5-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：指亲代与子代之间某些性状相似性状相似 或相同或相同，保持了种族相对稳定。变异变异：指亲代与子代之间出现性状差异性状差异，使细菌产生变种或新种。遗传性变异：基因型基因型变异 非遗传性变异：表型表型变异 微生物遗传的物质基础微生物遗传的物质基础 遗传变异有无物质基础以及何种物质可承担遗传变异功能的问题，是生物学中的一个重大理论问题。直到1944年后，利用微生物这一实验对象进行了三个著名的实验，才以确凿的事实证实了核酸尤其是DNA才是遗传变异的真正物质基础。三个经典实验 转化实验 噬菌体感染实验 Alfed Hershey和Martha Chase(1952)用放射性同位素35S标记蛋白质，32P标记DNA。植物病毒重建实验 1956年，H.Fraenkel-Conrat用含RNA的烟草花叶病毒(TMV)进行了著名的植物病毒重建实验，证明了RNA也是遗传物质的基础 第一节第一节 细菌遗传变异细菌遗传变异 的物质基础的物质基础 一、一、细菌的变异现象细菌的变异现象 1、形态结构变异形态结构变异 细菌细菌L型型在青霉素、溶菌酶、补体等在青霉素、溶菌酶、补体等作用下，使菌细胞壁发生缺陷；细菌呈多作用下，使菌细胞壁发生缺陷；细菌呈多态性，革兰染色阴性。态性，革兰染色阴性。H-O变异变异细菌失去鞭毛细菌失去鞭毛 陈旧培基物 鼠疫杆菌 多形态性 2、毒毒 力力 变变 异异 毒力增强毒力增强 无毒的白喉棒状杆菌感染温和噬菌无毒的白喉棒状杆菌感染温和噬菌体后成为有毒株。体后成为有毒株。毒力减弱毒力减弱 有毒菌株变异为弱毒或无毒菌株有毒菌株变异为弱毒或无毒菌株 卡介苗卡介苗 Bacillus of Calmette-G erin，BCG：卡介二氏用有毒的牛结核分枝杆菌在含胆汁、卡介二氏用有毒的牛结核分枝杆菌在含胆汁、甘油、马铃薯的培养基上，经甘油、马铃薯的培养基上，经13年连续年连续230次传次传代所获得的一株毒力减弱但保留免疫原性的变异代所获得的一株毒力减弱但保留免疫原性的变异株；是用于预防结核病的减毒活疫苗株；是用于预防结核病的减毒活疫苗。3、耐、耐 药药 性性 变变 异异 细菌对某种抗生素或药物由敏感变为不敏感即为细菌的耐药现象。耐药菌 多重耐药菌 抗生素依赖 4、菌落变异菌落变异 光滑型光滑型（smooth，S）粗糙型粗糙型（rough，R）S-R 变异变异 S型菌株致病性强，一般新分离的菌株为型菌株致病性强，一般新分离的菌株为S型。菌落发生变异后，细菌的理化特性、抗原型。菌落发生变异后，细菌的理化特性、抗原性、生化能力、毒力等也可发生改变性、生化能力、毒力等也可发生改变。（一）细（一）细 菌菌 染染 色色 体体 bacterial chromosome 是一个闭环双链DNA；基因结构连续，排列紧密，不含内含子。细菌DNA的改变导致遗传性状发生改变。二、细菌的遗传物质二、细菌的遗传物质（二）质（二）质 粒（粒（plasmid）1、定义：、定义：位于细菌细胞质中染色体外的遗传物质，是闭合环状双链DNA，能自主复制，所携带的遗传信息能赋予细菌某些非生命必需的生物学性状如性菌毛、耐药性和毒力等。（1）有自我复制能力自我复制能力，随细菌分裂转移到子代细胞中。分为：紧密型质粒和松弛型质粒 （2）质粒编码的基因产物赋予细菌某些性状赋予细菌某些性状，如耐药性、致病性、致育性等。（3）可自行丢失与消除自行丢失与消除 质粒不是细菌生长所必不可少的，失去质粒的细菌仍能正常存活。2、特、特 征：征：（4）质粒可以通过接合、转化或转导等方式在细菌间转移。