：带有不同耐药基因的转座子。：带有不同耐药基因的转座子。AmpRCamRKanR第36页/共52页三、转导三、转导(transduction)转导转导是以噬菌体为载体，将供体菌的一段是以噬菌体为载体，将供体菌的一段DNA转移转移到受体菌内，使受体菌获得供体菌的部分遗传性状。到受体菌内，使受体菌获得供体菌的部分遗传性状。普遍性转导普遍性转导-转导的转导的DNA可是

22、供菌染色体上的任何可是供菌染色体上的任何部分。部分。完全转导：供体菌完全转导：供体菌DNA片段与受体菌染色体整合片段与受体菌染色体整合流产转导：供体菌流产转导：供体菌DNA片段游离在细胞质中片段游离在细胞质中局限性转导局限性转导-转导的转导的DNA只限供菌染色体上的特定只限供菌染色体上的特定基因。基因。第37页/共52页1.1.普遍性转导普遍性转导毒性噬菌体，温和噬菌体均能介导普遍性转导毒性噬菌体，温和噬菌体均能介导普遍性转导第38页/共52页2.局限性转导局限性转导第39页/共52页2.局限性转导局限性转导温和噬菌体介导局限性转导温和噬菌体介导局限性转导第40页/共52页四、溶原性转换四、溶

23、原性转换(lysogenicconversion)细菌因染色体上整合细菌因染色体上整合有前噬菌体而获得新的遗有前噬菌体而获得新的遗传性状称为传性状称为溶原性转换溶原性转换。第41页/共52页五、原生质体融合五、原生质体融合(protoplastfusion)将两种遗传性状不同的细菌经溶菌酶或青霉素等处理，将两种遗传性状不同的细菌经溶菌酶或青霉素等处理，形成原生质形成原生质体后，在聚乙二醇（体后，在聚乙二醇（PEG）作用下，使两种不同的细菌细胞发生融合的过）作用下，使两种不同的细菌细胞发生融合的过程。程。融合后形成双倍体细胞，可短期生存，染色体之间发生交换和重组。融合后形成双倍体细胞，可短期生存

24、，染色体之间发生交换和重组。第42页/共52页第三节第三节 基因突变基因突变基因突变基因突变(mutation)：指由于：指由于DNA碱基对的置换、插入碱基对的置换、插入或缺失导致基因结构发生变化。或缺失导致基因结构发生变化。DNA序列序列改变改变碱基的置换碱基的置换移码突变移码突变转转 换换颠颠 换换A GT CA TA CG TG C插插 入入缺缺 失失第43页/共52页一、基因突变规律一、基因突变规律1.1.自发突变与诱发突变自发突变与诱发突变彷徨试验彷徨试验：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：随机的、非定向的突变是在接触噬菌体之前就已发生，噬菌体对突变仅起筛选而

25、不是诱导作用。突变仅起筛选而不是诱导作用。自发突变率为一世代自发突变率为一世代109106，诱发突变率达诱发突变率达106104。第44页/共52页野生型野生型（wildtype)：从自然界分离的未发生突变的菌株。：从自然界分离的未发生突变的菌株。突变型突变型(mutanttype)：相对于野生型菌株发生某一性状的改变。：相对于野生型菌株发生某一性状的改变。正向突变正向突变：细菌由野生型变为突变型。：细菌由野生型变为突变型。回复突变回复突变(reversemutation)：突变株经过又一次突变可恢复为野：突变株经过又一次突变可恢复为野生型的性状。生型的性状。抑制突变抑制突变(suppress

26、ormutation)：真正的原位回复突变很少，大：真正的原位回复突变很少，大多数回复突变都是第二次突变抑制了第一次突变造成的表型，使多数回复突变都是第二次突变抑制了第一次突变造成的表型，使野生表现型得以恢复或部分恢复。野生表现型得以恢复或部分恢复。回复突变往往不是基因型回复，而是表型的回复。回复突变往往不是基因型回复，而是表型的回复。2.回复突变和抑制突变回复突变和抑制突变第45页/共52页3.突变与选择突变与选择耐药突变株在接触抗生素之前已经出现，抗生素的作用仅耐药突变株在接触抗生素之前已经出现，抗生素的作用仅仅是选择耐药株，淘汰敏感株。仅是选择耐药株，淘汰敏感株。影印试验影印试验(rep

27、licaplating)第46页/共52页二、突变型细菌及其分二、突变型细菌及其分离离|抗抗性突变型性突变型 影印影印试验试验|营养缺陷突变型营养缺陷突变型 营养物质筛选营养物质筛选|条件致死性突变型条件致死性突变型 温度敏感试验温度敏感试验|发酵阴性突变型发酵阴性突变型 乳糖发酵试验乳糖发酵试验第47页/共52页第五节第五节 细菌遗传变异在医学上细菌遗传变异在医学上的实际意义的实际意义对细菌学诊断造成困难对细菌学诊断造成困难耐药使得治疗困难耐药使得治疗困难制备菌苗制备菌苗检测致癌物检测致癌物在基因工程中的应用在基因工程中的应用第48页/共52页检测致癌物检测致癌物凡能诱导细菌发生突变的物质都

28、有可能是致癌物质。凡能诱导细菌发生突变的物质都有可能是致癌物质。实验组菌落高出对照实验组菌落高出对照组一倍即为试验阳性组一倍即为试验阳性Ames实验实验第49页/共52页在基因工程中的应用在基因工程中的应用 基因工程基因工程是在生物体外是在生物体外用人工方法将目的基因重组于用人工方法将目的基因重组于载体（质粒或噬菌体），通过载体（质粒或噬菌体），通过载体将目的基因转入受体细胞，载体将目的基因转入受体细胞，使其表达处目的基因的性状。使其表达处目的基因的性状。第50页/共52页思考题思考题1.细菌基因转移和重组细菌基因转移和重组有哪些有哪些类型？类型？2.何何谓谓transposon、IS、Hfr、lysogenicconversion和和Ames试验？试验？3.影印试验验证何种理论？影印试验验证何种理论？第51页/共52页感谢您的观看！第52页/共52页