接合性质粒与非接合性质粒 （5）质粒的相容性与不相容性 3、几种常见质粒：、几种常见质粒：F质粒质粒 fertility factor 性菌毛有关性菌毛有关 R质粒质粒 resistance plasmid 与耐药性有关与耐药性有关 Col质粒质粒 Col plasmid 编码大肠菌素编码大肠菌素 Vi质粒质粒 virulence plasmid 与细菌毒力有关与细菌毒力有关 代谢质粒代谢质粒 metabolic plasmid 与代谢相关的酶类与代谢相关的酶类（三）转座因子（三）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DNA序列序列，由其由其移动可移动可引起插入突变引起插入突变、染色体染色体畸变及基因的重排等畸变及基因的重排等，从而导致细菌遗传性状从而导致细菌遗传性状改变改变。插入序列插入序列 转座子转座子 1、插入序列、插入序列（insertion sequence，IS）是最小的转座因子，长度不超过2kb，不携带任何已知与插入功能无关的基因区域。2、转座子、转座子（transposon，Tn）长度一般超过2kb，除两端的IS外，还携带有与耐药性、毒素等有关的基因。是一种运动性的DNA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。整合子定位于细菌的染色体和质粒或转座子上，与细菌的耐药性密切相关。（四）整合子（四）整合子（integron In）概念：噬菌体是感染细菌、真菌、放线菌或螺 旋体等微生物的病毒病毒。特点：只有一种核酸类型、能通过滤菌器、无完整细胞结构、专性细胞内寄生、严格宿主特异性。三三、噬菌体、噬菌体（phage）1.形态结构：形态结构：电子显微镜下三种基本形态：蝌蚪形、球形和丝状。大多数噬菌体呈蝌蚪形，分成头部和尾部。（一）噬菌体的生物学性状（一）噬菌体的生物学性状 噬菌体示意图 噬菌体电镜照片噬菌体电镜照片 核核 酸酸：遗传物质（DNA/RNA）蛋白质蛋白质：能保护噬菌体核酸，决定其外形和表面特征，识别宿主菌表面的受体。2.化化 学学 组组 成：成：3.抗原性与抵抗力抗原性与抵抗力 噬菌体的衣壳蛋白具有抗原性，可刺激机体产生特异性抗体。该抗体能抑制相应噬菌体感染敏感细菌；但对已吸附或已进入宿主菌的噬菌体不起作用，噬菌体仍能复制增殖。抵抗力较一般细菌强，低温下长期存活，紫 外线敏感。根据和宿主的关系可将噬菌体分为两类：毒性噬菌体毒性噬菌体和温和噬菌体温和噬菌体。（二）噬菌体与宿主菌的关系 毒性噬菌体毒性噬菌体（virulent phage）是感染宿主菌后，能在宿主菌细胞内复制增殖，产生许多子代噬菌体，并且最终裂解宿主菌。温和噬菌体温和噬菌体（temperate phage）感染宿主菌后，不裂解细菌，不产生子代噬菌体，但噬菌体基因与宿主菌染色体整合，随宿主菌DNA复制而复制，并随宿主菌分裂而传代。1、毒性噬菌体、毒性噬菌体 1）溶菌周期溶菌周期 毒性噬菌体在敏感菌体内的复制增殖过程亦是一个溶菌过程，故可称为复制周期复制周期或溶菌周期溶菌周期；包括吸附、穿入、生物合成、装配成熟和释放几个阶段。吸 附 穿 入 生物合成 装配、成熟、释放 噬菌体侵噬细菌电镜图片 2）溶菌现象）溶菌现象 液体培养基中：混浊菌液 澄清；固体培养基中：表现为噬斑。前噬菌体：前噬菌体：整合在宿主菌染色体上的噬菌体基因组。溶原性细菌：溶原性细菌：带有前噬菌体基因组的细菌。溶原状态：溶原状态：噬菌体基因随溶原性细菌的分裂而传给子代 的状态。2、温、温 和和 噬噬 菌菌 体体 1）概 念：温和噬菌体感染宿主菌后所建立的溶原状态可中断，前噬菌体可自发或在一定理化因素诱导下从宿主菌染色体切离下来，重新复制新的子代噬菌体，最终裂解细菌。因此温和噬菌体有溶原性周期和溶菌性周期。2）溶原性周期和溶菌性周期）溶原性周期和溶菌性周期 吸 附 穿 入 Prophage：整合在宿主菌基因组中的噬菌体基因组 溶原性细菌 溶原性细菌的溶原性周期和溶菌性周期溶原性细菌的溶原性周期和溶菌性周期 溶原性周期 溶菌性周期 某些前噬菌体可导致细菌基因型和性状发生改变，称为溶原性转换。如：白喉外毒素、致热外毒素、肉毒梭菌等。3）溶原性转换）溶原性转换（lysogenic conversion）一、一、转化转化（transformation）供体菌游离的供体菌游离的DNA片段被受体菌片段被受体菌直接摄取直接摄取，使受体菌获得新的性状。，使受体菌获得新的性状。第二节第二节 基基 因因 转转 移移 与与 重重 组组 小鼠体内肺炎链球菌的转化试验 细菌转化的条件：包括受体菌受体菌与外源外源DNA的条件。1）感受态细菌感受态细菌:细菌的感受态是指细菌能够从周围环境中吸收外源细菌能够从周围环境中吸收外源 DNA分子进行转化的生理状态。分子进行转化的生理状态。可用人工的方法提高受体菌感受态的水平，通过以CaCl2、MgSO4等处理或电转化。2）外源）外源DNA：双链DNA分子 亲缘关系越近，DNA的纯度越高，则转化率越高。细菌通过性菌毛性菌毛相互连接沟通，将遗传物质从供体菌转移给受体菌。转移的遗传物质主要是质粒质粒，亦可以是供体菌的部分染色体DNA分子。二、接合（二、接合（Conjugation）1）F质粒的接合质粒的接合 Hfr（高频重组菌高频重组菌）：F质粒整合于宿主菌染色体后，能高效地带动细菌染色体上的基因转移入F菌，因此称为高频重组菌。在Hfr中，F质粒结合在染色体的末端，当Hfr与F菌杂交时，F质粒起发动转移的作用。供菌染色体先进入受体菌，F质粒最后进入。被转移的DNA可以是任意长度的供体菌染色体任意长度的供体菌染色体的片段的片段。F质粒：质粒：Hfr菌中的F质粒可以从细菌染色体上切离下来，终止其Hfr状态，切离时可能带有染色体上临近的基因，这种质粒称为F质粒质粒。2）R质粒的接合质粒的接合 R质粒由耐药传递因子耐药传递因子（RTF）和耐药耐药（r）决定子决定子两部分组成，这两部分可单独，也可结合在一起，只有结合在一起才能发生质粒的接合性传递。RTF的功能与F质粒相似，因此可介导类似类似F质粒质粒的接合过程；r决定子能编码对抗菌药物对抗菌药物的耐药性的耐药性。以噬菌体噬菌体为载体，将供体菌的一段DNA片段转移给受体菌，使其获得新的性状。三、转三、转 导（导（Transduction）根据转导基因片段的范围，可分为两种：普遍性转导普遍性转导：可转移供体菌可转移供体菌DNADNA的任何片段的任何片段。局限性转导局限性转导：只转移前噬菌体插入部位邻近的供体菌只转移前噬菌体插入部位邻近的供体菌DNADNA片段片段 1）普）普 遍遍 性性 转转 导导 噬菌体的溶菌周期发生装配错误，误将供体菌DNA装入噬菌体内成为一个转导噬菌体，再以正常方式感染另一宿主菌。由于这种过程是随机的，被包装的DNA可以是供体菌染色体的任意片段（包括质粒），故称为普遍性转导。外源性DNA片段与受体菌染色体整合，并随染色体复制而传代，称完全转导。外源性DNA片段游离在胞质中，既不能与受体菌染色体整合，也不能自身复制，称为流产转导。普遍性转导模式图 温和噬菌体在溶原周期将DNA整合于供体菌染色体的特定部位，当其从染色体上切离时发生偏差，带走相邻的细菌染色体基因，并将DNA转导给受体菌。其转导的是整合邻近部位供体菌的个别特定基因，故称为局限转导。2）局）局 限限 性性 转转 导导 温和噬菌体感染细菌时，宿主菌染色体中获得了噬菌体的DNA片段，成为溶原状态，从而使细菌获取新的生物学性状。四、溶原性转换四、溶原性转换（lysogenic conversion）类型 基因来源 转移方式 转化 供体菌游离DNA 直接摄入 接合 供体菌 性菌毛连接 转导 供体菌 噬菌体介导 溶原性转换 噬菌体 感染并整合 基因转移和重组的方式比较基因转移和重组的方式比较 一、基因突变的规律一、基因突变的规律 1、突变率：、突变率：自发突变率很低，细菌分裂106109次发生一次突变，人工诱变指加入诱变理化因素、X线、紫外线、烷化剂、亚硝酸基提高101000倍。第三节第三节 基基 因因 突突 变变 2、突变与选择、突变与选择 突变是随机随机的，不定向不定向的，而环境只起选择作用。彷徨试验：彷徨试验：影印试验：影印试验：3 3、回复突变与抑制突变、回复突变与抑制突变 正向突变 野生型 突变株 回复突变 回